طیف‌سنجی جرمی
طیف‌سنجی جرمی (به انگلیسی: Mass spectrometry) (به اختصار: MS)، یکی از فنون تجزیه‌ای است که جهت اندازه‌گیری نسبت جرم-به-بار یون‌ها به کار می‌رود. این نتایج به صورت «"طیف جرمی"» نمایش داده می‌شوند که نمودار شدت به عنوان تابعی از نسبت جرم-به-بار است. طیف‌سنجی جرمی در حوزه‌های متفاوتی استفاده شده و در نمونه‌های خالص و همچنین مخلوطهای پیچیده مورد استفاده واقع می‌شود.
طیف‌سنجی جرمی نوعی نمودار سیگنال یونی است که تابعی از نسبت جرم-به-بار است. این طیف‌ها جهت تعیین امضای عنصری یا ایزوتوپی یک نمونه مورد استفاده قرار می‌گیرد که جرم ذرات و مولکول‌ها بوده و همچنین جهت تعیین هویت شیمیایی یا ساختاری مولکول‌ها و سایر ترکیبات شیمیایی از آن استفاده می‌شود.
اغلب در فرایندهای MS، یک نمونه که ممکن است جامد، مایع یا گازی باشد یونیزه می‌شود و این عمل به عنوان مثال با بمباران شدن آن توسط پرتویی از الکترون‌ها صورت می‌پذیرد. این عمل ممکن است موجب شود که برخی از مولکول‌های نمونه به تکه‌هایی با بار مثبت شکسته شده یا صرفاً بدون تکه-تکه شدن بار مثبت پیدا کنند. سپس این یون‌ها (تکه‌ها) براساس نسبت جرم-به-بار و مثلاً از طریق شتاب پیدا کردنشان با کمک یک میدان الکتریکی یا مغناطیسی از هم جدا می‌شوند: یون‌هایی که نسبت بار-به-جرم یکسانی داشته باشند تحت انحراف یکسانی قرار می‌گیرند. این یون‌ها توسط مکانیسمی همچون تکثیرگر الکترونی آشکار می‌شوند که قادر است ذرات باردار را آشکارسازی کند. سپس این نتایج به صورت طیف‌هایی از شدت شیکنال یون‌های آشکارسازی شده نمایش می‌یابند که تابعی از نسبت جرم-به-بار است. این اتم‌ها یا مولکول‌هایی که در نمونه قرار دارند را می‌توان با همبسته‌سازی با جرم‌های شناخته شده، جرم‌های شناسایی شده یا از طریق الگوهای تکه-تکه شدنی که از پیش موجود اند، شناسایی نمود.
اویگن گلدشتاین در ۱۸۹۶ میلادی مشاهده نمود که پرتوهای تخلیه گازی تحت فشار پایین از آند دور شده و از طریق کانال‌هایی در کاتد منفذدار، در جهت مخالف پرتوهای کاتدی باردار سفر می‌کنند (یعنی از کاتد به آند). گلدشتاین این پرتوهای آندی با بار مثبت را «Kanalstrahlen» نامید؛ ترجمه استاندارد این اصطلاح به انگلیسی «canal rays» به معنای «پرتوهای کانالی» است. ویلهلم وین متوجه شد که میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی قوی قادر اند تا پرتوهای کانالی را منحرف کنند. او در ۱۸۹۹ میلادی دستگاهی را ساخت که دارای میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متعمادی بوده و پرتوهای مثبت را برحسب نسبت بار-به-جرم (formula_1) جدا می‌کرد. وین متوجه شد که نسبت بار-به-جرم به طبیعت گاز در لوله تخلیه بار وابسته است. دانشمند انگلیسی، جی.جی. تامسون بعدها کار وین را با کاهش فشار جهت ایجاد طیف‌نگار جرمی ارتقاء داد. کلمه "اسپکتروگراف" (طیف‌نگار) از ۱۸۸۴ میلادی مبدل به بخشی از واژه‌نامه علمی بین‌المللی گشته‌است. اولین دستگاه‌های "اسپکترومتری" (طیف‌سنجی) که به اندازه‌گیری نسبت‌های جرم-به-بار یون‌ها پرداختند را "طیف‌نگارهای جرمی" (mass spectrographs) نامیدند که شامل ابزارآلاتی برای ثبت طیف مقادیر جرمی روی یک صفحه عکاسی بودند. "طیف‌بین جرمی" (mass spectroscope) مشابه با «طیف‌نگار جرمی» است به جز این که در آن پرتوی یونی به سمت صفحه فسفری می‌رود. در ابزارآلات اولیه، هنگامی که می‌خواستند اثرات تنظیمات را به سرعت مشاهده کنند از پیکره‌بندی یک طیف‌بین جرمی استفاده می‌کردند. هنگامی که ابزار مورد نظر به طریق مناسبی تنظیم می‌شد، یک صفحه عکاسی در آن درج شده و در معرض پرتوها قرار می‌گرفت. استفاده از اصطلاح طیف‌بین جرمی ادامه یافت، در حالی که نور مستقیم صفحه فسفری جای خود را به اندازه‌گیری غیر مستقیم اسیلوسکوپ داده بود. استفاده از اصطلاح «طیف‌بین جرمی» اکنون به علت احتمال اشتباه گرفته شدنش با طیف‌بینی نور، توصیه نمی‌شود. طیف‌بینی جرمی را اغلب در انگلیسی به صورت mass-spec یا صرفاً MS مخفف‌سازی می‌نمایند.
