يستخدم جهاز مطياف الكتلة لتحليل المادة أو جزيء ما من أجل معرفة العناصر المكونة للمادة وبنيتها الكيميائية والبيولوجية والفيزيائية، اخترعه فرانسيس أستون، ويعتمد على مبدأ حركة الأيون بمسار دائري ، يتناسب أنصاف أقطارها مع كتلة الأيون ، عند دخوله مجالًا مغناطيسيًا منتظمًا يتعامد مع حركتها، كما أنه يلعب دورًا هامًا في دراسة النظائر.
أجزاء مطياف الكتلة
ومطياف الكتلة يتكون من عدد من الأجزاء وهي :
منبع للأيونات، حيث يقوم بتحويل جزئيات المادة إلى أيونات.
جهاز تحليل، يقوم بفرز الأيونات عن طريق حساب كتلها من خلال تطبيق حقول كهرومغناطيسية.
مكشاف، ويقوم بقياس الكمية عن طريق توفر البيانات لحساب وفرة الأيونات التي تم التقاطها.
فيتم عن طريق جهاز مطياف الكتلة وضع العينة ويقوم الجهاز بقذف المركبات بحزمة إلكترونية بهدف تأيينها، وتتشكل تبعًا لذلك أيونات مشحونة، وتتحرك ضمن حقول مغناطيسية، ويتم حساب الكتلة للشحنة لهذه المركبات.
استخدامات مطياف الكتلة
ويستخدم جهاز مطياف الكتلة في :
ـ معرفة هوية المركب أو الجزيء غير المعروف.
ـ مراقبة شظايا المركب لمعرفة بنيته.
ـ معرفة التركيب النظائري لعناصر الجزيء.
ـ معرفة كمية مركب ما في مادة معينة.
ـ يستخدمه الفلكيون لمعرفة العناصر الخاصة بدراسة الرياح.
ـ يستخدم في معرفة العناصر والنظائر التي تحتويها الرياح.
ـ أوضحت النتائج الخاصة بدراسة مطياف الكتلة أن طيف الكتلة الشمسية يحتوي على الأكسجين والكربون والنيون والسيليكون والماغنيسوم والحديد.
ـ يستخدمه الأطباء في العمليات الجراحية وخاصة أطباء التخدير من أجل قياس معدلات الأيض في الخلايا الحية للمريض ، لمعرفة إذا كانت تتلقى كمية كافة من الأكسجين.
ـ يستخدم مطياف الكتلة في الأحياء من أجل معرفة تركيب الجزئيات البيولوجية المعقدة مثل البروتينات والأحماض الأمينية والكربوهيدرات .
ـ يستخدم في الجيولوجيا لتحديد آثار النفط قبل البدء في حفر الآبار .
ـ يستخدمه علماء البيئة لمعرفة نوع السموم في الأسماك الملوثة .
ـ يستخدم في الآثار لمعرفة عمر الأحافير من خلال قياس الكربون 14 والكربون 12 في العينة المراد معرفة عمرها.
طريقة عمل مطياف الكتلة
توضع العينة في وحدة العينة إذا كانت العينة سائلة أو غازية ويتم تحويل العينة السائلة إلى حالتها الغازية عن طريق التسخين إذا كانت درجة حرارة غليان السائل أكبر من 150 درجة مئوية، أو عن طريق الضغط، ولكن إذا كانت العينة صلبة فيتم تسخينها داخل وحدة وضع العينة أو يتم إدخالها إلى غرفة التأيّن دون تسخينها بواسطة مسبار أو مجس.
تأيين العينة في حجرة التأين
يتم التأيين بعدة طرق وأهمها طريقة القذف بإلكترونات سريعة أسهلها وأشهرها، ويطلق عليها مصطلح التأيّن الالكتروني، ولكن هناك أيضًا عدة طرق أخرى للتأين ومنها القذف بذرات سريعة وهو تأيين كيميائي أو التصام الإلكتروني وعندها تصبح الجزئيات مشحونة بشحنة سالبة.
ويتم فصل الأيونات عن طريق جذب الأيونات السالبة باستخدام صحيفة موجبة الشحنة باستخدام مجال كهربائي ومجال مغناطيسي لفصل الأيونات، بالإضافة إلى جمع وتكبير الأيونات لقياسها ورسمها بيانيًا.
مثال توضيحي لمطياف الكتلة مع وحدة محلل الكتلة :
نضع عينة من كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) في منبع الأيونات، فتتبخر (تتحول إلى غاز) وتتأين (تتحول إلى جزئيات مشحونة كهربائيا) فتتحول إلى أيونات الصوديوم (Na+) والكلور (Cl-). ذرات وأيونات الصوديوم هي نظائر أحادية، بكتلة مساوية 23 amu، لذرات وأيونات الكلور نظيرين بكتل مساوية تقريبا لـ 35 amu (بتوافر طبيعي حوال 25 %).
