مطياف الكتلة بالإنگليزية: Mass spectrometry هوتقنية تحليلية لتحديد العناصر المكونة لمادة أوجزيء ما. ويستخدم أيضا لتوضيح البنى الكيميائية للجزيئات، مثل الببتيدات والمركبات الكيميائية الأخرى.

يعتمد مبدأ عمل مطياف الكتلة على تشريد المركبات الكيميائية لتوليد جزيئات مشحونة وقياس نسبة كتلتها إلى شحنتها. تجرى العملية في مطياف الكتلة بوضع العينة في الجهاز، حيث تأين المركبات بطرق مختلفة (مثلا بنسفها بحزمة إلكترونية)، مما يشكل الأيونات المشحونة. تحسب نسبة الكتلة للشحنة لهذه الجزيئات من حركة هذه الأيونات ضمن حقول كهرومغناطيسية.

يتكون جهاز مطياف الكتلة من ثلاث وحدات: منبع للأيونات يشطر جزيئات العينة إلى أيونات. وجهاز تحليل يفرز الأيونات بحسب كتلتها عن طريق تطبيق حقول كهرومغناطيسية. ومكشاف لقياس قيمة مؤشر الكمية وبذلك تعطي بيانات لحساب وفرة الأيونات الملتقطة.

ولمطياف الكتلة استخدامات كمية ونوعية، تضم تحديد هوية المركبات المجهولة، وتحديد الهجريب النظائري للعناصر في الجزيء، وتحديد بنية المركب بمراقبة شظاياه. كما يستخدم في تحديد كمية مركب ما في العينة أولدراسة كيمياء الأيونات في الطور الغازي (كيمياء الأيونات والجسيمات الحيادية في الفراغ). يستخدم مطياف الكتلة حاليا في مخابر التحليل التي تدرس الخصائص الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية لطيف واسع من المركبات.

مطياف الكتلة هوجهاز اخترعه فرانسيس أستون وهوجهاز اخترعه فرانسيس أستون ويعتمد مبدأ عمله على حتى الجسيمات المشحونة عندما تدخل مجالا مغناطيسيا منتظما، بحيث يعامد اتجاهه اتجاه حركتها، فإنها تأخذ مسارات دائرية تتناسب أنصاف أقطارها مع كتلة الجسيم المشحون. ويمكن بواسطة هذا الجهاز قياس نسبة الكتلة للشحنة وفصل الجسيمات المتنوعة بهذا المقدار عن بعضها سواء كانت ذرات أوأيونات أوجزيئات. وهويسمح بقياس q/m لذرة متأينة (حيث m كتلة الايون وq شحنته) وبتحديد كتلة الذرة، وقد لعبت المطيافية دورا كبيرا في دراسة النظائر. يتكون المطياف من :

1. منبع أيونات Ion source
2. محلل الكتلة Mass Analyzer
3. كاشف Detector

تعريف

يسمح المطياف الكتلوي mass spectrograph أوراسم الطيف الكتلي بفصل الذرات بحسب كتلها، شأنه في ذلك شـأن المطياف الضوئي الذي يسمح بفصل الضوء بحسب الأطوال الموجية التي يهجرب منها. فمن المعلوم حتى بالإمكان استخدام المطياف الضوئي لقياس الأطوال الموجية الصادرة عن منبع ضوئي، إضافة إلى قياس الشدات النسبية للأضواء وحيدة اللون التي يهجرَّب منها. وبالمثل يمكن استعمال المطياف الكتلوي جهاز تحليل للكشف عن الكتل الذرية المتنوعة التي تتألف منها عيِّنة ما، وكذلك تقدير الوفرة النسبية لكل منها. كما يمكن استخدامه وسيلة لفصل الذرات المتماثلة في الكتلة.

