اسپکتروسکوپی جرمی
طیف سنجی جرمی (MS)، روشی تحلیلی برای اندازه‌گیری نسبت جرم به بار در یون‌ها می باشد. نتایج طیف سنجی جرمی به طور معمول به صورت یک طیف جرمی نشان داده می‌شود. کاربردهای طیف سنجی جرمی هم در مخلوطها و هم در نمونه‌های خالص، استفاده می‌شود.
البته تفاوت‌هایی بین طیف سنجی جرمی (Mass Spectrometry) و اسپکتروسکوپی جرمی (Mass Spectroscopy) وجود دارد که در بیشتر موارد، این دو مفهوم در معادل یکدیگر به کار می‌روند.
بشتر بخوانید: کاربردهای کروماتوگرافی در صنایع نفت و پتروشیمی
درباره عبارات طیف‌سنجی (Spectrometry) و طیف‌بینی (Spectroscopy)عده‌ای بر این عقیده‌اند که طیف‌سنجی و طیف‌بینی، دو مورد مجزا هستند. البته در زبان فارسی، بیشتر از عبارت طیف‌سنجی استفاده می‌شود. در حقیقت، طیف‌بینی (اسپکتروسکوپی)، دانشی نظری است و طیف‌سنجی، به اندازه‌گیری عملی و بررسی کاربرد این علم می‌پردازد.
در تعریفی کلی، طیف‌سنجی به عنوان بخشی از طیف‌بینی به شمار می‌رود. یک طیف جرمی (Mass Spectrum) به نموداری از شدت سیگنال یون به عنوان تابعی از نسبت جرم به بار (m/Z) می‌گویند که بمنظور تعیین ماهیت عنصری یا ایزوتوپی یک نمونه، جرم ذرات، مولکول‌ها و بیان ساختار آن‌ها و سایر ترکیبات شیمیایی بکار برود.
اصول طیف سنجی جرمی
ابتدا مولکول ها بوسیله جریانی از الکترون های پر انرژی بمباران می شوند. در این مرحله برخی از مولکول ها به یون تبدیل خواهند شد. سپس در یک میدان الکتریکی به یون ها شتاب داده می‌شود. یون ها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی با توجه به نسبت بار/جرم جداسازی می شوند.
یون هایی که نسبت بار/جرم مشخصی دارند، توسط بخشی از دستگاه که قادر به شمارش آنهاست، آشکار می شوند. در نهایت نتایج خروجی توسط آشکار کننده، بزرگ می شوند. در پایان نموداری از تعداد ذرات آشکار شده به دست می آید که تابعی از نسبت بار به جرم می باشد.
بیشتر بخوانید: کاربردهای کروماتوگرافی در پزشکی قانونی
روش کار دستگاه طیف سنجی جرمی
یک دستگاه طیف سنج جرمی (MS) شامل موارد زیر است:
ورودی نمونه
منبع یونیزاسیون
سیستم اندازه گیری
آشکارساز یونی تحت خلأ
سیستم داده
در دستگاه طیف سنج جرمی ابتدا در یک محفظه خلأ نمونه به یون تبدیل می‌شود و در سیستم اندازه گیری بر اساس جرم تفکیک و آشکارسازی می‌شود. درنهایت نتایج پردازش و به صورت طیف جرمی ارائه می‌شود.
اجزای دستگاه طیف سنج جرمی
محل ورود نمونه
از محل ورود نمونه مقدار معینی از نمونه به منبع یونیزاسیون فرستاده می شود. سیستم قرارگیری نمونه های گازی و مایع خارج از منبع یونیزاسیون قرار دارد و از طریق روزنه ای با هدایت کم به منبع یونیزاسیون متصل می شود.
از طریق دریچه هایی نمونه های گازی به سیستم ورودی منتقل می‌شوند. تزریق نمونه های مایع فرار نیز به راحتی انجام می شود. تزریق این مایعات در دماهای پایین و توسط یخ خشک و یا نیتروژن مایع انجام می گیرد. البته مایعات غیر فرار و جامدات به سیستم های ورودی حرارتی نیاز دارند.
بیشتر دستگاه‌ها با ورودی یگانه و دوگانه، در دماهای ۱۵۰ تا ۳۵۰ درجه سانتی گراد کار می کنند. سیستم های ورودی نمونه از جنس شیشه یا فلز انتخاب می شوند. در رابطه با نمونه های جامد باید به فراریت آن ها توجه شود.
تزریق جامدات
جامدات با نقطه ذوب پایین را می توان توسط سرنگ تزریق کرد، البته روش های جدیدی هم برای انتقال نمونه های جامد با فشار بخار پایین و مقادیر کم وجود دارد. در روش اول نمونه بخار شده و به منبع یونیزاسیون منتقل می شود. در روش دیگر ابتدا نمونه جامد توسط حامل مناسبی به منبع یونیزاسیون انتقال یافته و در همان جا تبخیر می شود.
بیشتر بخوانید: کمومتریکس تجزیه ای
منبع یونیزاسیون
یونیزاسیون در این دستگاه توسط منابع مختلفی صورت می گیرد. یونیزاسیون به روش های زیر توسط بمباران انجام می شود.