يحتوي محلل الكتلة في المطياف على حقول كهربائية ومغناطيسية تؤثر بقوة على الأيونات المارة خلال هذه الحقول، ولذلك يمكن زيادة أو إنقاص سرعة الجزيء المشحون خلال مروره ضمن الحقل الكهربائي، كما يمكن تعديل الاتجاه بتعديل الحقل المغناطيسي، حيث يتعلق مقدار الانعطاف في مسار الأيون بنسبة كتلته إلى شحنته.
وفق قانون نيوتن الثاني للحركة فأن الأيونات الأخف تنحرف أكثر من الأيونات الأثقل نتيجة تأثير القوى المغناطيسية، وتمر تيارات الأيونات المتولدة من محلل الكتلة إلى الكاشف الذي يسجل التوافر الطبيعي النسبي لكل نوع من الأيونات، وتستخدم هذه المعلومات من أجل تحديد التركيب الكيميائي للعناصر المكونة للعينة المدروسة والتركيب النظائري لمكوناتها.
فكرة عمل مطياف الكتلة
فكرة عمل جهاز مطياف الكتلة بسيطة وتتم على ثلاث مراحل:
ـ المرحلة الأولى، التأين وتعني تأثير إلكترون التأين، وفي هذا الأسلوب يتم تعريض العينة إلى سيل من الإلكترونات بطاقات عالية كافية لحدوث تصادم، وينتج عنه فقد الجزيء لإلكترون ليتحول إلى أيون يحمل شحنة موجبة، والأيونات الناتجة من هذه الخطوة تفقد إلكترونًا واحدًا فقط وبالتالي تحمل شحنة +1 لأنه من الصعب جدًا فقد إلكترون آخر من نفس الجزيء.
ـ المرحلة الثانية، وهي مرحلة التسريع، وتتم باستخدام قطب سالب يتم تسريع الأيونات الموجبة فقط لتدخل أنبوب التحليل ويتم استبعاد الجذور الحرة.
ـ المرحلة الثالثة، وهي مرحلة الانعطاف، وتتم باستخدام مجال مغناطيسي على جانب أنبوب التحليل، وتتعرض الأيونات الموجبة للمجال المغناطيسي وتتأثر به فتنحرف عن المسار، مقدار انحراف الأيونا عن المسار يعتمد على نسبة كتلة الأيون إلى شحنته، وبما أنَّ جميع الشحنات متساوية وهي (z=+1) يُمكن اعتبار أنَّ مقدار الانحراف يعتمد فقط على كتلة الأيون m.
بالتالي يتم الفصل بين الأيونات باستخدام كاشف في الجهاز يتم قياس كتلة كل أيون ونسبة توافره، وكلما كان الأيون أكثر استقرارًا كان متوافرًا أكثر والعكس صحيح.
أجزاء مطياف الكتلة
ومطياف الكتلة يتكون من عدد من الأجزاء وهي :
منبع للأيونات، حيث يقوم بتحويل جزئيات المادة إلى أيونات.
جهاز تحليل، يقوم بفرز الأيونات عن طريق حساب كتلها من خلال تطبيق حقول كهرومغناطيسية.
مكشاف، ويقوم بقياس الكمية عن طريق توفر البيانات لحساب وفرة الأيونات التي تم التقاطها.
فيتم عن طريق جهاز مطياف الكتلة وضع العينة ويقوم الجهاز بقذف المركبات بحزمة إلكترونية بهدف تأيينها، وتتشكل تبعًا لذلك أيونات مشحونة، وتتحرك ضمن حقول مغناطيسية، ويتم حساب الكتلة للشحنة لهذه المركبات.
استخدامات مطياف الكتلة
ويستخدم جهاز مطياف الكتلة في :
ـ معرفة هوية المركب أو الجزيء غير المعروف.
ـ مراقبة شظايا المركب لمعرفة بنيته.
ـ معرفة التركيب النظائري لعناصر الجزيء.
ـ معرفة كمية مركب ما في مادة معينة.
ـ يستخدمه الفلكيون لمعرفة العناصر الخاصة بدراسة الرياح.
ـ يستخدم في معرفة العناصر والنظائر التي تحتويها الرياح.
ـ أوضحت النتائج الخاصة بدراسة مطياف الكتلة أن طيف الكتلة الشمسية يحتوي على الأكسجين والكربون والنيون والسيليكون والماغنيسوم والحديد.
ـ يستخدمه الأطباء في العمليات الجراحية وخاصة أطباء التخدير من أجل قياس معدلات الأيض في الخلايا الحية للمريض ، لمعرفة إذا كانت تتلقى كمية كافة من الأكسجين.
ـ يستخدم مطياف الكتلة في الأحياء من أجل معرفة تركيب الجزئيات البيولوجية المعقدة مثل البروتينات والأحماض الأمينية والكربوهيدرات .
ـ يستخدم في الجيولوجيا لتحديد آثار النفط قبل البدء في حفر الآبار .