فنون مدرن طیف‌سنجی جرمی توسط آرتور جفری دمپستر و اف. دبلیو. آستون به ترتیب در ۱۹۱۸ و ۱۹۱۹ میلادی ابداع شدند.
طیف‌سنج‌های جرمی قطاعی که به کالوترون نیز شناخته می‌شوند، توسط ارنست او. لارنس توسعه یافتند و جهت جداسازی ایزوتوپ‌های اورانیوم طی پروژه منهتن مورد استفاده واقع شدند. طیف‌سنج‌های جرمی کالوترون برای غنی‌سازی اورانیوم در کارخانه Y-12 در اوک ریج، تنسی استفاده شدند. این تأسیسات در جنگ جهانی دوم تأسیس شدند.
در ۱۹۸۹ میلادی، نیمی از جایزه نوبل فیزیک به هانس جرج دهملت و ولفگانگ پل جهت توسعه تکنیک تله یونی در دهه ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ میلادی اهدا شد.
در ۲۰۰۲ میلادی، جایزه نوبل شیمی به جان فن به دلیل توسعه یونش الکتروافشانه (ESI) و کویچی تاناکا برای توسعه «واجذبی لیزری نرم» (SLD) و کاربردهایشان در یون‌سازی از مولکول‌های زیست‌شناختی، بخصوص پروتئین‌ها اهدا شد.
اجزای اصلی طیف‌سنج جرمی شامل ورودی نمونه، منبع یون، سیستم اندازه‌گیری و آشکارساز یونی تحت خلاء است.
نمونه‌های فرار را می‌توان مستقیماً وارد جانمونه کرد اما نمونه‌هایی که فراریت کمتری دارند، بایستی وارد اتاقک یونیزاسیون شوند. یونیزاسیون برخورد الکترونی توسط الکترون‌های با انرژی بالا در حدود 70eV انجام می‌شود. کاتیون‌های حاصل توسط پتانسیلی در حدود keV 4-8 شتاب گرفته و از میدان مغناطیسی قدرتمندی با زاویهٔ ۹۰ درجه نسبت به پرتو عبور می‌کنند. یون‌ها بر اساس نسبت جرم/بارشان از مسیر خود منحرف شده و بر روی یک آشکارساز متمرکز می‌شوند.
به بیان ساده، طیفسنج جرمی سه عمل اساسی را انجام می‌دهد: روش طیفسنجی جرمی تا همین اواخر که دستگاه‌های دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تکنیک با پیدایش دستگاه‌های تجاری که به سادگی تعمیر و نگهداری می‌شوند و با توجه به مناسب بودن قیمت آن‌ها برای بیشتر آزمایشگاه‌های صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفکیک، در مطالعه تعیین ساختمان ترکیبات از اهمیت بسیاری برخوردار گشته‌است. امروزه با طیف‌های سریع و مطمئن می‌توان فرمول تجربی قطعات یونی را تعیین کرده و با تجهیزات اضافی یون‌های شبه پایدار را اندازهگیری و طیف‌های فعالسازی تصادفی (Collision Activation Spectra) را ثبت نمود. امتیاز این روش به دلیل دو عامل مهم است: هنگامی که یک مولکول توسط الکترون‌های پرانرژی در محفظه یونیزاسیون یک طیفسنج جرمی بمباران شد، علاوه بر از دست دادن یک الکترون و تشکیل یک یون آن مولکول همچنین مقداری از انرژی انتقال داده شده در اثر برخورد بین خود و الکترون‌های ورودی را جذب می‌کند. این انرژی اضافی یون مولکول را در یک حالت برانگیخته ارتعاشی قرار می‌دهد. ممکن است این یون مولکولی برانگیخته ناپایدار بوده و مقداری از این انرژی اضافی را در اثر جز به جزء شدن از دست بدهد. اگر طول عمر یون مولکولی کمتر از 10 ثانیه باشد، قبل از آنکه در محفظه یونیزاسیون، شتاب داده شود جزء به جزء می‌شود. در چنین مواردی قلل مربوط به نسبت‌های m/e این قطعات در طیف دیده می‌شوند. برای این ترکیب مشخص تمام یون‌های مولکولی تشکیل شده به وسیله یونیزاسیون، دقیقاً طول عمر یکسانی را ندارند بلکه یون‌ها دارای طول عمر متفاوتی هستند، بعضی از یون‌ها طول عمر کمتری از دیگران دارند در نتیجه قلل مربوط به یون مولکولی و قطعات در طیف مشاهده می‌شود. برای اکثر ترکیباتی که در یک طبقه قرار دارند، طریقه جزء به جزء شدن تا حدودی وجه مشخص شده آن طبقه است و می‌توان پیش‌بینی کرد که یک مولکول چگونه جزء به جز می‌شود. قبل از بحث در مورد جزء به جزء شدن هر طبقه از ترکیبات توضیح اصول فرایند جزء به جزء شدن مفید خواهد بود.
