Mass Spectrometry
By
طیف سنجی جرمی (Mass Spectroscopy)
یکی از قوی ترین تکنیک ها در شیمی تجزیه است.
آنالیز عنصری (Elemental Analysis)،
آنالیز سطح (با اصلاح و تغییر در روش)،
اندازه گیری جرم مولکولی،
شناسایی ساختار مولکولی،
بررسی واکنش پذیری فاز گازی،
تعیین غلظت اجزای یک نمونه،
این روش به طور گسترده ای تقریبا برای شناسایی تمام عناصر موجود در جدول تناوبی کاربرد دارد. اساساً هر اتم یا مولکولی که توانایی یونیزه شدن و انتقال به فاز گازی را داشته باشد، می تواند توسط این تکنیک مورد تجزیه قرار گیرد.
2
اجزای اصلی طیف سنج جرمی
ورودی نمونه،
منبع یون،
تجزیه کننده جرمی،
آشکارساز یونی
3
اصول طیف سنجی جرمی
مولکولها توسط جرایانهایی از الکترونهای پرانرژی بمباران شده و بعضی از مولکولها به یونهای مربوطه تبدیل می گردند. سپس یونها در یک میدان الکتریکی شتاب داده می شوند.
یونهای شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در یک میدان مغناطیسی یا الکتریکی جدا می گردند.
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 می گردند.
نتایج داده شده خروجی توسط آشکار کننده بزرگ شده و به ثبات داده می شوند. علامت یا نقشی که از ثبات حاصل می گردد یک طیف جرمی است، نموداری از تعداد ذرات آشکار شده بر حسب تابعی از نسبت بار/جرم.
4
ورودی نمونه
نمونه های فرار را می توان مستقیماً وارد جانمونه کرد اما نمونه هایی که فراریت کمتری دارند، بایستی وارد اتاقک یونیزاسیون شوند. یون ها بر اساس نسبت جرم/بارشان از مسیر خود منحرف شده و بر روی یک آشکارساز متمرکز می شوند.
سیستم های ورودی پیمانه ای
ورودی لوله ای مستقیم
سیستمهای ورودی کروماتوگرافی
5
6
سیستمهای ورودی کروماتوگرافی گازی
یکی از مشکلات اصلی در اتصال یک کروماتوگراف گازی به یک طیف سنج جرمی وجود گاز حامل است که اجزای شوییده را بی نهایت رقیق می کند و سبب اشکال در پمپاژ طیف سنج نیز می شود (بیشتر برای ستونهای پرشده).
گازهای خروجی از دهانه یک جداکننده فورانی تمام شیشه ای خارج می شوند که سبب افزایش اندازه حرکت مولکولهای سنگین آنالیت می گردد بطوری که 50% یا بیشتر از آنها در یک مسیر مستقیم به سمت قسمت باریک ورودی به طیف سنج حرکت می کنند و در مقابل اتمهای سبک گاز حامل (هلیم) توسط خلا از مسیر مستقیم منحرف شده و بدین ترتیب به خارج پمپاژ می شوند.
7
سیستمهای ورودی کروماتوگرافی مایع
مسئله اصلی جفت کردن کروماتوگرافی مایع با طیف سنج جرمی، عدم انطباق خیلی زیاد بین حجمهای نسبتاً زیاد حلال در اولی و شرایط خلا در دومی است.
1- فاز متحرک خارج شده از ستون تقسیم می شود و کسر بسیار کوچکی از آن به طیف سنج جرمی هدایت می شود
2- سیال خروجی از ستون بر روی یک سیم و یا یک نوار نقاله در حال حرکت دائم قرار می گیرد تا حلال و آنالیت را به یک محفظه گرم شده برای حذف حلال به کمک تبخیر منتقل کند. بعد از تبخیر حلال باقیمانده آنالیت بر روی نوار یا سیم از داخل فضای یون عبور می کند تا در آنجا یونش اتفاق افتد.
3- فصل مشترک افشانه گرمایی، هدایت مستقیم کل سیال خروجی از ستون را با سرعتهایی به زیادی 2ml/min ممکن می سازد. در اینجا مایع همانطور که از داخل یک لوله مویین فولاد زنگ نزن گرم شده عبور می کند و تبخیر می گردد تا یک جت گردپاش از مولکولهای آنالیت و حلال تولید شود. در افشاندن آنالیت توسط یک مکانیسم تبادل بار با نمکی از قبیل آمونیوم استات که همراه شوینده است یونیده می شود. این فصل مشترک فقط برای مولکولهای آنالیت قطبی و فاز متحرک قطبی که نمکی مثل آمونیوم استات را حل کند قابل استفاده است.
