© ۱۳۹۳
کلیه حقوق این سایت متعلق به ستاد توسعه فناوری نانو می باشد و هر گونه استفاده از مطالب آن بدون ذکر نام منبع ممنوع است.
نانو
nano
پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناورينانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازهگيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده ميشود.
طیفسنجی جرمی
طیفسنجی جرمی یکی از کاربردیترین تکنیکهای آنالیز در شیمی است. این روش جهت آنالیز عنصری، آنالیز سطح و جهت اهداف کمی و کیفی صورت میگیرد. اجزای اصلی دستگاه شامل منبع یون، تجزیهگر جرمی و آشکارساز یونی است. طراحیهای مختلفی از این دستگاه با کارآییهای متنوع ارائه شده است.
1- مقدمه
طیفسنجی جرمی (Mass Spectroscopy)، یکی از قویترین تکنیکها در شیمی تجزیه است. این تکنیک در گستره وسیعی از جمله آنالیز عنصری (Elemental Analysis)، آنالیز سطح (با اصلاح و تغییر در روش)، اندازه گیری جرم مولکولی، شناسایی ساختار مولکولی، بررسی واکنش پذیری فاز گازی و برای تعیین غلظت اجزای یک نمونه بهکار گرفته میشود. این روش بهطور گستردهای تقریباً 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، میتواند توسط این تکنیک مورد تجزیه قرار گیرد.
2- طیفسنج جرمی
طیفسنج جرمی (Mass Spectrometer)، دستگاهی است که برای آنالیز جرمی استفاده میشود. اساس کار این دستگاه جداسازی یونهای متحرک از یکدیگر بر اساس نسبت جرم به بار(m/z) است.
اجزای اصلی دستگاه طیفسنج جرمی شامل موارد زیر میشود:
• سیستم ورود نمونه (Sample Inlet): هدف این قسمت، وارد کردن مقدار میکرونی از نمونه به درون منبع یون است که میتواند مستقیماً یا از طریق واسطهای دستگاه کروماتوگرافی (مانند کروماتوگرافی مایع یا گاز یا الکتروفورز موئینه) صورت گیرد. در مورد دوم، ترکیبات شیمیایی که در دستگاههای کروماتوگرافی یا الکتروفورز جداسازی شدهاند، به ترتیب وارد طیفسنج جرمی شده و اطلاعات تجزیهای مختلفی از آنها بهدست میآید (برای اطلاعات بیشتر میتوانید به مقاله کروماتوگرافی مایع با کارآیی بالا مراجعه کنید).
• منبع یون (Ion Source): اجزای نمونه با بمباران توسط الکترونها، فوتونها، یونها یا مولکولها به یونهای گازی تبدیل میشود یا اینکه یونش به وسیله انرژی گرمایی یا الکتریکی تامین میشود.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.
• تجزیهگر جرمی (Mass Analyzer): مسئول جداسازی یونها بر اساس m/z است که مشابه تکفامساز در طیفسنج نوری عمل میکند؛ با این تفاوت که بهجای جداسازی طول موجهای یک طیف نوری، یونها را بر اساس نسبت m/z جدا میکند.
• آشکارساز (Transducer) یون: باریکه هر یک از یونهای جدا شده توسط تجزیهگر جرمی را به یک علامت الکتریکی تبدیل میکند.
• پردازشگر علامت: دادهها پردازش شده و در حافظه یک رایانه ذخیره میشوند. دادههای به دست آمده درنهایت ثبت یا نمایش داده میشود.
به خاطر واکنشپذیری بسیار بالای یونهای تولید شده، انجام عملیات بر روی آنها باید در خلأ بسیار بالا انجام شود. منبع یون، تجزیهگر جرمی و آشکارساز، در شرایط خلأ بالا قرار دارند. اجزای دستگاه طیفسنج جرمی بهطور شمایی در شکل 1 نمایش داده شده است.
شکل 1 - اجزای دستگاه طیفسنج جرمی
چندرسانهای 1: آشنایی کلی با طیفسنج جرمی
چندرسانهای 2: رزولوشن در طیفسنج جرمی - طیفسنج جرمی قدرت تفکیک بالایی دارد، به طوری که حتی میان ایزوتوپهای یک عنصر شیمیایی میتوان تفکیک قائل شد.
