طیف سنجی جرمی چیست؟و چه اطلاعاتی به ما می‌دهد؟

طیف‌ سنجی جرمی یک روش شناسایی است که در آن با بهره‌گیری از یونیزاسیون و آنالیز جرمی به بررسی جرم، فرمول و ساختار ترکیب مجهول پرداخته می‌شود. در واقع برای تعیین نوع مواد شیمیایی موجود در نمونه “آنالیز کیفی” و همچنین مشخص کردن مقدار هر ماده شیمیایی در یک نمونه “آنالیز کمی” از طیف سنجی جرمی استفاده می‌شود. طیف‌سنج‌های جرمی کاربردهای زیادی در زمینه‌های مختلف از جمله شیمی، پزشکی قانونی، محیط زیست، زیست‌شناسی، کنترل‌کیفیت و عیب‌یابی، اکتشاف فضایی و … دارند.

خدمات تفسیر طیف‌ جرمی

ما داده‌های آنالیز mass شما را بررسی و تفسیر می کنیم.

مشاوره رایگان و ثبت سفارش

طیف‌سنجی جرمی چیست؟

در طیف سنجی جرمی (MS) با استفاده از نسبت جرم به بار (m/z) ترکیبات موجود در یک نمونه شناسایی می‌شوند. این روش ترکیب مجهول را با تعیین وزن مولکولی آن وآنالیز فراوانی ایزوتوپی آن شناسایی می کند. در طیف سنج جرمی ابتدا نمونه به یون های گازی یونیزه شده و سپس یون ها با نسبت جرم به بار و فراوانی نسبی آنها شناسایی می‌شوند. امروزه می توان طیف‌سنجی جرمی را با تکنیک های مختلف کروماتوگرافی مانند کروماتوگرافی مایع، کروماتوگرافی لایه نازک، کروماتوگرافی گازی یا پلاسمای جفت شده القایی جفت کرده و با حساسیت بالا برای آنالیز و شناسایی نمونه‌های شامل چندین ترکیب مورد استفاده قرار داد.

کاربرد اسپکتروسکوپی جرمی چیست؟

طیف‌سنجی جرمی، یکی از قوی‌ترین تکنیک‌ها در شیمی تجزیه است که به همراه طیف سنجی IR و طیف سنجی NMR برای شناسایی ساختار مواد شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این تکنیک در گستره وسیعی کاربرد دارد که از جمله آنها می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

آنالیز عنصری
آنالیز سطح
اندازه‌گیری جرم مولکولی
شناسایی ساختار مولکولی
بررسی واکنش پذیری در فاز گازی
تعیین غلظت اجزای یک نمونه

طیف سنجی جرمی به‌طور گستردهای تقریباً برای شناسایی تمام عناصر موجود در جدول تناوبی کاربرد دارد. اساساً هر اتم یا مولکولی که توانایی یونیزه شدن و تبدیل شدن به فاز گازی را داشته باشد، میتواند توسط این تکنیک مورد تجزیه قرار گیرد.

اسپکترومتری جرمی چگونه کار می‌کند؟

در تکنیک اسپکترومتری جرمی ابتدا مولکولهای نمونه با از دست دادن الکترون یونیزه شده و سپس در نتیجه از دست دادن این الکترونها، مولکولهای نمونه تبدیل به کاتیونهای دارای بار مثبت می‌شوند. این کاتیونها اغلب دارای سایز مختلف هستند و توسط تکتور که در انتهای دستگاه اسپکترومتری جرمی تعبیه شده است، شناسایی می‌شوند.

The three components found in all mass spectrometers — سه جز اصلی تشکیل دهنده اسپکترومتر جرمی

