آلية عمل ، وتركيب ـ مطياف الكتلة (Mass spectrometry)

آلية عمل مطياف الكتلة (بالإنجليزية: Mass spectrometry)

آلية عمل ، وتركيب ـ مطياف الكتلة (Mass spectrometry)

هو تقنية تحليلية لتحديد العناصر المكونة لمادة أو جزيء ما. ويستخدم أيضا لتوضيح البنيه الكيميائية للجزيئات، مثل الببتيدات والمركبات الكيميائية الأخرى.

يعتمد مبدأ عمل مطياف الكتلة على تشريد المركبات الكيميائية لتوليد جزيئات مشحونة وقياس نسبة كتلتها إلى شحنتها^[1]. تجرى العملية في مطياف الكتلة بوضع العينة في الجهاز، حيث تأين المركبات بطرق مختلفة (مثلا بنسفها بحزمة إلكترونية)، مما يشكل الأيونات المشحونة. تحسب نسبة الكتلة للشحنة لهذه الجزيئات من حركة هذه الأيونات ضمن حقول كهرومغناطيسية.

يتكون جهاز مطياف الكتلة من ثلاث وحدات: منبع للأيونات يشطر جزيئات العينة إلى أيونات. وجهاز تحليل يفرز الأيونات بحسب كتلتها عن طريق تطبيق حقول كهرومغناطيسية. ومكشاف لقياس قيمة مؤشر الكمية وبذلك تعطي بيانات لحساب وفرة الأيونات الملتقطة.

ولمطياف الكتلة استخدامات كمية ونوعية، تشمل تحديد هوية المركبات المجهولة، وتحديد التركيب النظائري للعناصر في الجزيء، وتحديد بنية المركب بمراقبة شظاياه. كما يستخدم في تحديد كمية مركب ما في العينة أو لدراسة كيمياء الأيونات في الطور الغازي (كيمياء الأيونات والجسيمات الحيادية في الفراغ). يستخدم مطياف الكتلة حاليا في مخابر التحليل التي تدرس الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لطيف واسع من المركبات.

المباديء الأساسية لطيف الكتلة 

The basic principles of mass spectrometry

منذ بدايات القرن العشرين ونتيجة للدراسات الخاصة بسلوك الجزيئات المشحونة ,,

تم تصميم جهاز مطياف الكتلة ..

وهناك أنواع مختلفة منها من حيث التصميم ودقة العمل ..

وعلى اختلاف أنواعها إلا أنها تعمل على مبدأ أساسي واحد ,,

ويعتمد عمل مطياف الكتلة على قذف للمركب العضوي في حالته الغازية أو البخارية 

بسيل من الالكترونات السريعة والعالية الطاقة ( طاقتها في حدود 70eV ) 

تحت هذه الظروف يؤدي اصطدام الجزيئات بهذه الالكترونات السريعة

إلى انفصال إلكترون أو أكثر من الجزيء ..

أي تحدث عملية تأين للجزيء Ionization وتتكون ايونات موجبة الشحنة

أو بالأصح جذر كاتيوني radical cation M 

بالإضافة إلى ذلك تؤدي الطاقة العالية إلى تكسير رابطة ضعيفة أو أكثر في الجزيء

مما يؤدي إلى تكوين ايونات صغيرة أو حطيمات مشحونة أو متعادلة ..

وبذلك يحتوي المخلوط الناتج من معاملة المركب بهذه الطريقة 

على مجموعة من الايونات الموجبة التي تختلف في الكتلة و الشحنة ..

ويتم فصل هذه الايونات الموجبة بناءً على اختلافها في نسبة الكتلة إلى الشحنة m/e 

باستخدام مجال كهربائي ومجال مغناطيسي ..

ويتم تسجيل نتائج التحليل في صورة طيف كتلة mass spectrum 

يوضح كتلة هذه الايونات ووفرتها النسبية.