مثال توضيحي

المثال التالي يوضح مبدأ عمل مطياف الكتلة. لنضع 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 بقوى على الأيونات المارة خلال هذه الحقول. يمكن زيادة أوإنقاص سرعة الجزيء المشحون خلال مروره ضمن الحقل الكهربائي، بينما يمكن تعديل الاتجاه بتعديل الحقل المغناطيسي. يتعلق مقدار الانعطاف في مسار الأيون بنسبة كتلته إلى شحنته. ووفق قانون نيوتن الثاني للحركة، فإن الأيونات الأخف تنحرف أكثر من الأيونات الأثقل نتيجة تأثير القوى المغناطيسية. تمر تيارات الأيونات المتولدة من محلل الكتلة إلى الكاشف، الذي يسجل التوافر الطبيعي النسبي لكل نوع من الأيونات. تستخدم هذه المعلومات لتحديد الهجريب الكيميائي للعناصر المكونة للعينة المدرسة، والهجريب النظائري لمكوناتها (نسبة ³⁵Cl إلى ³⁷Cl)

مبدا عمل المطياف الكتلوي

يعتمد مبدأ عمل المطياف الكتلوي على توليد أيونات للمادة المدروسة في حيّز خالٍ من الهواء، وإخضاعها لحقول كهربائية ومغنطيسية حتى ترسم في نهاية المطاف الجسيمات المتنوعة في الكتلة مسارات متباينة.

وقد تختلف الترتيبات المستخدمة لهذا الغرض من جهاز لآخر، ويظهر في الشكل (1) أحدها وهوالأكثر استخداماً، وهويتألف من أربعة أجزاء هي:

1- حجرة التأين ionization chamber

وهنا تُنتزع الإلكترونات من ذرات العيِّنة موضوع الدراسة، فتتحول إلى أيونات موجبة تمتلك جميعها كتلة متقاربة m، وهي تحمل شحنات كهربائية موجبة q = ne مساوية شحنة الإلكترون e أومضاعفاتها n بالقيمة المطلقة. ويمكن الحصول على هذه الأيونات على سبيل المثال بإخضاع ذرات المادة وهي في حالة بخار تحت ضغط منخفض لسيل من الإلكترونات صادر عن فتيل ساخن.

ويبين الشكل (2) وسيلة تحقيق ذلك. إذ تُدخَل العيّنة وهي بحالة بخار إلى حجرة صغيرة فيها فتيل يمر فيه تيار كهربائي، توضع لقاءه صفيحة موجبة A1 فتنجذب الإلكترونات إليها. وباصطدام الإلكترونات المسرَّعة هذه مع ذرات البخار تغدوالذرات متأينة مرة أوأكثر، وتقوم الصفيحة A2 التي يطبق عليها جهد (كمون) كهربائي موجب بطرد الأيونات بعيداً عنها فتخرج الأيونات من فتحة في حجرة التأين.

2- مساري التسريع acceleration electrodes

يطبق على حجرة التأين جهد كهربائي موجب من رتبة 10000 ڤولط volt، وتمر الأيونات الخارجة من فتحة حجرة التأين فتَرِدُ على مجموعة مسارٍ كهربائية تطبق عليها جهود كهربائية متناسيرة حتى الصفر ڤولط، كما هوظاهر في الشكل (3)، فتكتسب الأيونات سرعة عاليــة.

ويمكن التعبير عن طاقتها الحركية بدلالة الجهد الكهربائي المسرِّع V بالعلاقة:(شكل A)

وذلك بفرض m كتلة الأيون وv سرعته وne الشحنة الكهربائية التي يحملها. ومنهاقد يكون:(شكل (B))

3- حجرة الانحراف deflection chamber

تخضع الأيونات ذات السرعة v المعطاة بالعلاقة (1) لدى دخولها منطقة الحقل المغنطيسي B العمودي على مسارها لقوة تجعلها ترسم مساراً بشكل قوس دائرة نصف قطرهاR يعطى بالعلاقة:(شكل (D))

فالأيونات ذات الكتلة الصغيرة ترسم أقواساً (A) أنصاف أقطارها صغيرة، في حين ترسم الأيونات ذات الكتلة الكبيرة أقواساً (C) أنصاف أقطارها كبيرة كما يظهر في الشكل (4). كما تقوم الشحنة التي يحملها الأيون بدور في تحديد نصف قطر الدائرة التي يرسمها وهذا واضح من العلاقة (2).