اجزای اصلی اسپکتروسکوپی جرمی

اولین قسمت اسپکتروسکوپی جرمی برای یونیزاسیون اتم‌ها یا مولکول‌های نمونه استفاده می‌شود. گونه‌های خنثی نمی‌توانند توسط میدان‌های الکتریکی مورد استفاده در اسپکترومترهای جرمی هدایت شوند و بایستی به فرم یونی تبدیل شوند. روش‌های مختلفی برای این کار وجود دارد که به عنوان منابع یونی (Ion source) شناخته می‌شوند.
قسمت دوم تمام اسپکترومترهای جرمی، تحلیلگر جرمی (Mass analyser) است. چندین روش مختلف برای اندازه‌گیری نسبت m/z یون‌ها وجود دارد. تحلیلگرهای جرمی زمان پرواز (ToF) و سکتور مغناطیسی و چهارقطبی، رایج‌ترین انواع تحلیلگر جرمی هستند که هر کدام دارای مزایا و محدودیت‌های خاص خود هستند.
قسمت نهایی که برای تمامی سیستم‌های اسپکترومتر جرمی مشترک است، وسیله‌ای برای تشخیص یا شمارش تعداد یون‌هایی با فراوانی m/z است که به عنوان دتکتورها (detector) شناخته می‌شوند و انواع مختلفی دارند.

در ادامه این سه مولفه مشترک در طیف‌سنج‌های جرمی را مورد بررسی قرار می‌دهیم:

1. منابع یونی برای طیف سنجی جرمی

در طیف‌سنجی جرمی، یونیزاسیون برای تمام روشهای طیف‌سنجی جرمی ضروری است و روش‌های متعددی برای انواع نمونه‌ها و کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. منابع یونی اتم ها و مولکول های نمونه را به ذرات باردار الکتریکی (“یون”) تبدیل می کنند. انواع مختلفی از منابع یونی وجود دارد که برخی در خلاء بالا و برخی دیگر نیر در فشار اتمسفر یون ایجاد می کنند. به طور کلی، روش‌های یونیزاسیون شامل موارد زیر هستند:

روشهای فاز گازی (Gas phase methods)
روشهای واجذب (Desorption methods)
روشهای اسپری (Spray methods)

خلاصه هر کدام از منابع یونی در زیر آورده شده است:

1. 1. **روشهای فاز گازی (Gas phase methods)**

یونیزاسیون الکترونی Electron ionization(EI)

در یونیزاسیون الکترونی مولکول‌های آنالیت باید در فاز بخار باشند تا امکان برهمکنش موثر با الکترون‌های پرانرژی در یک محیط خلاء فراهم شود. روش EI یک روش نسبتاً دشوار برای تجزیه و یونیزاسیون مولکول‌ها است و معمولاً در مواردی استفاده می‌شود که نمونه‌ها نسبتاً تبخیرپذیر بوده و وزن مولکولی آن‌ها پایین است.

یونیزاسیون شیمیایی Chemical ionization(CI)

در یونیزاسیون شیمیایی یک گاز حامل با غلظتی بالاتر از آنالیت به یک اتاق یونیزاسیون EI وارد می‌شود. واکنش گاز حامل با الکترون‌ها منجر به تشکیل یون‌های مولکولی می‌شود که با گاز حامل مازاد وارد واکنش شده و منجر به تشکیل یون‌های مولکولی مختلفی می‌گردد. در نهایت برهمکنش این یون‌ها با مولکول‌های آنالیت از طریق مکانیسمهای مختلف عامل ایجاد یون‌های مولکولی آنالیت است. CI یک تکنیک یونیزاسیون بسیار نرم است و منجر به تجزیه تفکیک گسترده آنالیت نمی‌شود.

تجزیه و تحلیل مستقیم در زمان واقعی Direct analysis in real time (DART)

در تکنیک DART تولید یون‌ها، الکترون‌ها و گونه‌های حالت تحریک شده با ایجاد پلاسما انجام می‌شود و برهمکنش گونه‌های تحریک شده با نمونه‌های فاز مایع، جامد یا بخار، عامل یونیزاسیون مولکول‌های آنالیت است. DART قادر به تحلیل نمونه با اشکال و اندازه‌های مختلف بدون نیاز به آماده‌سازی قبلی و در شرایط محیطی است.

پلاسمای جفت شده القایی Inductively coupled plasma (ICP)

در تکنیک ICP مایع حاوی آنالیت با استفاده از پلاسما به یون‌های فاز گازی تبدیل می‌شود. ICP توانایی یونیزه کردن تقریباً تمام عناصر را دارد.