مطياف الكتلة هو جهاز اخترعه فرانسيس أستون ويعتمد مبدأ عمله على أن الجسيمات المشحونة عندما تدخل مجالا مغناطيسيا منتظما، بحيث يعامد اتجاهه اتجاه حركتها، فإنها تأخذ مسارات دائرية تتناسب أنصاف أقطارها مع كتلة الجسيم المشحون. ويمكن بواسطة هذا الجهاز قياس نسبة الكتلة للشحنة وفصل الجسيمات المختلفة بهذا المقدار عن بعضها سواء كانت ذرات أو أيونات أو جزيئات. و هو يسمح بقياس q/m لذرة متأينة (حيث m

كتلة الايون و q شحنته) وبتحديد كتلة الذرة، وقد لعبت المطيافية دورا كبيرا في دراسة النظائر.

مكونات المطياف 

يتكون المطياف من :

1.   منبع أيونات Ion source

2.   محلل الكتلة Mass Analyzer
3. كاشف Detector

المكونات الرئيسية لمطياف الكتلة

مبدا عمل المطياف الكتلي :

يعتمد مبدأ عمل المطياف الكتلي على توليد أيونات للمادة المدروسة في حيّز خالٍ من الهواء، وإخضاعها لحقول كهربائية ومغنطيسية حتى ترسم في نهاية المطاف الجسيمات المختلفة في الكتلة مسارات متباينة.

وقد تختلف الترتيبات المستخدمة لهذا الغرض من جهاز لآخر، ويظهر في الشكل (1) أحدها وهو الأكثر استخداماً، وهو يتألف من أربعة أجزاء هي:

الشكل (1) مخطط رمزي لمطياف كتلي

1- حجرة التأين ionization chamber

وهنا تُنتزع الإلكترونات من ذرات العيِّنة موضوع الدراسة، فتتحول إلى أيونات موجبة تمتلك جميعها كتلة متقاربة m، وهي تحمل شحنات كهربائية موجبة q = ne مساوية شحنة الإلكترون e أو مضاعفاتها n بالقيمة المطلقة. ويمكن الحصول على هذه الأيونات على سبيل المثال بإخضاع ذرات المادة وهي في حالة بخار تحت ضغط منخفض لسيل من الإلكترونات صادر عن فتيل ساخن.

ويبين الشكل (2) وسيلة تحقيق ذلك. إذ تُدخَل العيّنة وهي بحالة بخار إلى حجرة صغيرة فيها فتيل يمر فيه تيار كهربائي، توضع مقابله صفيحة موجبة A1 فتنجذب الإلكترونات إليها. وباصطدام الإلكترونات المسرَّعة هذه مع ذرات البخار تغدو الذرات متأينة مرة أو أكثر، وتقوم الصفيحة A2 التي يطبق عليها جهد (كمون) كهربائي موجب بطرد الأيونات بعيداً عنها فتخرج الأيونات من فتحة في حجرة التأين.

الشكل (2) حجرة التأين في المطياف الكتلي

2- مساري التسريع acceleration electrodes

يطبق على حجرة التأين جهد كهربائي موجب من رتبة 10000 ڤولط volt، وتمر الأيونات الخارجة من فتحة حجرة التأين فتَرِدُ على مجموعة مسارٍ كهربائية تطبق عليها جهود كهربائية متناقصة حتى الصفر ڤولط، كما هو ظاهر في الشكل (3)، فتكتسب الأيونات سرعة عاليــة. 

