جهــــاز مطيــــاف الكتلـة Mass spectrometry

جهــــاز مطيــــاف الكتلـة

هو تقنية تحليلية لتحديد العناصر المكونة لمادة أوجزيء ما. ويستخدم أيضا لتوضيح البنية الكيميائية للجزيئات، مثل الببتيدات والمركبات الكيميائية الأخرى.

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

يتكون جهاز مطياف الكتلة من ثلاث وحدات: منبع للايونات يشطر جزيئات العينة إلى أيونات. وجهاز تحليل يفرز الأيونات بحسب كتلتها عن طريق تطبيق حقول كهرومغناطيسيسة. 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 الايونات 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 اسيتون 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 أوأيونات 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.

يتكون المطياف من :

1.   منبع أيونات Ion source

2.   محلل الكتلة Mass Analyzer

3.   كاشف Detector

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 المغناطيسي

  

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

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

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 علىى استخدام واحدة لقياس الكتل على السلم الذري تسمى واحدة الكتلة الذرية ويرمز لها بــ «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 الكتليي atomic number له. وهكذا بالنسبة لباقي الخطوط الناجمة عن المطياف الكتلوي.

استخدم علماء الكيمياء العضوية مطياف الكتلة بثلاث طرق رئيسية : 

أ- حساب الوزن الجزيئي للمركبات العضوية بدقة متناهية والتي بواسطته نستطيع التنبؤ بالصيغة الجزيئية الصحيحة للمركب .. 

ب- التعرف على التركيب الجزيئي عن طريق معرفة الأماكن المفضلة للتكسير في الجزيء .

كما تعطينا نواتج التكسير معلومات مفيدة عن الايونات الصغيرة ( الحطيمات ) المتكونة نتيجة كسر بعض الروابط في الجزيء .. 

جـ - مقارنة طيف الكتلة للمركب المجهول مع أطياف الكتل لكثير من المركبات المعروفة والتي تم تصنيفها وتخزينها في الحاسب الآلي واستخدامها كأداة تحليل .. 

ويعود السبب في ذلك إلى أن مزايا وخصائص التكسير للجزيء تكون خاصية مميزة له تماماً .. مثل بصمة الإبهام المميزة للشخص ..

من مزايا مطياف الكتلة :

إننا نستطيع الحصول على طيف الكتلة لجميع المركبات العضوية الصلبة والسائلة و الغازية 

باستخدام كمية ضئيلة جداً من المادة.

● أما من أهم عيوب هذه الطريقة :

فتكمن في عدم قدرتنا على استرجاع المادة بعد التجربة لأنها تتكسر .. 

كما أن هذه الأجهزة غالية الثمن لاتتوفر في كثير من المختبرات 

يسمح المطياف الكتلي mass spectrograph أو راسم الطيف الكتلي بفصل الذرات بحسب كتلها، شأنه في ذلك شـأن المطياف الضوئي الذي يسمح بفصل الضوء بحسبب الأطوال الموجية التي يتركب منها. فمن المعلوم أن بالإمكان استخدام المطياف الضوئي لقياس الأطوال الموجية الصادرة عن منبع ضوئي، إضافة إلى قياس الشدات النسبية للأضواء وحيدة اللون التي يتركَّب منها. وبالمثل يمكن استخدام المطياف الكتلي جهاز تحليل للكشف عن الكتل الذرية المختلفة التي تتألف منها عيِّنة ما، وكذلك تقدير الوفرة النسبية لكل منها. كما يمكن استخدامه وسيلة لفصل الذرات المتماثلة في الكتلة.

تاريخه

يعود الفضل إلى ف. و. آستون F.W.Aston في ابتكار أول مطياف كتلوي عام 1920، الذي عمل على تطوير جهاز ابتكره ج.ج. طومسون J.J.Thomson لفصلل النظائر isotopes لأول مرة، وهي عناصر لا يمكن تمييزها بعضها عن بعضض كيميائياً، إلا أنها تختلف في الكتلة،  وباستطاعة المطياف الكتلي تمييزها بسهولة.

فيديو توضيحي لآلية عمل جهاز مطياف الكتلة