8
9
منابع یون (Ion source)
اجزای نمونه بوسیله بمباران با الکترون ها، فوتون ها، یون ها یا مولکول ها به یونهای گازی تبدیل می شود یا اینکه یونش بوسیله انرژی گرمائی یا الکتریکی تامین می شود. خروجی منبع یون جریانی از یونهای گازی مثبت (اکثر اوقات) یا منفی با انرژی جنبشی متفاوت است که سپس به درون تجزیه گر جرمی شتاب داده میشود. اکثر یونهای ایجاد شده تک بارند (Single Charge) و بنابراین نسبت m/z به سادگی برابر با جرم یون است.
10
یونیزاسیون افشانه ((Electrospray Ionization
این روش بیشتردر مورد نمونه های ناپایدار در برابر گرما به کار می رود. اعمال تحریک الکتریکی بین بخش ورودی نمونه (مانند لوله موئینه) و الکترود کمکی (Counter Electrode)، موجب تولید مستقیم قطره های باردار از محلول نمونه می شود. مولکول (مولکول ها) ی باردار شده، از سطح قطره های اسپری شده وا جذب شده و مسیر باقیمانده در طیف سنجی جرمی را طی می کنند.
11
یونیزاسیون برخورد الکترون (Electron Impact Ionization – EI)
مولکول های نمونه در حالت بخار توسط پرتوی از الکترون های پر انرژی که بر روی سیمهای تنگستن تولید می شوند و توسط یک پتانسیل اعمال شده در طول رشته و یک آند تا انرژی ev)70) شتاب می گیرند، بمباران می شود. در برخی روش ها نیز از پرتوهای پرانرژی از تابش الکترومغناطیس استفاده می شود. در نتیجه این برخورد، الکترونی از بالاترین تراز الکترونی خارج شده و فرم یونی گونه تولید می گردد. به دلیل انرژی زیاد موجود در این فرایند، یون مولکول (Molecular Ion) تولید شده می تواند به یون مولکول های کوچکتر تبدیل شده یا دچار نوآرایی شود. تعداد زیادی از یونهای مثبت با جرمهای گوناگون کمتر از جرم مولکول اصلی تولید می شود. یون مولکول عبارت از یونی است که جرم مولکولی ماده اولیه را داشته و لذا (به جز باردار بودن) تفاوت ساختاری با مولکول های ماده اولیه ندارد. این متد را در مورد ترکیبات فرار میتوان بکار بست.
12
یونیزاسیون شیمیایی(Chemical Ionization – CI)
یون مولکول گونه مورد نظر، در اثر واکنش مولکولهای گازی نمونه (M) با یون مولکول های گازی واکنشگر (معمولاً آمونیاک، متان و ایزوبوتان) حاصل می شود. این واکنش در حقیقت یک واکنش انتقال پروتون (Proton Exchange) در فاز گازی است که در دو حالت زیر صورت میگیرد:
حالت یون مثبت GH+ + M ——> MH+ + G
حالت یون منفی G-H]- + M ——> [M-H]- + G
یون مولکولهای حاصله برخلاف یونیزاسیون برخورد الکترون به یون مولکولهای کوچکتر تبدیل نمی شوند. تمایل برای جذب پروتون برای انجام این واکنش یک پارامتر تعیین کننده است. بطور مثال در حالت یون مثبت باید تمایل برای جذب پروتون M از مولکولهای گازی واکنشگر بیشتر باشد. (البته انواع مختلفی از واکنشها می تواند انجام شود). نسبت غلظت واکنشگر به نمونه 1000 تا 10000 برابر می باشد.
13
14
یونیزاسیون واجذبی (Desorption Ionization)
یونیزاسیون واجذبی (DI) بر اثر تابش پرتو پرانرژی به سطح و در نتیجه واجذب شدن یون از سطح نمونه فراهم می آید. میتوان با توجه به نوع پرتوی انتخابی )لیزر، یون و الکترون) روش هایی برای یونیزاسیون واجذبی، ذکر کرد.
15
واجذب لیزری Laser Desorption Ionization
در این روش، آنالیت (گونه مورد تجزیه) در شبکه بلوری ماده آلی( بعنوان زمینه یا ماتریکس) قرار داده شده و تحت تابش اشعه لیزر قرار می گیرد. لیزر باعث واجذب و یونیزاسیون نمونه و زمینه می شود که در نتیجه آن یون های گازی با بار مثبت (برای مثال پروتون دار شدن یا کاتیون دار شدن) یا یون هایی با بار منفی (برای مثال پروتون زدایی) تولید می شود. نمونه در این نوع یونیزاسیون به صورت جامد است. به دلیل ماهیت پالسی تابش لیزر و محدوده جرمی مورد آنالیز، معمولاً در هنگام استفاده از این تکنیک، از تجزیه گر جرمی زمان پرواز (TOF) استفاده می شود.