4- حجرة الكشف detection chamber

تَرِد الأيونات بعد خروجها من منطقة الحقل المغنطيسي إلى حجرة الكشف التي تعلوها فتحة. فإذا تمكَّن أيون من دخول الحجرة والارتطام بقعرها فإنه يكتسب من جدارها الإلكترون اللازم لاعتداله، فإذا وُصِلت الحجرة بمقياس يسجل شدة التيار عن طريق مضخم أمكن مراقبة عدد الأيونات الأخف أوالأثقل. يجري التحكم بشدة الحقل المغنطيسي B، لكشف جميع أنواع الأيونات الموجودة في العيِّنة المدروسة.

يبين الشكل (6) نتائج نموذجية عائدة لبخار المولبدن تظهر فيها خطوط شاقولية متفاوتة في الطول تعبِّر عن شدة التيار المسجل، يعود جميع منها إلى نوع محدد من نظائر المولبدن، وهي سبعة كما يبين الشكل، هي:

92Mo,94Mo,95Mo,96Mo,97Mo,98Mo,100Mo

ويظهر من الشكل كذلك حتى أكثر الأنواع وفرة هوm98Mo، حيث إذا طول الخط اللقاء له أطول الخطوط.

يتطلب عمل المطياف الكتلوي جعل المنطقة التي تتحرك فيها الأيونات خالية عملياً من الهواء، ويتم تأمين ذلك عن طريق مخلِّيات مناسبة. ولكن كيف من الممكن أن تم التعهد على حتى الخط الأول من الطيف الكتلوي مثلاً عائد للمولبدن 92 وما ومعنى ذلك؟

تعطي المعادلة (2) نصف قطر الدائرة التي يرسمها الأيون في الحقل المغنطيسي ذي الشدة B، وهويقاس بالمتر في الجملة الدولية، وتقاس B بالتسلا وV بالڤولط، وe بالكولون وm بالكيلوغرام. فبقياس جميع من B وV وR وفهم شحنة الإلكترون e وهي تساوي 1.6×10-19، يمكن استنتاج m بالكيلوغرام. لقد جرت العادة على استخدام واحدة لقياس الكتل على السلم الذري تسمى واحدة الكتلة الذرية ويرمز لها بـ «و. ك. ذ» amu (atomic mass unit) وقيمتها:

1 و.ك. ذ= 1.66× 10-27 كغ

فإذا قسمت m المقدرة بالكيلوغرام على واحدة الكتلة الذرية التي تمثل عملياً 1/12

من كتلة ذرة الكربون c12C فإن أقرب عدد سليم للعدد الناتج سيكون 92، وهويمثل عملياً مجموع عدد البروتونات والنترونات في نواة النظير الناتج، ويسمى العدد الكتلي atomic number له. إلى غير ذلك بالنسبة لباقي الخطوط الناجمة عن المطياف الكتلوي.

تاريخ

يعود الفضل إلى ف. و. آستون F.W.Aston في ابتكار أول مطياف كتلوي عام 1920، الذي عمل على تطوير جهاز ابتكره ج.ج. طومسون J.J.Thomson لفصل النظائر isotopes لأول مرة، وهي عناصر لا يمكن تمييزها بعضها عن بعض كيمياوياً، إلا أنها تختلف في الكتلة، وباستطاعة المطياف الكتلوي تمييزها بسهولة.

نطقب:مطيافية الكتلة

المصادر

• الموسوعة العربية

المراجع

وصلات خارجية

• ASMS American Society for Mass Spectrometry
• Interactive tutorial on mass spectra National High Magnetic Field Laboratory
• Mass spectrometer simulation An interactive application simulating the console of a mass spectrometer
• MassBank.jp An free mass spectral database