1. 2. روشهای واجذب (Desorption methods)

یونیزاسیون واجذب لیزر به کمک ماتریکس Matrix assisted laser desorption ionization (MALDI)

در تکنیک MALDI یک “ماتریس”، که نوع آن با توجه به نوع مولکول آنالیت تعیین می‌شود، به مقدار مازاد به نمونه‌ آنالیت، اضافه می‌شود. سپس لیزر به نمونه تابانده می‌شود و مولکول‌های تجزیه شده یا تجزیه نشده توسط لیزر بخار شده و یون‌های مثبت و منفی ایجاد می‌شوند. MALDI یکی از روش‌های اصلی یونیزاسیون “نرم” است و برای تجزیه و تحلیل مولکول‌های بزرگ یا حساس بسیار مفید است.

بمباران سریع اتمی Fast atom bombardment (FAB)

در تکنیک FAB یک پرتو اتم‌های یونیزه شتاب‌داده شده بر روی نمونه‌ای که قرار است تجزیه و تحلیل شود، متمرکز شده و باعث یونیزاسیون آنالیت هدف می‌گردد. این تکنیک یونیزاسیون “نرم” است و قادر به تولید یون‌های مثبت و منفی می‌باشد.

منابع یونیزاسیون حرارتی Thermal ionization sources

در یونیزاسیون حرارتی سزیم حرارت داده شده عامل تولید یون‌های مثبت است. این تکنیک یکی از رایج‌ترین منابع اصلی یونیزاسیون است و می‌توان آن را در کنار پرتوهای یون الکترواستاتیکی برای طیف‌سنجی یون ثانویه مورد استفاده قرار داد.

منابع یونیزاسیون پلاسما Plasma ionization sources

این تکنیک به طور معمول برای تولید پرتوهای یون گازی استفاده می شود، الکترون ها به درون یک گاز، معمولا اکسیژن خالص، انتشار می یابند و آن را یونیزه کرده و پلاسما ایجاد میکنند و در نهایت یون‌ها با توجه به بار خود جدا شده و شتاب می‌گیرند.

منابع یون فلزی مایع (LMIS) Liquid metal ion sources (LMIS)

منابع این تکنیک، فلزات با نقطه ذوب پایین، مثل گالیوم، هستند که با استفاده از حرارت و میدان الکتریکی، یون‌ها را در یک نقطه کوچک تولید می‌کنند. پرتوهای یونی تولید شده توسط LIMS به دلیل اندازه کوچک و وضوح بالا، به ویژه در تصویربرداری MS که در آن دقت بالا مورد نیاز است، مورد استفاده قرار می‌گیرند.

1. 3. روشهای اسپری (Spray methods)

یونیزاسیون الکترواسپری Electrospray ionization (ESI)

در تکنیک ESI اندازه قطرات باردار از طریق تبخیر حلال کاهش یافته و یونهای فاز گازی تشکیل می‍شوند. این تکنیک یون‌سازی نرم مناسب تجزیه و تحلیل مولکول‌های بزرگ و ماکرومولکول‌ها است.

یونیزاسیون الکترواسپری دفعیDesorption electrospray ionization (DESI)

2. انواع آنلایزور جرمی mass analyzer

در اسپکتروسکوپی جرمی، یون‌های نمونه همیشه در خلاء وارد تجزیه‌گر جرمی می‌شوند. اگر نمونه در خلاء نبود، ذرات باردار به مولکول‌های گاز برخورد می‌کردند و ما قادر نبودیم آنها را با میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی به طور موثر حرکت دهیم. تجزیه‌گر جرم در واقع یون‌ها را با نسبت جرم به بار آن‌ها جدا می‌کند، که نماد آن «m/z» است، اما معمولا ، فرض بر این است که همه یون‌ها یک بار دارند. انواع مختلفی از آنالایزرهای جرمی وجود دارد که رایج‌ترین انواع آن چهار قطبی، بخش مغناطیسی، طیف‌سنج جرمی زمان پرواز و طیف‌سنج جرمی تله یونی است.

بعد از یونیزاسیون نمونه، باید یون‌ها جدا شوند و این اتفاق در آنالیزور جرمی رخ می‌دهد.

