طيف سنج جرمي

اگر شيئي در حال حركت باشد و شما به آن نيروي جانبي وارد كنيد، آن شيء به جاي حركت بر روي خط راست، به علت انحراف از مسير اصلي خود توسط نيروي جانبي، بر روي يك منحني حركت خواهد كرد. تصور كنيد كه يك توپ جنگي از كنار شما در حال عبور است و شما مي خواهيد آن را هنگام عبور از كنارتان منحرف كنيد و تنها وسيله اي كه در اختيار داريد يك فواره آب از يك شلنگ است كه به طرف توپ نشانه مي رويد! مسلماً اين كار تغيير زيادي ايجاد نمي كند. چون توپ جنگي آن قدر سنگين است كه تقريباً تغييري در مسير قبلي اش ايجاد نمي شود. اما حالا تصور كنيد كه مي خواهيد يك توپ تنيس را كه دقيقاً با سرعت توپ جنگي مورد اشاره در حال عبور از كنار شماست، به وسيله همان فواره آب از مسيرش منحرف كنيد. اين دفعه چون توپ تنيس بسيار سبك تر از توپ جنگي است، با اين عمل انحراف زيادي در مسير آن ايجاد مي شود. مقدار انحرافي كه توسط يك نيروي جانبي به دست مي آوريد، به جرم توپ بستگي دارد. اگر شما سرعت توپ و بزرگي نيرو را بدانيد، مي توانيد در صورت مشخص بودن مسير انحراف توپ پس از اعمال نيرو، جرم توپ را به دست آوريد. هر چه ميزان انحراف كمتر باشد، به اين معني است كه توپ سنگين تر است. شما مي توانيد اين اصل را دقيقاً براي ذرات به اندازه اتم نيز به كار بريد.

خلاصه اي از آنچه در يك طيف سنج جرمي اتفاق مي افتد:
 

اتم هاي در حال حركت مي تواند توسط ميدان هاي مغناطيسي منحرف شوند، البته به شرط آن كه ابتدا به يون تبديل شوند. يك ميدان مغناطيسي مي تواند بر روي ذرات باردار شده توسط بار الكتريكي اثر بگذارد. اما ذراتي كه از نظر بار الكتريكي خنثي هستند، چنين خاصيتي ندارند.

مراحل طي شده براي انجام اين كار، از اين قرار است:
 

مرحله1: يونيزه كردن
 

اتم، با جدا كردن يك يا چند الكترون از آن، تبديل به يك يون مثبت مي شود.
اين مطلب در مورد اتم هايي كه به طور طبيعي يون منفي تشكيل مي دهند (براي مثال كلر) و همچنين براي اتم هايي كه به طور كلي تشكيل يون نمي دهند(مثل آرگون) نيز در اين مرحله صادق است و آنها نيز به يون هاي مثبت تبديل مي شوند. چون طيف سنج هاي جرمي هميشه با يون هاي مثبت كار مي كنند.

مرحله2: شتابدهي
 

يون ها در اين مرحله شتابدار مي شوند تا اين كه همه داراي انرژي جنبشي يكسان شوند.

مرحله3: انحراف
 

در اين مرحله يون ها به تناسب جرمشان با استفاده از آهن رباي مغناطيسي منحرف مي شوند. هر چه يون ها سبك تر باشند، انحراف بيشتري مي يابند. ميزان انحراف به بار يون و به عبارت ديگر به تعداد الكترون هايي كه در مرحله اول از ذرات جدا شده نيز بستگي دارد. هرچه بار يون بيشتر باشد، بيشتر منحرف مي شود.

مرحله4: آشكارسازي
 

جريان پرتو مانند يون ها كه از دستگاه عبور مي كند، از طريق الكتريكي آشكار سازي مي شود.

درك آن چه در طيف سنج جرمي روي مي دهد، نيازمند دانستن موارد زير است:
 

نياز به خلأ
 

وجود خلأ به علت آن است كه يون هاي ساخته شده در محفظه يونيزه سازي بتوانند بدون برخورد به مولكول هاي هوا، آزادانه حركت كنند.

