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.