در آغاز یونیزاسیون مولکول نمونه مورد آزمایش تولید یک یون ملکولی کرده که نه تنها حامل یک بار مثبت است بلکه دارای یک الکترون جفت نشده نیز هست. پس در واقع یون ملکولی یک کاتیون – رادیکال بوده و شامل تعداد فردی از الکترون‌ها است. قطعات یونی تشکیل شده در طیفسنج جرمی تقریباً همیشه تحت فرایندهای تک ملکولی ایجاد می‌گردند. فشار وارده بر نمونه در محفظه یونیزاسیون به حدی پایین بوده که اجازه برخوردهای دو ملکولی زیادی را نمی‌دهد. آن فرایندهای تک ملکولی که مقدار انرژی کافی دارند فراوانترین قطعات یونی را تولید می‌کنند. قطعات یونی تولید شده کاتیون هستند. شیمی این قطعات یونی را می‌توان به میزان زیاد به صورت آنچه که در مورد یون‌های کربونیم در محلول می‌دانیم بیان کرد.
برای مثال استخلاف آلکیل قطعات یونی را پایدار ساخته (و تشکیل آنان را سرعت می‌بخشد)، که شبیه به آن چیزی که در مورد یون‌های کربونیم اتفاق می‌افتد. آن دسته از فرایندهای جزء به جزء شدن که منجر به تشکیل یون‌های کم پایدار می‌شوند، مورد توجه هستند. اغلب، جزء به جزء شدن مستلزم از دست رفتن یک قطعه خنثی (بدون بار) است این قطعه خنثی در طیف جرمی ظاهر نشده ولی می‌توان از روی اختلاف بین اجرام قطعه یونی و یون ملکولی اولیه، به وجود آن پیبرد. مجدداً فرایندهایی که منجر به تشکیل یک قطعه خنثی پایدار می‌گردند، بر فرایندهایی که منجر به تشکیل قطعات خنثی کم پایدار می‌شوند، ارجحیت دارند. اغلب اوقات جزء به جزء شدن با شکستن یک اتصال همراه است. در این فرایند، یون ملکولی که محتوی تعداد الکترون‌های فرد و یک قطعه یونی با تعداد الکترون زوج ایجاد می‌کند. آن قطعه جدا شدهی خنثی یک رادیکال بوده در حالی که قطعه یونی از نوع یون کربونیم است. شکستن پیوندهایی که منجر به تشکیل یون‌های کربونیم پایدارتر شوند مساعدتر هستند. یکی دیگر از مهم‌ترین انواع جزء به شدن جزء مستلزم شکستن دو پیوند است. در این فرایند یون ملکولی حاوی الکترون فرد، یک قطعه یونی با الکترون فرد و یک قطعه خنثی با الکترون زوج (که معمولاً به صورت یک مولکول کوچک است) ایجاد می‌کند. بدین ترتیب جرم یون‌ها را می‌توان در فاز گازی تعیین کرد. تعیین جرم یون‌ها و تبدیل مولکول‌های خنثی به اجزای دارای بار به وسیلهی فرایندهای یونش اساس کار طیفسنجی جرمی است. پس از برخورد الکترون با مولکول، مولکول مورد نظر کاتیون رادیکال تشکیل می‌دهد که جرم مولکولی این کاتیون رادیکال با جرم مولکولی مولکول اولیه برابر است. کاتیون رادیکال تشکیل شده یک یون مولکولی است. پس از تشکیل یون مولکولی و شکستن یون مولکولی به گونه‌های کوچکتر، می‌توان با استفاده از طیف بدست آمده، ساختار ترکیب را حدس زد. پس از تشکیل یونها، این یون‌ها شتاب داده می‌شوند و بسته به نسبت بار/جرم (m/e) آن‌ها با استفاده از میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی جدا می‌شوند. فراوانترین یون تشکیل شده در محفظهی یونیزاسیون، بلندترین قله را در طیف جرمی می‌دهد. این قله را قله مادر می‌نامند. البته محدودیت‌های نیز برای تعیین جرم مولکولی یک نمونه با این روش وجود دارد:
منبع یونی بخشی از طیف‌سنج جرمی است که مواد مورد تجزیه و تحلیل (آنالایت) را یونیزه می‌کند. این یون‌ها سپس توسط میدان‌های مغناطیسی یا الکتریکی به تجزیه‌گر جرمی منتقل می‌شوند.
