فيزيائية وذكية
03-04-2009, 11:52
مكتشف مطياف الكتلة :
فرنسيس وليم آستون
مطياف الكتلة
Mass Spectrometry
في طرق التحليل الطيفي يؤدي امتصاص الأشعة الكهرومغناطيسية إلى انتقال الجزيئات إلى مستويات طاقة مرتفعة
وتعود هذه الجزيئات إلى حالتها المستقرة بفقد هذه الطاقة في فترة زمنية قصيرة جدا ..
فالامتصاص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية والمرئية يؤدي إلى انتقال الكتروني ..
وامتصاص الأشعة تحت الحمراء يؤدي إلى انتقال اهتزازي ..
أما امتصاص أشعة الراديو في وجود مجال مغناطيسي خارجي قوي
يؤدي إلى الانتقال بين مستويات الطاقة الخاصة بالحركة المغزلية لبعض الانوية ..
وفي جميع هذه الطرق لاحظنا بأنه لكي يتم الانتقال الطاقي ( الامتصاص ) ,
يجب أن تكون طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية مساوية للفرق في الطاقة
بين المستويين بين تلك المستويات التي يحدث بينها الانتقال ..
أما في مطياف الكتلة فلا يعتبر من طرق القياس الطيفي
لأنة لايحدث تداخل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي و المادة ..
ولكنه أدرج ضمن الطرق المطيافية الأخرى ( استنباط التركيب الجزيئي للمادة )..
تتعرض الجزيئات في مطياف الكتلة إلى مصدر عالي للطاقة طاقته
أعلى بكثير من الطاقة المناسبة لعملية الانتقالات السابق ذكرها ..
وتؤدي هذه الكمية من الطاقة عادة إلى نزع إلكترون أو أكثر من الجزيء
ويتحول إلى ايون موجب positive ion والذي بدورة يتكسر
أو يتفكك إلى ايونات أو حطيمات صغيرة fragments
ومنذ اكتشاف مطياف الكتلة عام 1940 ,,
● استخدم علماء الكيمياء العضوية مطياف الكتلة بثلاث طرق رئيسية :
أ- حساب الوزن الجزيئي للمركبات العضوية بدقة متناهية ,,
والتي بواسطته نستطيع التنبؤ بالصيغة الجزيئية الصحيحة للمركب ..
ب- التعرف على التركيب الجزيئي عن طريق معرفة الأماكن المفضلة للتكسير في الجزيء ..
كما تعطينا نواتج التكسير معلومات مفيدة عن الايونات الصغيرة ( الحطيمات ) المتكونة
نتيجة كسر بعض الروابط في الجزيء ..
جـ - مقارنة طيف الكتلة للمركب المجهول مع أطياف الكتل لكثير من المركبات المعروفة
والتي تم تصنيفها وتخزينها في الحاسب الآلي واستخدامها كأداة تحليل ..
ويعود السبب في ذلك إلى أن مزايا وخصائص التكسير للجزيء تكون خاصية مميزة له تماماً ..
مثل بصمة الإبهام المميزة للشخص ..
المباديء الأساسية لطيف الكتلة
The basic principles of mass spectrometry
منذ بدايات القرن العشرين ونتيجة للدراسات الخاصة بسلوك الجزيئات المشحونة ,,
تم تصميم جهاز مطياف الكتلة ..
وهناك أنواع مختلفة منها من حيث التصميم ودقة العمل ..
وعلى اختلاف أنواعها إلا أنها تعمل على مبدأ أساسي واحد ,,
ويعتمد عمل مطياف الكتلة على قذف للمركب العضوي في حالته الغازية أو البخارية
بسيل من الالكترونات السريعة والعالية الطاقة ( طاقتها في حدود 70eV )
تحت هذه الظروف يؤدي اصطدام الجزيئات بهذه الالكترونات السريعة
إلى انفصال إلكترون أو أكثر من الجزيء ..