يونيزه كردن
 

نمونه تبخير شده وارد محفظه يونيزه سازي مي شود. سيم پيچ داغ شده الكتريكي به طور پيوسته الكترون منتشر مي كند كه اين الكترون ها توسط تله الكتروني، كه صفحه اي باردار شده و داراي بار مثبت است، جذب مي شوند. در نتيجه، ذرات موجود در نمونه تبخير شده (اتم ها يا مولكول ها) توسط جرياني از الكترون ها بمباران مي شوند و انرژي حاصل از برخي از اين تصادم ها به قدري است كه مي تواند يك يا چند الكترون را از ذرات نمونه تبخيري جدا ساخته و از آنها يون هاي مثبت بسازد. بيشتر يون هاي مثبت تنها يك واحد بار مثبت (1+) خواهند داشت. علت آن است كه جدا كردن الكترون هاي بعدي از يوني كه قبلاً با جداسازي يك الكترون، مثبت شده، دشوارتر است.
اين يون هاي مثبت توسط بازتاباننده يون كه صفحه اي فلزي حاوي مقدار اندكي بار مثبت است، به سمت قسمت هاي بعدي دستگاه هدايت مي شوند. توجه: همانطور كه بعداً مشاهده خواهيد كرد، تمام محفظه يونيزه سازي توسط ولتاژي تقريباً به بزرگي 10هزار ولت نگه داشته مي شود. در واقع ولتاژ حاصل از بارهاي حاوي دو صفحه فلزي با بار مثبت، اضافه بر 10هزار ولت مذكور هستند.

شتابدهي
 

يون هاي مثبت توسط محفظه يونيزه سازي كه داراي بار مثبت بسيار زيادي است دفع مي شوند (بازتابانده مي شوند) و از ميان سه شكاف عبور مي كنند، كه سومين شكاف داراي ولتاژ صفر است. شكاف مياني حاوي مقدار متوسطي از ولتاژ است. همه يون ها شتابدار شده و در نهايت به صورت يك پرتو متمركز در مي آيند.

منحرف سازي
 

يون هاي مختلف توسط آهن رباي الكتريكي به ميزان هاي مختلف منحرف مي شوند. ميزان انحراف به مقادير زير بستگي دارد:
* جرم يون: يون هاي سبك تر بيشتر از يون هاي سنگين منحرف مي شوند.
* مقدار بار يون: يون هاي با بار 2(يا بيشتر) مثبت، بيشتر از يون هايي كه تنها يك واحد بار مثبت دارند انحراف پيدا مي كنند.
تركيب اين دو عامل به صورت نسبت جرم/ بار (جرم تقسيم بر بار) نشان داده مي شود. نسبت جرم/ بار با نماد m/z (و برخي اوقات با m/e) نمايش داده مي شود. براي مثال اگر يوني جرمي معادل 28 و داراي بار 1+ داشته باشد، نسبت جرم/ بار آن 28 مي شود. يك يون كه داراي جرم 56 و بار 2+ است نيز داراي نسبت جرم/ بار 28 است.
در نمودار آخري، جريان يوني A بيشترين انحراف را دارد؛ اين جريان حاوي يون هايي است كه كمترين نسبت جرم/ بار را دارند. جريان يوني C كمترين انحراف را دارا است؛ اين جريان حاوي يون هايي است كه بيشترين نسبت جرم/ بار را دارند. بيان ساده تر وقتي است كه فرض كنيم كه مقدار بار همه يون ها 1+ است. بيشتر يون هايي كه از طيف سنج جرمي عبور مي كنند بارشان 1+ است، بنابراين نسبت جرم/ بار با مقدار جرم يون برابر خواهد بود.
توجه: شما بايد امكان وجود بارهاي +2 (يا بيشتر) را نيز در نظر بگيريد. در هنگام حل مسائل شما مي توانيد بار يون هاي مورد نظر در مسئله را +1 فرض كنيد، مگر آنكه غير از آن در مسئله ذكر شده باشد.
با فرض آن كه همه يون ها بار +1 داشته باشند، جريان يوني A داراي سبك ترين يون ها است، جريان يوني B بعد از جريان A حاوي سبك ترين يون هاست و جريان C سنگين ترين يون ها را دارد. واضح است كه يون هاي سبك تر بيشتر از يون هاي سنگين منحرف مي شوند.