تکنیک‌هایی که برای یونش مورد استفاده واقع می‌شوند، در تعیین نوع نمونه‌هایی که می‌توان در طیف‌سنجی جرمی آن‌ها را تجزیه نمود، نقش کلیدی داشته‌اند. برای گازها و بخارها، یونش الکترونی و یونش شیمیایی مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در منابع یونش شیمیایی، آنالیت توسط واکنش‌های شیمیایی یون-مولکولی طی برخوردهایی که در منبع انجام می‌شود، یونیزه می‌شود. دو تکنیکی که اغلب در مورد نمونه‌های زیست‌شناختی مایع و جامد مورد استفاده قرار می‌گیرند شامل یونش الکتروافشانه (اختراع شده توسط جان فن) و واجذب-یونش لیزری به کمک ماتریس اند (MALDI، که ابتدا به عنوان تکنتیکی مشابه با «واجذب لیزری نرم (SLD) توسط کی. تاناکا توسعه یافت که به خاطر آن برنده جایزه نوبل شد و سپس به عنوان MALDI توسط ام. کاراس و اف. هیلنکامپ توسعه یافت).
یک تکنیک مورد استفاده در بررسی مواد حالت جامد می‌باشد. SIMS تکنیک تجزیه و تحلیل ترکیب سطوح جامد و لایه‌های نازک، توسط کندوپاش سطح نمونه با پرتو یون متمرکز اولیه و جمع‌آوری و تجزیه و تحلیل یونهای خارج ثانویه‌است. این یون ثانویه همراه با طیف‌سنج جرمی اندازه‌گیری می‌شود و برای تعیین ترکیب عنصری، ایزوتوپی یا مولکولی سطح کاربرد دارد. سیمس حساس‌ترین تکنیک تجزیه و تحلیل سطح است که قادر به تشخیص عناصر موجود در محدوده یک در میلیارد می‌باشد.
نوعی طیف‌سنجی جرمی است که برای ارزیابی و شناسایی فلزها و برخی نافلزها تا غلظت‌هایی به اندکی بخش در ۱۰ کارایی دارد. این تکنیک در مقایسه با طیف‌بینی جذب اتمی، دارای دقت، حساسیت و سرعت بیشتری است.
در عمل، تعیین وزن مولکولی، کاملاً به سادگی آن چیزی که در قبلاً اشاره شد، نیست. اول باید دانست که مقدار جرم هر یون شتاب داده شده در یک طیف‌سنج جرمی، جرم حقیقی آن است و نه وزن مولکولی آن که اوزان اتمی شیمیایی را بکار می‌برد. مقیاس شیمیایی اوزان اتمی بر پایه میانگین اوزان تمامی ایزوتوپ‌های یک عنصر است. طیف‌سنج جرمی، توانایی تشخیص بین جرم ذرات حامل معمولترین ایزوتوپ‌های عناصر و ذرات حاصل ایزوتوپ‌های سنگین‌تر را دارد. در نتیجه، اجرامی که برای یون‌های مولکولی مشاهده می‌شوند، اجرام مولکولهایی هستند که در آن‌ها هر اتم به‌صورت معمولترین (فراوانترین) ایزوتوپ خود وجود دارد.