16
پرتوی یونی متمرکز شده (Focused Ion Beam – FIB)
پرتوی از یون های اولیه گالیم، در اثر برخورد با سطح نمونه باعث کندوپاش مقدار کمی از نمونه بصورت یونهای تک بار (یونهای ثانویه)، و خنثی و الکترونها می شود. از این روش برای تصویربرداری از سطح استفاده کرد. این روش به ویژه در تکنیک طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) به عنوان منبع یون مورد استفاده قرار می گیرد. علت استفاده از گالیوم به دلیل ماهیت عدم واکنش پذیری آن است. برای تولید پرتو اولیه از یونهای گالیوم از منبع یونی فلز مایع (Liquid Metal Ion Source) استفاده می شود.
17
تجزیه گر جرمی (Mass Analyzer)
برای جداسازی یون مولکول های تولید شده در منبع یون بر اساس نسبت m/z ، از اصول فیزیکی متفاوتی میتوان استفاده کرد.
انواع متداولی از تجزیه گر جرمی:
تجزیه گر جرمی قطاع مغناطیسی (Magnetic Sector)،
تجزیه گر جرمی چهارقطبی (Quadrupole)،
تله یون (Ion Trap) ،
زمان پرواز (Time of Flight – TOF)
18
½ mv2 = eV
که m جرم یون ، v سرعت یون ، e بار یون و V اختلاف پتانسیل صفحات شتاب دهنده یون است.
در حضور یک میدان مغناطیسی ، یک ذره باردار مسیر منحنی شکلی را خواهد داشت. معادله ای که شعاع این مسیر منحنی شکل را نشان می دهد به صورت زیر است:
r =mv/eH که r شعاع انحنای مسیر و H قدرت میدان مغناطیسی است.
m/e=H2r2/2V
R=M/ΔM
19
تجزیه گر جرمی قطاع مغناطیسی (Magnetic Sector)
یونهای حاصل از منبع یون، در ابتدا از یک میدان الکتروستاتیکی خمیده (ESA) عبور می کنند. این میدان با استفاده از دو صفحه فلزی با انحنای ملایم که به یک پتانسیلDC متصل است فراهم می آید. اثر این پتانسیل محدود کردن انرژی جنبشی یون مولکول های خروجی از این قسمت به مرحله بعد (قطاع مغناطیسی) است. یون های با انرژی بیشتر و کمتر از مقدار میانگین به ترتیب به بالا و پائین شکاف ESA برخورد کرده و حذف می شوند (مثل یک صافی – فیلتر- عمل می کند). باریکه یون مولکولی خارج شده از ESA با انرژی جنبشی یکسان، سپس وارد قطاع مغناطیسی می شود و یونها براساس جرمشان جدا می شوند. مسلماً یون های سنگین تر با سرعت کمتر و یون های سبکتر با سرعت بیشتر در میدان مغناطیسی حرکت می کنند. بنابراین در این تجزیه گر مولکولها ابتدا توسط انرژی جنبشی (بار) و سپس توسط جرمشان جدا می شوند.
20
تجزیه گر جرمی زمان پرواز (Time of Flight – TOF)
یون مولکول های تولید شده از یک منبع یون پالسی مانند ( Pulsed Liquid Metal Ion Gun)، توسط میدان الکتریکی قوی منبع یون، شتاب داده می شوند. آنگاه یون مولکول های شتابدار از داخل یک لوله سوقی عاری از میدان الکتریکی بطول یک متر عبور می کنند. از آنجایی که تمام یونهای وارد شده به لوله بطور ایده ال دارای انرژی جنبشی یکسان هستند سرعت حرکت آنها در لوله نسبت عکس با جرم دارد. ذرات سبکتر زودتر و ذرات سنگینتر دیرتر به آشکارساز می رسند. از نقطه نظر تفکیک و تکرار پذیری، دستگاههایی برپایه تجزیه گر جرمی زمان پرواز نسبت به تجزیه گرهای جرمی قطاع مغناطیسی و چهارقطبی دارای رضایت بخشی کمتری هستند. اما عواملی همچون سادگی، مقاوم بودن، دسترسی راحت و گستره جرمی نامحدود تا حدودی این نا رضایتی را جبران می کند.
