طیف‌سنجی جرمی

طیف‌سنجی جرمی یکی از روش‌های طیف‌سنجی است که شامل جداسازی یون‌های یک یا چند اتمی بر پایه نسبت جرم به بار (m/z) و اندازه‌گیری m/z و فراوانی یون‌ها در فاز گازی است. به عبارت دقیقتر طیف‌سنجی جرمی به بررسی نسبت جرم به بار مولکولها با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی می‌پردازد.
طرز کار
ساختار شماتیک یک طیف‌سنج جرمی
اجزای اصلی طیف‌سنج جرمی شامل ورودی نمونه، منبع یون، سیستم اندازه‌گیری و آشکارساز یونی تحت خلاء است.
نمونه‌های فرار را می‌توان مستقیما 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 زاویه 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:
مولکولها توسط جرایاناتی از الکترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل می‌گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می‌شوند.
یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آن‌ها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی جدا می‌گردند.
یونهای دارای نسبت بار/جرم مشخص و معین توسط بخشی از دستگاه که در اثر برخورد یونها به آن، قادر به شمارش آن‌ها است، آشکار می‌گردند. نتایج داده شده خروجی توسط آشکارکننده بزرگ شده و به ثبات داده می‌شوند. علامت یا نقشی که از ثبات حاصل می‌گردد یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم (m/e).
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 بسادگی 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:
امکان تعیین جرم مولکولی نسبی و تعیین نسبت اجزا ی سازنده عنصری یک ترکیب شیمیایی با استفاده از کمترین مقدار ماده.
الگوی جزء به جزء شدن (تجزیه یک ماده تحت تاثیر بمباران الکترونی یا سایر روش‌ها به منظور تشکیل یون) که در یک طیف جرمی، تشخیص ساختار ترکیب مورد نظر را امکان‌پذیر میسازد.
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 5- 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، دقیقا 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 تقریبا همیشه تحت فرآیندهای تک ملکولی ایجاد میگردند. فشار وارده بر نمونه در محفظه یونیزاسیون به حدی پایین بوده که اجازه برخوردهای دو ملکولی زیادی را نمیدهد. آن فرآیندهای 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 فرآیندهای 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. مجددا فرآیندهایی که منجر به تشکیل یک قطعه خنثی پایدار میگردند، بر فرآیندهایی 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 معمولا 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 می‌باشد. 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 می‌باشد. 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:
قطبیت یک ماده نسبت عکس با فراریت آن دارد.
هر قدر جرم مولکولی نسبی بزرگتر باشد تعداد گروه عاملی هم بیشتر بوده پس خطر تجزیه حرارتی ان در اثر تبخیر بیشتر است.
تعیین وزن مولکولی
در عمل، تعیین وزن مولکولی، کاملا بسادگی آن چیزی که در قبلا 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 کاملا دقیق و مطمئن بود که قله مشکوک واقعا 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 نسبتا ناپایدار که بسادگی جزء به جزء می‌شوند، اتفاق می‌افتد.
مهمترین مسئله که باید بررسی کرد، آن است که اجرام یونهای آشکار شده در طیف جرمی را باید بطور 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) می‌باشد. 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 بوجود 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:
بدون در نظر گرفتن ایزوتوپها، یون مولکول باید نشان دهندهی بیشترین جرم یونی در طیف باشد. تعیین
تعداد الکترونهای یون باید فرد باشد.
ترکیب نماینده یون مولکول باید قادر به تولید یونهای مهم در ناحیه جرم بالای طیف باشد به عبارتی باید توانایی تشکیل قطعات یونی را در طیف جرمی داشته باشد.
گاهی برای تایید قله یون مولکول از قاعده نیتروژن استفاده می‌شود. طبق این قاعده اگر در ترکیبی تعداد زوجی از اتم‌های نیتروژن داشته باشیم یا اصلا 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 تقریبا برابر است یا برای اتم کلر ارتفاع پیک M+ تقریبا یه برابر پیک M+2 می‌باشد.
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.
چند روش یونیزاسیون در طیف‌سنجی جرمی
عمده روش‌های مورد استفاده در طیف‌سنجی جرمی برپایه یونیزاسیون عبارتند از:
یونیزاسیون الکترونی
یونیزاسیون شیمیایی
electrospray
یونیزاسیون سریع در بمباران‌های اتمی
یونیزاسیون لیزری به کمک ماتریس
همچنین طیف‌سنجی جرمی با روش تجزیه‌کننده جرمی نیز طبقه‌بندی می‌شود: بخش مغناطیسی، تجزیه‌کننده جرمی چهارقطبی، تله یون چهارقطبی، زمان پرواز، تبدیل فوریه، تشدید سیکلوترون یون و …
داده‌ها
طیف جرمی یک پپتید که توزیع ایزوتوپی آن را نشان می‌دهد.
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.
نشریات مرتبط
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.
Mass Spectrometry Reviews - انتشارات وایلی -
Journal of the American Society for Mass Spectrometry - انتشارات الزویر -
Journal of Mass Spectrometry - انتشارات وایلی -
Rapid Communications in Mass Spectrometry - انتشارات وایلی -