در ادامه انواع و اصول حاکم بر هر یک از اجزای ذکر شده به طور مختصر مورد بررسی قرار میگیرد.
1-2- منبع یون
وابسته به خصوصیات فیزیکی و شیمیایی نمونه، روشهای متفاوتی برای یونیزه کردن نمونه بهکار میرود. یکی از فاکتورهای اساسی در این انتخاب، پایداری گرمایی نمونه است. بهطور کلی از چهار روش برای یوانیزاسیون استفاده میشود: یونیزاسیون افشانه، یونیزاسیون برخورد الکترون، یونیزاسیون شیمیایی، یونیزاسیون واجذبی.
چندرسانهای 3: یونیزاسیون نمونه در طیفسنج جرمی
1-1-2- یونیزاسیون افشانه (Spray Ionization)
در بین روشهای یونیزاسیون افشانه، یونیزاسیون افشانه الکترونی (Electrospray Ionization- ESI) بیشترین کاربرد را دارد. این روش بیشتر در مورد نمونههای ناپایدار در برابر گرما بهکار میرود. اعمال تحریک الکتریکی بین بخش ورودی نمونه (مانند لوله موئینه) و الکترود کمکی (Counter Electrode)، موجب تولید مستقیم قطرههای باردار از محلول نمونه میشود. مولکول (مولکولها) باردار شده، از سطح قطرههای اسپری شده واجذب شده و مسیر باقیمانده در طیفسنجی جرمی را طی میکنند. بار یون مولکولهای تولید شده (مثبت یا منفی) به علامت پتانسیل اعمالی وابسته است.
شکل 2- یونیزاسیون افشانه الکترونی
چندرسانهای 4: آشنایی با یونیزاسیون افشانه الکترونی
2-1-2- یونیزاسیون برخورد الکترون (Electron Impact Ionization - EI)
در این مورد از یونیزاسیون، مولکولهای نمونه در حالت بخار، توسط پرتویی از الکترونهای پر انرژی (70 ev) بمباران میشود. در برخی روشها نیز از پرتوهای پرانرژی از تابش الکترومغناطیس استفاده میشود. در نتیجه این برخورد، الکترونی از بالاترین تراز الکترونی خارج شده و فرم یونی گونه تولید میشود. بهدلیل انرژی زیاد موجود در این فرایند، یونمولکول (Molecular Ion) تولید شده میتواند به یون مولکولهای کوچکتر تبدیل شده یا دچار نوآرایی شود. یونمولکول عبارت است از یونی که جرم مولکولی ماده اولیه را داشته و لذا (بهجز باردار بودن) تفاوت ساختاری با مولکولهای ماده اولیه ندارد. این متد را در مورد ترکیبات فرار میتوان به کار بست (شکل 3).
شکل 3- یونیزاسیون برخورد الکترون
3-1-2- یونیزاسیون شیمیایی (Chemical Ionization - CI)
یون مولکول گونه مورد نظر، در اثر واکنش مولکولهای گازی نمونه (M) با یون مولکولهای گازی واکنشگر (معمولاً آمونیاک، متان و ایزوبوتان) حاصل میشود. این واکنش در حقیقت یک واکنش انتقال پروتون (Proton Exchange) در فاز گازی است که در دو حالت زیر صورت میگیرد:
GH+ + M ------> MH+ + G حالت یون مثبت
حالت یون منفی G-H- + M ------> [M-H]- + G
یون مولکولهای حاصله برخلاف یونیزاسیون برخورد الکترون، به یون مولکولهای کوچکتر تبدیل نمیشوند. تمایل برای جذب پروتون برای انجام این واکنش یک پارامتر تعیینکننده است. به طور مثال در حالت یون مثبت باید تمایل برای جذب پروتون M از مولکولهای گازی واکنشگر بیشتر باشد (البته انواع مختلفی از واکنشها میتواند انجام شود).