آنالیزورهای جرمی که معمولاً استفاده می‌شوند، عبارتند از:

زمان پرواز Time-of-flight (ToF)
چهارقطبی Quadrupole
سکتور مغناطیسیMagnetic sector
تله یونی Ion trap
مدارگرد Orbitrap
طیف‌سنجی جرمی هیبریدی (tandem MS)

اگر میخواهید درباره جزییات مربوط به آنالیزورهای جرمی بیشتر بدانید، اینجا کلیک کنید

3. انواع آشکارساز یونی

یک عنصر کلیدی برای همه سیستم های طیف‌سنج جرمی نوع آشکارساز است که برای تبدیل جریان یون‌های جدا شده از آنالایزر جرمی به سیگنال قابل اندازه گیری استفاده می شود. آشکارساز سیگنال های یون ها را ثبت می کند و اطلاعات آن را به کامپیوتر ارسال می کند. اطلاعات مربوط به زمان برخورد یون به آشکارساز و تعداد یون هایی که در هر بازه زمانی به آشکارساز برخورد می کنند توسط کامپیوتر برای ایجاد طیف جرمی استفاده می شود.

آشکارسازهای رایج مورد استفاده عبارتند از:

ضرب‌کننده الکترونی Electron multiplier (EM)
ظرف فارادی Faraday cup (FC)
دینود تبدیل فتومولتی‌پلایر Photomultiplier conversion dynode
آشکارسازهای آرایه ای Array detectors

اگر علاقمند به آشنایی بیشتر با انواع آشکارسازهای یونی در طیف‌سنجی جرمی هستید اینجا کلیک کنید

چرا ما را انتخاب کنید؟

پشتیبانی 24 ساعته در 7 روز هفته

تجزیه و تحلیل دقیق توسط متخصصین

تضمین کیفیت و رضایت

بازبینی رایگان پس از تکمیل سفارشات

قیمت مناسب

ساختار طیف جرمی چگونه است؟

طیف جرمی نموداری است که نسبت جرم به بار (m/z) را در محور x و شدت نسبی (تعداد یون های شناسایی شده) را در محور y نشان می دهد. طیف جرمی مولکول آب در زیر نشان داده شده است.

اطلاعات حاصل از اسپکتروسکوپی جرمی

جرم

اتم ها دارای جرم های مشخصی هستند که نشان دهنده مقدار ماده در یک اتم از هر عنصر است. به عنوان مثال، رایج ترین فرم کربن، هیدروژن و اکسیژن روی زمین به ترتیب دارای جرم های 12، 1 و 16 هستند. همچنین (H₂O) دارای دو اتم هیدروژن و یک اتم اکسیژن است و جرم صحیح آب برابر 18 است. همانطوری که در طیف جرمی مولکول آب مشاهده کردید، بزرگترین قله در طیف جرمی آب برابر 18m/z است که برابر وزن مولکولی آن است.

انواع ایزوتوپ

اتم ها از پروتون (بار مثبت)، نوترون (بدون بار) و الکترون (بار منفی) تشکیل شده اند. برخی اتم های یک عنصر معین دارای تعداد نوترون یکسان نیستند و جرم های متفاوتی دارند که ایزوتوپ نامیده می شوند. به عنوان مثال فراوان‌ترین کربن روی زمین دارای 6 پروتون و 6 نوترون است و جرم آن دقیقاً 12 است ولی حدود 1.1 درصد کربن روی زمین دارای 7 نوترون و جرم صحیح 13 است. اتم های کربن (¹³C) دارای جرم دقیق 13.003355 هستند. مقادیر نسبی ایزوتوپ‌های مختلف اطلاعاتی است که می‌توانیم از یک طیف جرمی به دست آوریم. برخی از عناصر مانند کلر و برم دارای الگوهای ایزوتوپی بسیار متمایز هستند که به راحتی در یک طیف جرمی قابل تشخیص است:

ایزوتوپ های کلر، برم و کربن

بخش کوچکی از هیدروژن روی زمین یک نوترون اضافی دارد و جرم صحیح آن برابر 2 است و کسری از اکسیژن روی زمین دو نوترون اضافی دارد که جرم آن 18 است. به همین دلیل است که ما قله های کوچکی در 19m/z و 20m/zدر طیف جرمی آب می بینیم.