أي تحدث عملية تأين للجزيء Ionization وتتكون ايونات موجبة الشحنة
أو بالأصح جذر كاتيوني radical cation M
بالإضافة إلى ذلك تؤدي الطاقة العالية إلى تكسير رابطة ضعيفة أو أكثر في الجزيء
مما يؤدي إلى تكوين ايونات صغيرة أو حطيمات مشحونة أو متعادلة ..
وبذلك يحتوي المخلوط الناتج من معاملة المركب بهذه الطريقة
على مجموعة من الايونات الموجبة التي تختلف في الكتلة و الشحنة ..
ويتم فصل هذه الايونات الموجبة بناءً على اختلافها في نسبة الكتلة إلى الشحنة m/e
باستخدام مجال كهربائي ومجال مغناطيسي ..
ويتم تسجيل نتائج التحليل في صورة طيف كتلة mass spectrum
يوضح كتلة هذه الايونات ووفرتها النسبية
من مزايا مطياف الكتلة :
إننا نستطيع الحصول على طيف الكتلة لجميع المركبات العضوية الصلبة والسائلة و الغازية
باستخدام كمية ضئيلة جداً من المادة ..
● أما من أهم عيوب هذه الطريقة :
فتكمن في عدم قدرتنا على استرجاع المادة بعد التجربة لأنها تتكسر ..
كما أن هذه الأجهزة غالية الثمن لاتتوفر في كثير من المختبرات
تتكون أجهزة مطياف الكتلة من خمس وحدات رئيسية
أ- وحدة وضع العينة sample handling system :
توضع العينة الغازية أو السائلة في وعاء وضع العينة
حيث يتم تحويلها إلى الصورة الغازية بواسطة خلخلة الضغط
أو بالتسخين إذا كانت درجة غليان السائل أكثر من 150 درجة مئوية ..
أما المادة الصلبة فيتم تسخينها في وعاء العينة أو إدخالها مباشرة إلى غرفة التأين
بواسطة مجس أو مسبار probe ..
ويتم التحكم بالضغط بواسطة جهاز تفريغ
بحيث يكون ضغط المادة البخارية في حجرة التأين في حدود mmHg
ب- حجرة التأين Ionization chamber :
هناك عدة طرق لتأين المركب العضوي
ولكن أسهل وأشهر هذه الطرق هي القذف
بواسطة الكترونات سريعة electron bombardment
وتسمى هذه الطريقة التأين بواسطة التصادم الالكتروني (EI)
(( من الطرق الأخرى للتأين :
التأين الكيميائي chemical ionization
والتأين بواسطة القذف بالذرات السريعة fast atom bombardment FAB
و غيرها ... ))
وفي طريقة التأين بواسطة التصادم الالكتروني
تتعرض جزيئات المادة إلى حزمة من الالكترونات ذات طاقة تبلغ 70eV
في حجرة التأين حيث تتكون ايونات موجبة الشحنة
ويتم طرد الايونات الموجبة الكتروستاتيكيا
بواسطة صحيفة مشحونة بشحنة موجبة ( ويتم جذب الايونات السالبة إليها )
ويتم تعجيل هذه الايونات قبل خروجها من حجرة التأين
وحدة فصل الايونات Ion analyzer :
في هذه الوحدة يتم فصل مخلوط الايونات الناتجة من غرفة التأين
باستخدام مجال كهربائيومجال مغناطيسي
على أساس اختلاف هذه الايونات في نسبة الكتلة إلى الشحنة
- وحدة جمع الايونات وتكبيرها وقياسها وتسجيلها:
بعد خروج الايونات من وحدة التحليل والفصل يتم وصولها إلى وحدة
الكشف والقياس حيث يتم تسجيلها بالتتابع
( تبدأ بالايونات ذات الكتل الصغيرة وتنتهي بالايونات ذات الكتل الكبيرة )
على هيئة رسم بياني يمثل طيف الكتلة
http://tbn1.google.com/images?q=tbn:oeLR7z9LuMb2gM:http://www.bytocom.com/images/massspect.gif
http://tbn3.google.com/images?q=tbn:V-C3LhXWJv_S5M:http://ustl1.univ-lille1.fr/chimie/html/Enseignement/ATE_web/chrom/FID.GIF
فرنسيس وليم آستون
مطياف الكتلة
Mass Spectrometry
في طرق التحليل الطيفي يؤدي امتصاص الأشعة الكهرومغناطيسية إلى انتقال الجزيئات إلى مستويات طاقة مرتفعة
وتعود هذه الجزيئات إلى حالتها المستقرة بفقد هذه الطاقة في فترة زمنية قصيرة جدا ..