برای مثال در زیر، مکانیسم یونیزاسیون شیمیایی برای گاز آمونیاک (G) که بیشتر از گازهای واکنشگر دیگر تمایل به جذب پروتون و انتقال انرژی دارد، در زیر آورده شده است:
فشار به کار برده شده (0.1-2 torr) در منبع یون طوری بهینه شده است که میزان برخوردها و در نتیجه میزان واکنش انجام شده در واحد زمان به بیشترین مقدار ممکن رسیده و بنابراین بالاترین حساسیت به دست آید.
بهطور خلاصه میتوان گفت از آن جهت که در روش یونیزاسیون شیمیایی، نمونه بهجای پرتوهای پرانرژی با یونها (که مسلماً انرژی برخوردی کمتری دارند) برخورد میکند، یونیزاسیون ملایمتر خواهد بود. لذا برخلاف روش برخورد الکترون (EI)، اجزای ساختاری نمونه اصلی دچار شکست شدیدی نمیشوند. از آنجا که ساختار اولیه زیاد تخریب نمیشود، آنالیزهایی جهت شناسایی کیفی و ساختاری نمونه معمولاً بر پایه این روش یونیزاسیون صورت میپذیرد.
4-1-2- یونیزاسیون واجذبی (Desorption Ionization)
یونیزاسیون واجذبی (DI) بر اثر تابش پرتو پرانرژی به سطح و در نتیجه واجذب شدن یون از سطح نمونه فراهم میآید. شمایی از یونیزاسیون واجذبی در شکل 4 نمایش داده شده است. میتوان با توجه به نوع پرتوی انتخابی (لیزر، یون و الکترون) روشهایی برای یونیزاسیون واجذبی ذکر کرد.
اگر از لیزر به عنوان پرتوی پر انرژی استفاده شود، این متد یونیزاسیون، یونیزاسیون لیزری به کمک زمینه (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization - MALDI) نامیده شده است (شکل 5). در این روش، آنالیت (گونه مورد تجزیه) در شبکه بلوری ماده آلی (به عنوان زمینه یا ماتریکس) قرار داده شده و تحت تابش اشعه لیزر قرار میگیرد. ماتریکس توانایی جذب اشعه لیزر (معمولاً 337nm) را دارد. لیزر باعث واجذب و یونیزاسیون نمونه و زمینه میشود که در نتیجه آن یونهای گازی با بار مثبت (برای مثال پروتوندار شدن یا کاتیوندار شدن) یا یونهایی با بار منفی (برای مثال پروتونزدایی) تولید میشود. البته هنوز مکانیسم دقیق واجذب و یونیزاسیون در این متد مشخص نیست. 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 تجزیهگر جرمی زمان پرواز (TOF) استفاده میشود. در مورد آنالیتهای با جرم مولکولی بالا، MALDI یون مولکولهای تک بار و ESI یون مولکولهایی با بار چندگانه تولید میکند [2].
چندرسانهای 4: آشنایی با یونیزاسیون لیزری به کمک زمینه
شکل 4- شماتیک یونیزاسیون واجذبی
شکل 5- شماتیک MALDI
اگر از پرتویی از یونها (معمولاً گالیوم) به عنوان پرتوی پرانرژی استفاده شود، این روش، پرتوی یونی متمرکز شده (Focused Ion Beam - FIB) نامیده شده است (شکل 6). مطابق شکل 6، پرتویی از یونهای اولیه گالیم، در اثر برخورد با سطح نمونه باعث کندوپاش مقدار کمی از نمونه به صورت یونهای تک بار (یونهای ثانویه) و خنثی و الکترونها میشود. با عبور کردن پرتوی یونی اولیه از سطح نمونه و با جمعآوری سیگنالهای مربوط به یونهای ثانویه یا الکترونها، میتوان از این متد برای تصویربرداری از سطح استفاده کرد. این روش به ویژه در تکنیک طیفسنجی جرمی یون ثانویه (SIMS) به عنوان منبع یون مورد استفاده قرار میگیرد. علت استفاده از گالیوم به دلیل ماهیت عدم واکنشپذیری آن است. برای تولید پرتوی اولیه از یونهای گالیوم از منبع یونی فلز مایع (Liquid Metal Ion Source) استفاده میشود [3-5].