الگوهای شکست

همانطور که در بالا توضیح دادیم، یک منبع یونیزاسیون یک الکترون را از اتم جدا کرده و یک یون ایجاد می کند. پرتو الکترونی انرژی کافی برای شکستن هسته اتم را ندارد، اما می‌تواند اتم های یک مولکول را تجزیه کند. برخی از مولکول های آب با برخورد پرتو الکترونی به آنها متلاشی شده و برخی از یون ها مانند H2O⁺ (m/z 18) OH⁺ (m/z 17) و برخی O⁺(m/z 16) ایجاد می٬شوند.

طیف جرمی یونیزاسیون الکترون آب با ایزوتوپ ها و الگوهای شکست.

در اینجا طیف جرمی مربوط به یک مولکول پیچیده‌تر را نیز مشاهده می‌کنید.

طیف جرمی مربوط به یک داروی سوء مصرف مواد

مولکول اصلی (C₁₇H₂₁NO₄) دارای m/z برابر 303 است که به آن یون مولکولی (Molecular ion) می‌گویند. یون های حاصل از شکست، نشان دهنده بخش های مختلف مولکول هستند و شما بایستی این “تکه های پازل” را کنار هم بچینید تا ساختار شیمیایی را بفهمید. رایج‌ترین راه برای شناسایی مولکول‌ها از طیف‌های جرمی ، جستجو در پایگاه‌‌های داده‌های طیف جرمی است که شامل طیف جرمی مربوط به صدها هزار ترکیب شیمیایی هستند.

جرم های دقیق

طیف‌سنج‌های جرمی رایج فقط قادر به جداسازی و تشخیص یون‌های دارای جرم صحیح هستند و به همین علت به آنها طیف‌سنج‌های جرمی وضوح پایین می‌گویند ولی طیف‌سنج‌های جرمی با وضوح بالا مانند طیف‌سنج‌های جرمی زمان پرواز JEOL نیز وجود دارند که می‌توانند یون‌هایی را که دارای جرم صحیح یکسان، اما جرم‌های دقیق متفاوت هستند، جدا کنند. داشتن اطلاعات در مورد جرم دقیق می تواند بسیار مفید باشد. مثال زیر را در نظر بگیرید:

نیتروژن (N₂+) دارای جرم دقیق 28006148 است.

جرم دقیق مونوکسید کربن (CO+) 27.9949 است.

با وجود اینکه دو گاز دارای جرم فرمولی صحیح 28 هستند ولی جرم مولکولی دقیق آنها متفاوت بوده و در صورت استنشاق اشتباه ممکن است منجر به خفگی و مرگ شود.

نحوه بررسی مخلوط‌ها با استفاده از طیف جرمی

طیف سنج های جرمی به تنهایی مخلوط ها را جدا نمی کنند و اغلب با تجهیزاتی ترکیب می شوند که ترکیبات مخلوط ها را قبل از وارد شدن به طیف سنج جرمی جدا می کنند. کروماتوگرافی گازی (GC) و کروماتوگرافی مایع (LC) دو مورد از رایج ترین روش های جداسازی هستند که با طیف سنجی جرمی در سیستم های GC-MS و LC-MS ترکیب می شوند. در این فرآیند ترکیباتی که توسط GC یا LC جدا می شوند در زمان های مختلف وارد طیف سنج جرمی شده و طیف های جرمی بر اساس زمان ورود ترکیبات مختلف از کروماتوگرافی، ثبت می‌شوند. تکنیک های متداول این فرآیند در ادامه آورده شده‌ است:

طیف سنجی جرمی-کروماتوگرافی گازی (GC-MS)

کروماتوگرافی گازی GC یک تکنیک تحلیلی/جداسازی است که در آن مخلوط پیچیده ای از ترکیبات به یک ستون تزریق شده و بر اساس نقطه جوش نسبی و میل ترکیبی آنها با ستون کروماتوگرافی جدا می شوند. از آنجایی که در کروماتوگرافی گازی از دماهای بالا استفاده می‌شود، برای جداسازی ترکیبات با وزن مولکولی بالا (مثلاً پروتئین ها) مناسب نیست ولی گزینه بسیار مناسبی برای استفاده در صنعت پتروشیمی، نظارت بر محیط زیست و بررسی زمینه های شیمیایی و محسوب می‌شود. در این تکنیک نمونه‌ها می‌توانند به صورت جامد، مایع یا گاز باشند.