دوم اینکه ممکن است مولکولهایی که توسط الکترون‌ها بمباران می‌شوند، شکسته شده و به قطعات یونی مبدل گردند. در اثر این جزء به جزء شدن، طیف‌های جرمی پیچیده شده و قلل موجود در نسبت‌های (m/e) گوناگونی ظاهر می‌شوند. باید کاملاً دقیق و مطمئن بود که قله مشکوک واقعاً قله یون مولکولی است و نه مربوط به قطعه یونی. این مسئله، بخصوص هنگامی بحرانی می‌شود که درصد فراوانی یون مولکولی کم باشد، همانگونه که در یون‌های مولکولی نسبتاً ناپایدار که به سادگی جزء به جزء می‌شوند، اتفاق می‌افتد.
مهمترین مسئله که باید بررسی کرد، آن است که اجرام یون‌های آشکار شده در طیف جرمی را باید به‌طور دقیق اندازهگیری نمود. خطایی به میزان فقط یک واحد جرمی تعیین ساختمان جسم را غیرممکن می‌سازد. طیف جرمی به صورت نموداری از درصد فراوانی یون بر حسب (m/e) است. همانگون که اشاره شد، فراوانترین یون تشکیل شده در محفظه یونیزاسیون بلندترین قله را در طیف جرمی دارد این پیک را پیک مادر می‌گویند. پیک دیگری که در طیف جرمی حائز اهمیت است پیک یون مولکول است یون مولکول ی یونیزه شده ترکیب خنثی است که در ی یونیزاسیون به وجود می‌آید و وزنی معادل وزن مولکول اولیه را دارد. برای اینکه یک مقدار ویژه (m/e) مربوط به یون مولکول باشد باید دارای سه معیار باشد: گاهی برای تأیید قله یون مولکول از قاعده نیتروژن استفاده می‌شود. طبق این قاعده اگر در ترکیبی تعداد زوجی از اتم‌های نیتروژن داشته باشیم یا اصلاً نداشته باشیم یون مولکول آن در (m/e) زوج ظاهر می‌شود از طرفی مولکول‌های که تعداد نیتروژن فرد داشته باشند ایجاد یون مولکول فرد می‌کنند. این قاعده برای تمام ترکیباتی که دارای کربن، هیدروژن، اکسیژن، نیتروژن، گوگرد، هالوژن و همچنین بعضی از اتم‌های کمتر معمولی مانند فسفر، برم، سیلیکون، آرسنیک و فلزات قلیایی خاکی می‌باشند صادق است.
اغلب مولکول‌ها به صورت مخلوطی از ایزوتوپ‌ها وجود دارند و پیکهایی که به وسیلهی یون‌های حامل این ایزوتوپ‌های سنگین به وجود می‌آیند و در طیف جرمی وجود دارند در تعیین فرمول مولکولی کاربرد دارد. ایزوتوپ‌های سنگینتر پیکهایی ایجاد می‌کنند که شدت آن‌ها نسبت به پیک اصلی کوچکتر است. این پیک‌ها به صورت M+1 و M+2 در طیف جرمی ترکیب‌ها دیده می‌شوند که جرم آن‌ها نسبت به جرم یون مولکول به ترتیب ۱ و۲ واحد بیشتر است. به‌طور مثال برای اتم برم (Br) ارتفاع پیک‌های M+ و M+2 تقریباً برابر است یا برای اتم کلر ارتفاع پیک M+ تقریباً یه برابر پیک M+2 است.
برای آلکان‌های زنجیری خطی یا نرمال، قله یون ملکولی را می‌توان مشاهده کرد، هر قدر اسکلت کربن شاخهایتر شود، شدت قله یون ملکولی نیز کاهش می‌یابد. می‌توان این اثر را هنگام مقایسه طیف جرمی بوتان و ایزوبوتان به خوبی مشاهده کرد. در ایزوبوتان قله یون ملکولی به مراتب ضعیفتر از قله یون مولکولی بوتان است.
یک قطعهی مهم در طیف جرمی آلکان‌ها در ۴۱= m/eایجاد می‌شود. این قطعه، یون کربونیم آلیل است.
داده‌های بسیاری را می‌توان از طیف‌سنجی جرمی بدست آورده که معمول‌ترین آن‌ها طیف جرمی است. این طیف نمودار فراوانی نسبی یون‌ها بر حسب نسبت m/z است. پیک مبنا فراوان‌ترین یون مشاهده‌شده‌است که به عنوان فراوانی نسبی ۱۰۰٪ در نظر گرفته می‌شود.
فهرست مجلات عملی مرتبط با طیف‌سنجی جرمی که در رده‌بندی مجلات در زمینه طیف‌سنجی جزو ۱۰ مجله برتر جهان در سال ۲۰۰۵ بودند، در زیر آمده‌است.