شکل 6- اساس عملکرد پرتو یونی متمرکز شده
2-2- تجزیهگر جرمی (Mass Analyzer)
برای جداسازی یون مولکولهای تولید شده در منبع یون بر اساس نسبت m/z، از اصول فیزیکی متفاوتی میتوان استفاده کرد. انواع متداولی از تجزیهگر جرمی در طیفسنج جرمی استفاده میشود که شامل تجزیهگر جرمی قطاع مغناطیسی (Magnetic Sector)، تجزیهگر جرمی چهار قطبی (Quadrupole)، تله یون (Ion Trap)، زمان پرواز (Time of Flight - TOF)هستند.
چندرسانهای 5: آشنایی با تجزیهگر جرمی تله یون چهار قطبی - تله یون چهار قطبی شامل سه الکترود است. در این روش یونهای تولید شده با اعمال میدان الکتریکی، در ناحیه کوچکی میان الکترودها به دام میافتند.
1-2-2- تجزیهگر جرمی قطاع مغناطیسی
در این دستگاه، یونهای حاصل از منبع یون، در ابتدا از یک میدان الکتروستاتیکی خمیده (ESA) عبور میکنند. این میدان با استفاده از دو صفحه فلزی با انحنای ملایم که به یک پتانسیل DC متصل است، فراهم میآید. اثر این پتانسیل محدود کردن انرژی جنبشی یون مولکولهای خروجی از این قسمت به مرحله بعد (قطاع مغناطیسی) است. یونهای با انرژی بیشتر و کمتر از مقدار میانگین به ترتیب به بالا و پایین شکاف ESA برخورد کرده و حذف میشوند (مثل یک صافی یا فیلتر عمل میکند). باریکه یون مولکولی خارج شده از ESA با انرژی جنبشی یکسان، سپس وارد قطاع مغناطیسی میشود و یونها بر اساس جرمشان جدا میشوند. مسلماً یونهای سنگینتر با سرعت کمتر و یونهای سبکتر با سرعت بیشتر در میدان مغناطیسی حرکت میکنند. بنابراین در این تجزیهگر ابتدا توسط انرژی جنبشی (بار) و سپس توسط جرمشان جدا میشوند. شکل 7 اساس این تجزیهگر جرمی را نشان میدهد.
شکل 7- اساس تجزیهگر جرمی قطاع مغناطیسی
2-2-2- تجزیهگر جرمی زمان پرواز (TOF)
یون مولکولهای تولید شده از یک منبع یون پالسی مانند MALDI یا (Pulsed Liquid Metal Ion Gun)، توسط میدان الکتریکی قوی متناسب با فرکانس اعمال پالس (اما با یک تأخیر زمانی) در منبع یون، شتاب داده میشوند. آنگاه یون مولکولهای شتابدار از داخل یک لوله سوقی عاری از میدان الکتریکی به طول یک متر عبور میکنند. از آنجایی که تمام یونهای وارد شده به لوله به طور ایدهآل دارای انرژی جنبشی یکسان هستند، سرعت حرکت آنها در لوله نسبت عکس با جرم دارد. ذرات سبکتر زودتر و ذرات سنگینتر دیرتر به آشکارساز میرسند. از نقطه نظر تفکیک و تکرارپذیری، دستگاههایی برپایه تجزیهگر جرمی زمان پرواز نسبت به تجزیهگرهای جرمی قطاع مغناطیسی و چهارقطبی دارای رضایتبخشی کمتری هستند. اما عواملی همچون سادگی، مقاوم بودن، دسترسی راحت و گستره جرمی نامحدود، تا حدودی این نا رضایتی را جبران میکند. شکل 8 اساس این تجزیهگر جرمی را نشان میدهد.