21
22
تجزیه گر جرمی چهارقطبی Quadrupole
قلب این تجزیه گر، چهار میله موازی است که به عنوان الکترود بکار می رود. میله های مقابل بصورت الکتریکی به هم متصل هستند. یک زوج به پایانه مثبت و زوج دیگر به یک پایانه منفی به یک منبع DC متغیر متصل است. علاوه بر پتانسیل DC، به هر زوج از میله ها، پتانسیل های AC، با فرکانس رادیویی که 180 درجه خارج از فازند، اعمال می شود. در این نوع تجزیه گر، یون ها به وسیله پتانسیل 5-10V به فضای درونی میله ها، شتاب داده می شوند. اعمال و افزایش همزمان ولتاژهای ACو DC روی میله های الکترودی، باعث می شود روی مسیر حرکت یون ها بین 4 میله تاثیر بگذارد و بنابراین تمام یون ها بجز آنهایی که مقدار مشخص m/zدارند، به میله ها برخورد کنند و به مولکول های خنثی تبدیل شوند (حذف شوند). بنابراین از طیف وسیعی از یون ها با نسبت m/z، یون هایی با گستره محدودی از m/z به آشکارساز می رسند. طیف سنج های مبتنی بر تجزیه گر جرمی چهار قطبی ارزانتر و مقاومتر از مشابه های قطاع مغناطیسی هستند. این دستگاه دارای سرعت پویش (Scanning) بالا و بنابراین زمان آنالیز بسیار کمی است.
23
24
تله یون Ion Trap
25
آشکار ساز یونی و پردازنده
بعد از جداسازی یون مولکول ها بر اساس نسبت m/z ، بر اثر برخورد این ذرات با آشکارساز، سیگنال الکتریکی ایجاد می شود. تکثیر کننده الکترون (Electron Multiplier) ، فنجان فارادی (Faraday Cup ) از این دسته اند.
سیگنال خروجی درنهایت به پردازنده و از آنجا به صفحه نمایش گر یا دستگاه ثبات (Recorder) منتقل می شود.
26
Reference
1.Skoog, D.A., Holler, F.J., Nieman, T.A., “Principles of Instrumental Analysis”, 5th Edition, Harcourt Brace & Company (1998).
2.J. Pól, M.Strohalm1, V.Havlíček and M.Volný, Molecular mass spectrometry imaging in biomedical and life science research, Histochemistry and Cell Biology, 134,423,(2010)
3.http://en.wikipedia.org/wiki/Focused_ion_beam
4.http://en.wikipedia.org/wiki/Liquid_metal_ion_source
5.M. Hamacher, K. Marcus,K. Stühler, A. van Hall, B. Warscheid, H. E. Meyer, “Proteomics in Drug Research” , Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA,(2006).c
6. Pavia, Donald L, “Introduction to Spectroscopy”, 2nd Edition,
27
سوالات
1- یکی از مشکلات اصلی در اتصال یک کروماتوگراف گازی به یک طیف سنج جرمی چیست ؟ چرا؟
گاز حامل – زیرا اجزای شوییده را بی نهایت رقیق می کند.
2- فصل مشترک (Interface) افشانه گرمایی که در محل ورود نمونه کروماتوگرافی مایع به طیف سنج جرمی به کار می رود، برای چه نوع آنالیت ها و فاز متحرک (از نظر قطبیت) استفاده می شود؟
این فصل مشترک فقط برای مولکولهای آنالیت قطبی و فاز متحرک قطبی که نمکی مثل آمونیوم استات را حل کند قابل استفاده است.
3- مزیت اصلی یونیزاسیون شیمیایی (CI) نسبت به یونیزاسیون برخورد الکترونی (EI) چیست؟
در روش یونیزاسیون شیمیایی، نمونه به جای پرتو های پرانرژی با یون ها (که مسلماً انرژی برخوردی کمتری دارند) برخورد می کند، یونیزاسیون ملایم تر خوا هد بود. لذا برخلاف روش برخورد الکترون (EI)، اجزای ساختاری نمونه اصلی دچار شکست شدیدی نمی شوند.
4- مزایای تجزیه گر جرمی زمان پرواز نسبت به چهارقطبی و قطاع مغناطیسی چیست ؟
سادگی، مقاوم بودن، دسترسی راحت و گستره جرمی نامحدود
5- در یونیزاسیون با روش پرتو یونی متمرکز شده (FIB) در طیف سنجی جرمی، چرا از عنصر گالیوم استفاده می شود؟
به دلیل ماهیت عدم واکنش پذیری آن است.
28
تفسیر نتایج
کتابخانه طیف سنج جرمی
HRMS
MS/MS
ICP-MS
غنی سازی اورانیوم با تجزیه گرهای جرمی
29