مطياف زمن الطيران

مطياف زمن الطيران موصول بمنبع أيونات ذوتأين بالإرذاذ الإلكتروني (ESI-TOF).

مطياف زمن الطيران (Time-of-flight mass spectrometry) أواختصاراً TOF هي أحد طرق مطيافية الكتلة حيث تسرّع فيها أيونات بواسطة مجال كهربائي شدته معروفة.

ويكسب هذا التسريع الأيون نفس طاقة حركة التي يعطيها لأي أيون آخر له نفس الشحنة الكهربائية. وتعتمد سرعة جميع أيون على "النسبة" بين كتلته وشحنته. وعلى ذلك فإن الزمن الذي يستغرقه أيون للوصول إلى عداد على مسافة معروفة "س " يتناسب عكسيا مع سرعته، وفي التجربة نقوم بقياس هذا الزمن. ويعتمد هذا الزمن بالتفصيل على نسبة كتلة الأيونات إلى شحنتها (الجسيمات الأثقل " تطير" بسرعة أقل).

بقياس زمن الطيران إلى العداد وفهم بيانات التجربة يمكن تعيين النسبة بين كتلة الأيون وشحنته.

النظرية

براءة اختراع الأنبوب William E. Stephens 1952 TOF patent.. تخرج الأيونات منعشرة وتسرع بواسطة المجال الكهربي على القطبين 19 و21 ، ثم تسير الايونات مسافة طويلة نسبيا خالية من المجال الكهربي حتي تصل العداد 27. الأوسيلوسكوب يقيس زمن الطيران على شاشته.

تعتمد طاقة الوضع لجسيم مشحون تحت تأثير مجال كهربائي على شحنة الجسيم وشدة المجال الكهربائي المسلط عليه، طبقا للعلاقة :

{\displaystyle E_{p =qU\,

....[1]

حيث:

E_p طاقة الوضع للجسيم ,

q شحنة الجسيم,

U فرق الجهد الكهربي فولت.

وعندما يسرع الجسيم إلى صمام قياس زمن الطيران بواسطة الجهد U ، تتحول طاقة وضعه إلى طاقة حركة. وعلاقة طاقة حركة جسيم Ek بكتلته m تصفها المعادلة :

{\displaystyle E_{k ={\frac {1 {2 mv^{2

.... [2]

حيث v سرعة الجسيم.

وبما حتى طاقة الوضع للجسيم قد تحولت إلى طاقة حركة ، فهذا يعني تساوي الطاقتين، فيمكن حتى نضع المعادلة التالية:

{\displaystyle E_{p =E_{k \,

.... ...[3]

أو

{\displaystyle qU={\frac {1 {2 mv^{2 \,

....[4]

ولن تتغير سرعة v الجسيم المشحون بعد تسريعه حيث يتحرك في مسار خال من المجال الكهربي في أنبوب قياس زمن الطيران. ويمكن تعيين سرعة الجسيم في أنبوب قياس زمن الطيران حيث حتى مسافة مسار d الجسيم معروفة كما نعين زمن طيران الأيون t بواسطة مقياس للزمن.

ينتج من ذلك :

{\displaystyle v={\frac {d {t \,

....[5]

وبالتعويض عن السرعة v من المعادلة[5] في المعادلة [4] نحصل على:

{\displaystyle qU={\frac {1 {2 m\left({\frac {d {t \right)^{2 \,

...[6]

ويمكن كتاية المعادلة [6] في الصيغة:

{\displaystyle t^{2 ={\frac {d^{2 {2U {\frac {m {q \,

...[7]

وبحساب الجذر التربيعي للسرعة نحصل على:

{\displaystyle t={\frac {d {\sqrt {2U {\sqrt {\frac {m {q \,

.... [8]

وتحتوي تلك المعادلة عل ثابت ${\displaystyle {\frac {d {\sqrt {2U$ وهولا يتغير بتغير الأيونات التي نريد دراستها. وكما نري تستطيع تعيين سرعات عدة أنواع من الأيونات بواسطة عملية تسريع واحدة، وقياس زمن وصول جميع منهم إلى العداد.

وبناء على ذلك فيمكن كتابة المعادلة [8] في الصيغة التالية:

{\displaystyle t=k{\sqrt {\frac {m {q \,

....[9]

ويعتبر k ثابت يعتمد على خواص الجهاز، فهولا يتغير.

وتبين المعادلة [9] حتى زمن طيران الأيون يتغير مع الجذر التربيعي للنسبة بين كتلة الأيون إلى شحنته (m/q).

المراجع

^ Stephens, W. E., A Pulsed Mass Spectrometer with Time Dispersion Phys. Rev., 1946, 69, 691. نسخة محفوظة 14 مارس 2020 على مسقط واي باك مشين.
^ US 2847576