الشكل (3) مساري تسريع الأيونات

ويمكن التعبير عن طاقتها الحركية بدلالة الجهد الكهربائي المسرِّع V بالعلاقة:(شكل A)

الشكل (A)

وذلك بفرض m كتلة الأيون وv سرعته وne الشحنة الكهربائية التي يحملها. ومنها يكون:(شكل (B))

(شكل (B))

3- حجرة الانحراف deflection chamber

تخضع الأيونات ذات السرعة v المعطاة بالعلاقة (1) لدى دخولها منطقة الحقل المغنطيسي B العمودي على مسارها لقوة تجعلها ترسم مساراً بشكل قوس دائرة نصف قطرهاR يعطى بالعلاقة:(شكل (D))

(شكل (B))

فالأيونات ذات الكتلة الصغيرة ترسم أقواساً (A) أنصاف أقطارها صغيرة، في حين ترسم الأيونات ذات الكتلة الكبيرة أقواساً (C) أنصاف أقطارها كبيرة كما يظهر في الشكل (4). كما تقوم الشحنة التي يحملها الأيون بدور في تحديد نصف قطر الدائرة التي يرسمها وهذا واضح من العلاقة (2).

الشكل (4) انحراف الأيونات في الحقل المغنطيسي

4- حجرة الكشف detection chamber

تَرِد الأيونات بعد خروجها من منطقة الحقل المغنطيسي إلى حجرة الكشف التي تعلوها فتحة. فإذا تمكَّن أيون من دخول الحجرة والارتطام بقعرها فإنه يكتسب من جدارها الإلكترون اللازم لاعتداله، فإذا وُصِلت الحجرة بمقياس يسجل شدة التيار عن طريق مضخم أمكن مراقبة عدد الأيونات الأخف أو الأثقل. يجري التحكم بشدة الحقل المغنطيسي B، لكشف كل أنواع الأيونات الموجودة في العيِّنة المدروسة.

الشكل (5) حجرة الكشف

يبين الشكل (6) نتائج نموذجية عائدة لبخار المولبدن تظهر فيها خطوط شاقولية متفاوتة في الطول تعبِّر عن شدة التيار المسجل، يعود كل منها إلى نوع محدد من نظائر المولبدن، وهي سبعة كما يبين الشكل، هي: 

92Mo,94Mo,95Mo,96Mo,97Mo,98Mo,100Mo

الشكل (6) نظائر المولبدن كما تظهر في المطياف الكتلي

ويظهر من الشكل كذلك أن أكثر الأنواع وفرة هو m98Mo، حيث إن طول الخط المقابل له أطول الخطوط.

يتطلب عمل المطياف الكتلي جعل المنطقة التي تتحرك فيها الأيونات خالية عملياً من الهواء، ويتم تأمين ذلك عن طريق مخلِّيات مناسبة. ولكن كيف تم التعرف على أن الخط الأول من الطيف الكتلوي مثلاً عائد للمولبدن 92 وما ومعنى ذلك؟

تعطي المعادلة (2) نصف قطر الدائرة التي يرسمها الأيون في الحقل المغنطيسي ذي الشدة B، وهو يقاس بالمتر في الجملة الدولية، وتقاس B بالتسلا وV بالڤولط، وe بالكولون وm بالكيلو غرام. فبقياس كل من B وV وR ومعرفة شحنة الإلكترون e وهي تساوي 1.6×10-19، يمكن استنتاج m بالكيلوغرام. لقد جرت العادة على استخدام واحدة لقياس الكتل على السلم الذري تسمى واحدة الكتلة الذرية ويرمز لها بـ «و. ك. ذ» amu (atomic mass unit) وقيمتها:

1 و.ك. ذ= 1.66× 10-27 كغ

فإذا قسمت m المقدرة بالكيلوغرام على واحدة الكتلة الذرية التي تمثل عملياً 1/12

من كتلة ذرة الكربون c12C فإن أقرب عدد صحيح للعدد الناتج سيكون 92، وهو يمثل عملياً مجموع عدد البروتونات والنترونات في نواة النظير الناتج، ويسمى العدد الكتلي atomic number له. وهكذا بالنسبة لباقي الخطوط الناجمة عن المطياف الكتلوي. 

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

شارك زملاءك من الزر أدناه لتصلكم مواضيعنا القادمة إن شاء الله تعالى

تعديل المقال