شکل 8- اساس تجزیهگر جرمی زمان پرواز
چندرسانهای 6: آشنایی با تجزیهگر جرمی زمان پرواز (TOF)
3-2-2- تجزیهگر جرمی چهار قطبی
قلب این تجزیهگر، چهار میله موازی است که به عنوان الکترود به کار میرود. میلههای مقابل به صورت 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 میلهها، پتانسیلهای AC، با فرکانس رادیویی که 180 درجه خارج از فازند، اعمال میشود. در این نوع تجزیهگر، یونها به وسیله پتانسیل V 5-10 به فضای درونی میلهها، شتاب داده میشوند. اعمال و افزایش همزمان ولتاژهای AC و DC روی میلههای الکترودی، باعث میشود روی مسیر حرکت یونها بین 4 میله تدثیر بگذارد و بنابراین تمام یونها به جز آنهایی که مقدار مشخص m/z دارند، به میلهها برخورد کنند و به مولکولهای خنثی تبدیل شوند (حذف شوند). بنابراین از طیف وسیعی از یونها با نسبت m/z، یونهایی با گستره محدودی از m/z به آشکارساز میرسند. طیفسنجهای مبتنی بر تجزیهگر جرمی چهار قطبی ارزانتر و مقاومتر از مشابههای قطاع مغناطیسی هستند. این دستگاه دارای سرعت پویش (Scanning) بالا و بنابراین زمان آنالیز بسیار کمی است. شکل 9 اساس این تجزیهگر جرمی را نشان میدهد.
شکل 9- اساس تجزیهگر جرمی چهارقطبی
چندرسانهای 7: آشنایی با تجزیهگر جرمی چهار قطبی
3-2- آشکارساز یونی و پردازنده
بعد از جداسازی یون مولکولها بر اساس نسبت m/z، بر اثر برخورد این ذرات با آشکارساز، سیگنال الکتریکی ایجاد میشود. تکثیرکننده الکترون (Electron Multiplier) و فنجان فارادی (Faraday Cup) از این دستهاند [2]. در این آشکارسازها، پس از برخورد یون به یک سطح حساس تابشکننده الکترون، الکترونهای اولیه ایجاد میشوند. در ساختار یک تکثیرکننده الکترون، الکترونهای اولیه به صورت متوالی با الکترودهای تکثیرکننده (Dynode) برخورد کرده و سیگنال تقویت میشود. نسبت به طراحی ساخت آشکارساز، دو ساختار دینود پیوسته (Continuous Dynode) و گسسته (Discrete Dynode) برای تکثیرکنندههای الکترونی ارائه شده است. سیگنال خروجی درنهایت به پردازنده و از آنجا به صفحه نمایشگر یا دستگاه ثبت (Recorder) منتقل میشود.
3- نتیجهگیری
در این مقاله اساس دستگاه طیفسنج جرمی و اجزای تشکیلدهنده آن آورده شده است. یونیزاسیون افشانهای، یونیزاسیون برخورد الکترون، یونیزاسیون شیمیایی و یونیزاسیون واجذبی راهکارهای ارائه شده جهت ایجاد یونها از سطح نمونه مورد تجزیه (منابع یونی) هستند. یون تولید شده بر اساس نسبت m/z در یک تجزیهگر جرمی جداسازی و سپس آشکارسازی میشود. تجزیهگرهای جرمی معمول، تجزیهگرهای قطاع مغناطیسی، چهارقطبی و زمان پرواز را شامل میشود. از آشکارسازهای مورد استفاده میتوان به تکثیرکننده الکترون و فنجان فارادی اشاره کرد.
در فیلم زیر مقدمهای در رابطه با کروماتوگرافی گازی ذکر شده، انواع دتکتورهای استفاده شده در دستگاه، نمودار حاصل شده و معایب این روش نیز توضیح داده شده است.
در فیلم زیر درباره روش طیفسنجی جرمی، نحوه شناسایی مواد با این روش و مزایای این روش توضیحاتی ارائه شده است.
در فیلم زیر انواع دتکتورهای طیفسنجی جرمی و تفاوت آنها ذکر شده است و در رابطه با دتکتور تجزیهگر چهار قطبی توضیحاتی ارائه شده است.
در فیلم زیر درباره اجزای دستگاه طیفسنجی جرمی، روشهای یونیزاسیون و محدودیتهای روش توضیحاتی ارائه شده است.
منابـــع و مراجــــع
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