الکترونی
بمباران شیمیایی
میدانی
فوتونی
گرمایی
جرقه‌ای
بمباران اتمی
یونیزاسیون افشانه
این روش اغلب برای نمونه هایی به کار می رود که از لحاظ گرمایی ناپایدارند. در این روش محلول مورد نظر از طریق افشانه اسپری می شود و با اعمال ولتاژ الکتریکی بین نوک سوزن افشانه و الکترود کمکی، قطرات محلول حاوی نمونه را باردار می کنند.
یونیزاسیون شیمیایی
در این روش نمونه مورد نظر با گاز های واکنش گر مانند آمونیاک، متان و ایزوبوتان واکنش می دهد. در این واکنش انتقال پروتون صورت می گیرد، البته انتقال پروتون همراه به نمونه موردنظر با انرژی زیادی همراه نخواهد بود. بنابراین بر خلاف یونیزاسیون شیمیایی تجزیه مولکولی رخ نمی دهد.
بیشتر بخوانید: شیمی تجزیه و صنایع فلزی
یونیزاسیون واجذبی
در این روش از یک پرتو پرانرژی مانند لیزر برای یونیزه کردن نمونه استفاده می شود.
تجزیه گر جرمی
یون های ساخته شده از نمونه ها پس از تشکیل شدن باید توسط پتانسیل های مختلف شتاب پیدا کنند تا بتوانند از میان جداکننده ها عبور کنند. تنظیم پتانسیل این بخش باید طوری باشد که بیشترین قدرت جداسازی و راندمان فراهم گردد.
یون های مثبت از جداکننده عبور کرده و به دلیل اختلاف در نسبت جرم به بار تفکیک می شوند. پس از آن به سمت آشکارساز حرکت می کنند. جداسازی یون ها براساس نسبت جرم به بار توسط تجزیه گرهای جرمی مختلفی صورت می گیرد.
تجزیه‌گر جرمی قطاع مغناطیسی
تجزیه گر زمان پرواز
تجزیه‌گر جرمی چهار قطبی
آشکارساز یونی
پس از اینکه یون ها بر اساس نسبت m/z جداسازی شدند، وارد آشکارساز می‌شوند. آشکارساز ساده ترین قسمت این دستگاه است. در آشکارساز ابتدا یون‌ها به بار الکتریکی تبدیل می گردند. یون‌ها با برخورد به سطح حساس تابش کننده الکترون متناسب با تعداد و شدت برخورد، الکترون تولید می‌کنند، اما جریان الکتریکی برقرار شده ضعیف است و قابل اندازه گیری نخواهد بود.
بنابراین الکترون های تولید شده مجددا به داینودها برخورد می کنند. داینودها با برخورد الکترون به آن‌ها قادرند تعداد بیشتری الکترون تولید کنند. دایانودها در واقع جریان الکتریکی را تقویت می کنند و به حدی می که قابل اندازه گیری توسط دستگاه باشدمی رسانند. در آخر نیز سیگنال به پردازنده دستگاه برای پردازش و ثبت انتقال می یابد.
بیشتر بخوانید: شیمی تجزیه چیست؟
انواع آشکارساز
آشکارساز تکثیرگر الکترون
یک چندگانه گر الکترون، دارای چندین دایانود است. در این آشکارساز از یک ذره باردار ۷۱۰ الکترون تولید می شود. سپس جریان حاصل توسط آمپلی فایر تقویت می شود.
آشکارساز فنجان فارادی
فنجان فارادی (Faraday Cup) آشکارسازی مشابه تکثیر کننده الکترونی است و از فلزی منحنی از جنس اکسید برلیم یا گالیم فسفید ساخته شده است و با برخورد یون به آن الکترون تولید می‌شود. از مزیت های این آشکارساز سادگی مقاومت و کارکردن در هر فشاری است ولی به دلیل حساسیت کم کاربرد محدودی دارد.
سیستم داده
در این قسمت از طیف جرمی نمودار تغییرات نسبت جرم به بار بر حسب شدت به دست می آید. در سیستم داده، اطلاعات حاصل از آنالیزگر با اطلاعات حاصل از آشکارساز ترکیب شده و طیف جرمی بدست می آید. قابل ذکر است، استفاده از طیف سنجی جرمی تکنیکی بسیار سریع است.
یک طیف جرمی کامل را می توان در کسری از ثانیه به دست آورد. چندین هزار اسکن ثبت شده و در سیستم های ذخیره و کتابخانه دستگاه ذخیره می شود. البته سیستم داده ها علاوه بر کسب و پردازش داده، پارامتر های دستگاهی را کنترل می کند، داده ها را به صورت کروماتوگرام و طیف های جرمی ارائه می کند، جست و جوی کتابخانه ای انجام می دهد و داده های ثبت شده را بایگانی می کند.
بیشتر بخوانید: روش تست جارتست و کاربردهای آن
در حال حاضر مناسب ترین تکنیک برای آنالیز ترکیبات mass spectrometry است چون حساسیت و انتخاب گری بالایی دارد. لازم به ذکر است مقادیر نانوگرم از مواد برای به دست آوردن طیف جرمی کافی است. از ترکیب طیف سنجی جرمی با کروماتوگرافی گازی (GC-MS) به عنوان یک روش جداسازی در مخلوط های بسیار پیچیده نیز استفاده می شود.