ـ يستخدمه علماء البيئة لمعرفة نوع السموم في الأسماك الملوثة .
ـ يستخدم في الآثار لمعرفة عمر الأحافير من خلال قياس الكربون 14 والكربون 12 في العينة المراد معرفة عمرها.
طريقة عمل مطياف الكتلة
توضع العينة في وحدة العينة إذا كانت العينة سائلة أو غازية ويتم تحويل العينة السائلة إلى حالتها الغازية عن طريق التسخين إذا كانت درجة حرارة غليان السائل أكبر من 150 درجة مئوية، أو عن طريق الضغط، ولكن إذا كانت العينة صلبة فيتم تسخينها داخل وحدة وضع العينة أو يتم إدخالها إلى غرفة التأيّن دون تسخينها بواسطة مسبار أو مجس.
تأيين العينة في حجرة التأين
يتم التأيين بعدة طرق وأهمها طريقة القذف بإلكترونات سريعة أسهلها وأشهرها، ويطلق عليها مصطلح التأيّن الالكتروني، ولكن هناك أيضًا عدة طرق أخرى للتأين ومنها القذف بذرات سريعة وهو تأيين كيميائي أو التصام الإلكتروني وعندها تصبح الجزئيات مشحونة بشحنة سالبة.
ويتم فصل الأيونات عن طريق جذب الأيونات السالبة باستخدام صحيفة موجبة الشحنة باستخدام مجال كهربائي ومجال مغناطيسي لفصل الأيونات، بالإضافة إلى جمع وتكبير الأيونات لقياسها ورسمها بيانيًا.
مثال توضيحي لمطياف الكتلة مع وحدة محلل الكتلة :
نضع عينة من كلوريد الصوديوم (ملح الطعام) في منبع الأيونات، فتتبخر (تتحول إلى غاز) وتتأين (تتحول إلى جزئيات مشحونة كهربائيا) فتتحول إلى أيونات الصوديوم (Na+) والكلور (Cl-). ذرات وأيونات الصوديوم هي نظائر أحادية، بكتلة مساوية 23 amu، لذرات وأيونات الكلور نظيرين بكتل مساوية تقريبا لـ 35 amu (بتوافر طبيعي حوال 25 %).
يحتوي محلل الكتلة في المطياف على حقول كهربائية ومغناطيسية تؤثر بقوة على الأيونات المارة خلال هذه الحقول، ولذلك يمكن زيادة أو إنقاص سرعة الجزيء المشحون خلال مروره ضمن الحقل الكهربائي، كما يمكن تعديل الاتجاه بتعديل الحقل المغناطيسي، حيث يتعلق مقدار الانعطاف في مسار الأيون بنسبة كتلته إلى شحنته.
وفق قانون نيوتن الثاني للحركة فأن الأيونات الأخف تنحرف أكثر من الأيونات الأثقل نتيجة تأثير القوى المغناطيسية، وتمر تيارات الأيونات المتولدة من محلل الكتلة إلى الكاشف الذي يسجل التوافر الطبيعي النسبي لكل نوع من الأيونات، وتستخدم هذه المعلومات من أجل تحديد التركيب الكيميائي للعناصر المكونة للعينة المدروسة والتركيب النظائري لمكوناتها.
فكرة عمل مطياف الكتلة
فكرة عمل جهاز مطياف الكتلة بسيطة وتتم على ثلاث مراحل:
ـ المرحلة الأولى، التأين وتعني تأثير إلكترون التأين، وفي هذا الأسلوب يتم تعريض العينة إلى سيل من الإلكترونات بطاقات عالية كافية لحدوث تصادم، وينتج عنه فقد الجزيء لإلكترون ليتحول إلى أيون يحمل شحنة موجبة، والأيونات الناتجة من هذه الخطوة تفقد إلكترونًا واحدًا فقط وبالتالي تحمل شحنة +1 لأنه من الصعب جدًا فقد إلكترون آخر من نفس الجزيء.
ـ المرحلة الثانية، وهي مرحلة التسريع، وتتم باستخدام قطب سالب يتم تسريع الأيونات الموجبة فقط لتدخل أنبوب التحليل ويتم استبعاد الجذور الحرة.
ـ المرحلة الثالثة، وهي مرحلة الانعطاف، وتتم باستخدام مجال مغناطيسي على جانب أنبوب التحليل، وتتعرض الأيونات الموجبة للمجال المغناطيسي وتتأثر به فتنحرف عن المسار، مقدار انحراف الأيونا عن المسار يعتمد على نسبة كتلة الأيون إلى شحنته، وبما أنَّ جميع الشحنات متساوية وهي (z=+1) يُمكن اعتبار أنَّ مقدار الانحراف يعتمد فقط على كتلة الأيون m.
بالتالي يتم الفصل بين الأيونات باستخدام كاشف في الجهاز يتم قياس كتلة كل أيون ونسبة توافره، وكلما كان الأيون أكثر استقرارًا كان متوافرًا أكثر والعكس صحيح.