فالامتصاص في منطقة الأشعة فوق البنفسجية والمرئية يؤدي إلى انتقال الكتروني ..
وامتصاص الأشعة تحت الحمراء يؤدي إلى انتقال اهتزازي ..
أما امتصاص أشعة الراديو في وجود مجال مغناطيسي خارجي قوي
يؤدي إلى الانتقال بين مستويات الطاقة الخاصة بالحركة المغزلية لبعض الانوية ..
وفي جميع هذه الطرق لاحظنا بأنه لكي يتم الانتقال الطاقي ( الامتصاص ) ,
يجب أن تكون طاقة الأشعة الكهرومغناطيسية مساوية للفرق في الطاقة
بين المستويين بين تلك المستويات التي يحدث بينها الانتقال ..
أما في مطياف الكتلة فلا يعتبر من طرق القياس الطيفي
لأنة لايحدث تداخل بين الإشعاع الكهرومغناطيسي و المادة ..
ولكنه أدرج ضمن الطرق المطيافية الأخرى ( استنباط التركيب الجزيئي للمادة )..
تتعرض الجزيئات في مطياف الكتلة إلى مصدر عالي للطاقة طاقته
أعلى بكثير من الطاقة المناسبة لعملية الانتقالات السابق ذكرها ..
وتؤدي هذه الكمية من الطاقة عادة إلى نزع إلكترون أو أكثر من الجزيء
ويتحول إلى ايون موجب positive ion والذي بدورة يتكسر
أو يتفكك إلى ايونات أو حطيمات صغيرة fragments
ومنذ اكتشاف مطياف الكتلة عام 1940 ,,
● استخدم علماء الكيمياء العضوية مطياف الكتلة بثلاث طرق رئيسية :
أ- حساب الوزن الجزيئي للمركبات العضوية بدقة متناهية ,,
والتي بواسطته نستطيع التنبؤ بالصيغة الجزيئية الصحيحة للمركب ..
ب- التعرف على التركيب الجزيئي عن طريق معرفة الأماكن المفضلة للتكسير في الجزيء ..
كما تعطينا نواتج التكسير معلومات مفيدة عن الايونات الصغيرة ( الحطيمات ) المتكونة
نتيجة كسر بعض الروابط في الجزيء ..
جـ - مقارنة طيف الكتلة للمركب المجهول مع أطياف الكتل لكثير من المركبات المعروفة
والتي تم تصنيفها وتخزينها في الحاسب الآلي واستخدامها كأداة تحليل ..
ويعود السبب في ذلك إلى أن مزايا وخصائص التكسير للجزيء تكون خاصية مميزة له تماماً ..
مثل بصمة الإبهام المميزة للشخص ..
المباديء الأساسية لطيف الكتلة
The basic principles of mass spectrometry
منذ بدايات القرن العشرين ونتيجة للدراسات الخاصة بسلوك الجزيئات المشحونة ,,
تم تصميم جهاز مطياف الكتلة ..
وهناك أنواع مختلفة منها من حيث التصميم ودقة العمل ..
وعلى اختلاف أنواعها إلا أنها تعمل على مبدأ أساسي واحد ,,
ويعتمد عمل مطياف الكتلة على قذف للمركب العضوي في حالته الغازية أو البخارية
بسيل من الالكترونات السريعة والعالية الطاقة ( طاقتها في حدود 70eV )
تحت هذه الظروف يؤدي اصطدام الجزيئات بهذه الالكترونات السريعة
إلى انفصال إلكترون أو أكثر من الجزيء ..