آشكارسازي
 

تنها جريان يوني B از درون دستگاه عبور كرده و مستقيماً وارد آشكارساز يوني مي شود. ديگر يون ها به ديواره ها برخورد كرده و الكترون جذب مي كنند و در نتيجه خنثي مي شوند. در نهايت، اين يون هاي خنثي شده توسط پمپ خلأ از طيف سنج جرمي خارج مي شوند.
جرياني از الكترون ها كه از اين طريق در سيم ايجاد مي شود، به صورت جريان الكتريكي آشكارسازي مي شود كه مي تواند تقويت شده و ثبت شود.

آشكارسازي يون هاي ديگر
 

يون هاي ديگر چگونه آشكارسازي مي شوند؟ يون هايي كه در جريان هاي A و C بوده و در دستگاه از دست رفته اند. به خاطر داشته باشيد كه جريان A بيشترين انحراف را داشت؛ اين جريان كمترين ميزان نسبت m/z را داراست. (سبك ترين يون ها با فرض بار +1). براي هدايت آنها به سمت آشكار كننده، اين يون ها بايد به ميزان كمتري منحرف شوند كه با استفاده از يك ميدان مغناطيسي كوچك تر مي توان اين عمل را انجام داد (يعني نيروي جانبي كوچك تر). براي هدايت يون هاي با نسبت m/z بيشتر (يون هاي سنگين تر با فرض بار +1) به سمت آشكارساز بايستي آنها را با به كارگيري ميدان مغناطيسي بزرگ تر، بيشتر منحرف كرد. اگر شما ميدان مغناطيسي را تغيير دهيد، مي توانيد هر جريان يوني را به نوبت به سمت آشكارساز هدايت كنيد تا جرياني كه با تعداد يون هاي در حال عبور متناسب است به دست آوريد. جرم هر يوني كه آشكارسازي مي شود، با بزرگي ميدان مغناطيسي كه براي هدايت آن به سمت آشكارساز به كار رفته رابطه دارد دستگاه مي تواند به نحوي درجه بندي شود كه جريان را (كه نماينده مقدار يون ها است) به طور مستقيم متناسب با نسبت m/z نمايش دهد. جرم بر حسب مقياس كربن 12 اندازه گيري مي شود.
توجه: مقياس كربن 12 مقياسي است كه در آن كربن 12 دقيقاً 12 واحد وزن دارد.

نمايش داده هاي خروجي طيف سنج جرمي
 

خروجي داده ها از سنجه نگارنده معمولاً به صورت يك نمودار ميله اي نمايش داده مي شود. اين نمودار جريان نسبي را كه توسط يون هاي با نسبت هاي مختلف جرم/ بار هستند، مشخص مي كند.
نمودار ميله اي براي فلز موليبدن(1) به صورت زير است:
در اين گونه نمودارها، محور عمودي با "فراواني نسبي" يا "شدت نسبي" نمايش داده مي شود كه هر دو به يك معناست مقياس عمودي به جرياني كه توسط سنجه ثبت كننده دريافت مي شود، و بنابراين به تعداد يون هاي آشكارسازي شده، بستگي دارد. هر چه جريان بيشتر باشد، فراواني يون ها نيز بيشتر است. همان طور كه از نمودار پيداست، معمول ترين نوع يون موليبدن داراي نسبت جرم/ بار 98 است. ديگر يون ها داراي نسبت هاي 92، 94، 95، 96، 97 و 100 هستند. اين بدين معناست كه عنصر موليبدن داراي 7 نوع ايزوتوپ است. يعني با در نظر گرفتن بار +1 براي همه يون ها، جرم هاي 7 ايزوتوپ به مقياس كربن، 12، 92، 94، 95، 96، 98، 97و 100 است.
توجه: اگر يون هاي داراي بار +2 نيز موجود بودند، مي توانستيم از نمودار به آن پي ببريم؛ زيرا در آن صورت به ازاي هر خط در نمودار ميله اي، يك خط دقيقاً شامل نصف ميزان m/z در نمودار وجود داشت. (چون براي مثال 49= 98/2). اين خطوط ميله اي از خطوط شامل بار +1 بسيار كوتاه تر مي شدند، زيرا احتمال تشكيل يون هاي با بار +2 بسيار كمتر از تشكيل يون هاي با بار +1 است.

پي‌نوشت‌ها:
 

1- فلزي چند ظرفيتي كه در خواص خود شبيه كروم و تنگستن است و به منظور مقاوم سازي فولاد به كار مي رود.
 

منابع:
www.chemguide.co.uk
نشريه دانشمند شماره 549