طیف سنجی جرمی کروماتوگرافی مایع (LC-MS)

کروماتوگرافی مایع LC مشابه کروماتوگرافی فاز گازی است با این تفاوت که نمونه در فاز مایع است. در این تکنیک نمونه در یک حلال حل شده و به ستون کروماتوگرافی که از ترکیبات حل شده (فاز متحرک) و یک فاز جامد (فاز ثابت) تشکیل شده است، تزریق می شود. میل نسبی بین اجزای نمونه و فاز ثابت ستون منجر به جدا شدن اجزای نمونه می شود که توسط طیف سنجی جرمی MS تشخیص داده شود. از آنجایی که پساب‌ها در فاز مایع هستند، جداسازی آنها به راحتی با روش‌های ICP-MS و ESI-MS انجام می‌شود.

طیف سنجی جرمی شبکه ای (XL-MS)Crosslinking mass spectrometry

درک ساختار کمپلکس های چند پروتئینی برای درک عملکرد سلولی حیاتی است. طیف سنجی جرمی شبکه ای (XL-MS) مکمل تکنیک‌های زیست‌شناسی ساختاری مانند میکروسکوپ الکترونی برودتی (cryo-EM) و کریستالوگرافی اشعه ایکس است ولی در مقایسه با آنها اطلاعات ساختاری با وضوح پایین‌تر را ارائه می‌دهد.

طیف سنجی جرمی تبادل هیدروژن (HX-MS)

طیف سنجی جرمی تبادل هیدروژن (HX-MS) مشابه طیف سنجی جرمی شبکه ای XL-MS است و برای مطالعه کمپلکس های چند پروتئینی، به ویژه ساختار و دینامیک پروتئین کاربرد دارد. از مزایای HX-MS می توان به این نکته اشاره کرد که ساختار پروتئین ها را در محلول بررسی می کند و کریستالیزاسیون ضروری نیست، همچنین این تکنیک به مقادیر بسیار کمی از نمونه (500 تا 1000 پیکومول) نیاز دارد و می تواند پروتئین هایی را که خالص سازی آنها سخت است را بررسی کند.

نتیجه گیری

طیف‌ سنجی جرمی یکی از روشهای شناسایی است که به منظور تعیین جرم، فرمول و بررسی ساختار ترکیب مجهول استفاده می‌شود. در این مقاله به این موضع بپردازیم که اصول طیف سنجی جرمی چیست، چگونه کار می‌کند و در چه زمینه‌هایی کاربرد دارد. لطفا پیشنهادات خود را در این زمینه با ما در میان بگذارید. ما مشتاقانه پذیرای نظرات و سوالات شما هستیم.

مراجع

Lee, Terrence A. A beginner’s guide to mass spectral interpretation. John Wiley & Sons, 1998.
Pretsch, Ernö, Thomas Clerc, Joseph Seibl, and Wilhelm Simon. Tables of spectral data for structure determination of organic compounds. Springer Science & Business Media, 2013.
Philos Mag J Sci. 1907;13(77):561-575. doi:10.1080/14786440709463633
Griffiths J. A Brief History of Mass Spectrometry. Anal Chem. 2008;80(15):5678-5683. doi:10.1021/ac8013065
Münzenberg G. Development of mass spectrometers from Thomson and Aston to present. Int J Mass Spectrom. 2013;349-350(1):9-18. doi:10.1016/j.ijms.2013.03.009
Koppenaal DW, Barinaga CJ, Denton MB, et al. MS Detectors. Anal Chem. 2005;77(21):418 A-427 A. doi:10.1021/ac053495p
John Roboz. A History of Ion Current Detectors for Mass Spectrometry. In: The Encyclopedia of Mass Spectrometry. Elsevier; 2016:183-188. doi:10.1016/B978-0-08-043848-1.00023-7
Watson JT. Electron Ionization Mass Spectrometry. In: Encyclopedia of Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd; 2000. doi:10.1002/9780470027318.a6006
Munson B. Chemical Ionization Mass Spectrometry: Theory and Applications. In: Encyclopedia of Analytical Chemistry. John Wiley & Sons, Ltd; 2000. doi:10.1002/9780470027318.a6004
Cody RB, Laramée JA, Durst HD. Versatile New Ion Source for the Analysis of Materials in Open Air under Ambient Conditions. Anal Chem. 2005;77(8):2297-2302. doi:10.1021/ac050162j