أي تحدث عملية تأين للجزيء Ionization وتتكون ايونات موجبة الشحنة
أو بالأصح جذر كاتيوني radical cation M
بالإضافة إلى ذلك تؤدي الطاقة العالية إلى تكسير رابطة ضعيفة أو أكثر في الجزيء
مما يؤدي إلى تكوين ايونات صغيرة أو حطيمات مشحونة أو متعادلة ..
وبذلك يحتوي المخلوط الناتج من معاملة المركب بهذه الطريقة
على مجموعة من الايونات الموجبة التي تختلف في الكتلة و الشحنة ..
ويتم فصل هذه الايونات الموجبة بناءً على اختلافها في نسبة الكتلة إلى الشحنة m/e
باستخدام مجال كهربائي ومجال مغناطيسي ..
ويتم تسجيل نتائج التحليل في صورة طيف كتلة mass spectrum
يوضح كتلة هذه الايونات ووفرتها النسبية
من مزايا مطياف الكتلة :
إننا نستطيع الحصول على طيف الكتلة لجميع المركبات العضوية الصلبة والسائلة و الغازية
باستخدام كمية ضئيلة جداً من المادة ..
● أما من أهم عيوب هذه الطريقة :
فتكمن في عدم قدرتنا على استرجاع المادة بعد التجربة لأنها تتكسر ..
كما أن هذه الأجهزة غالية الثمن لاتتوفر في كثير من المختبرات
تتكون أجهزة مطياف الكتلة من خمس وحدات رئيسية
أ- وحدة وضع العينة sample handling system :
توضع العينة الغازية أو السائلة في وعاء وضع العينة
حيث يتم تحويلها إلى الصورة الغازية بواسطة خلخلة الضغط
أو بالتسخين إذا كانت درجة غليان السائل أكثر من 150 درجة مئوية ..
أما المادة الصلبة فيتم تسخينها في وعاء العينة أو إدخالها مباشرة إلى غرفة التأين
بواسطة مجس أو مسبار probe ..
ويتم التحكم بالضغط بواسطة جهاز تفريغ
بحيث يكون ضغط المادة البخارية في حجرة التأين في حدود mmHg
ب- حجرة التأين Ionization chamber :
هناك عدة طرق لتأين المركب العضوي
ولكن أسهل وأشهر هذه الطرق هي القذف
بواسطة الكترونات سريعة electron bombardment
وتسمى هذه الطريقة التأين بواسطة التصادم الالكتروني (EI)
(( من الطرق الأخرى للتأين :
التأين الكيميائي chemical ionization
والتأين بواسطة القذف بالذرات السريعة fast atom bombardment FAB
و غيرها ... ))
وفي طريقة التأين بواسطة التصادم الالكتروني
تتعرض جزيئات المادة إلى حزمة من الالكترونات ذات طاقة تبلغ 70eV
في حجرة التأين حيث تتكون ايونات موجبة الشحنة
ويتم طرد الايونات الموجبة الكتروستاتيكيا
بواسطة صحيفة مشحونة بشحنة موجبة ( ويتم جذب الايونات السالبة إليها )
ويتم تعجيل هذه الايونات قبل خروجها من حجرة التأين
وحدة فصل الايونات Ion analyzer :
في هذه الوحدة يتم فصل مخلوط الايونات الناتجة من غرفة التأين
باستخدام مجال كهربائيومجال مغناطيسي
على أساس اختلاف هذه الايونات في نسبة الكتلة إلى الشحنة
- وحدة جمع الايونات وتكبيرها وقياسها وتسجيلها:
بعد خروج الايونات من وحدة التحليل والفصل يتم وصولها إلى وحدة
الكشف والقياس حيث يتم تسجيلها بالتتابع
( تبدأ بالايونات ذات الكتل الصغيرة وتنتهي بالايونات ذات الكتل الكبيرة )
على هيئة رسم بياني يمثل طيف الكتلة
http://tbn1.google.com/images?q=tbn:oeLR7z9LuMb2gM:http://www.bytocom.com/images/massspect.gif
http://tbn3.google.com/images?q=tbn:V-C3LhXWJv_S5M:http://ustl1.univ-lille1.fr/chimie/html/Enseignement/ATE_web/chrom/FID.GIF