روش های یونیزاسیون در طیف سنج جرمی (Mass spectroscopy)

مقدمه ای بر دستگاه طیف سنج جرمی  (MS)

طيف‌سنجي جرمي (MS) دستگاهي است که مولکول‌هاي گازي باردار را بر اساس جرم آن­ها دسته‌بندي مي‌کند. دستگاه طيف‌سنج جرمي، مولکول‌ها و يون‌هاي گازي باردار را بر حسب جرم آن­ها در ميدان آهنربايي از يکديگر جدا و اندازه‌گيري مي‌کند. طيف جرمي حاصل جهت تعيين وزن مولکولي دقيق،‌ شناسايي اجسام و تعيين درصد ايزوتوپ‌ها مورد استفاده قرار مي‌گيرد. به همین منظور از دستگاه های مختلف برای کوپل با طیف سنج جرمی استفاده شده است. دستگاه های ICP MS ، GC MS و LC MS نمونه هایی از آن هستند که هر کدام کاربرد منحصر به فرد خود را دارند. با استفاده از سه دستگاه مذکور در اکسیر تجهیز آزما بر روی نمونه های مختلف آنالیز انجام می شود. در همه این روش ها از منبع یونش برای یونیزاسیون مواد ورودی به دستگاه استفاده می شود. انواع منبع يونش در دستگاه های طيف سنج جرمي کاربرد دارد که در ادامه به معرفی آنها می پردازیم.

کاربرد منبع یونیزاسیون در طیف سنج جرمی (MS)

با اینکه طیف ­سنجی جرمی تکنیک جدیدي محسوب نمی­ شود، اما به مدت چند دهه تنها کاربرد شناخته شده آن براي شیمیدان ها تعیین ساختار و آنالیز مولکول ­هاي کوچک بود. ویژگی اصلی طیف سنجی جرمی آن است که جرم ذرات باردار را با دقت­هاي بسیار زیاد می ­تواند تعیین کند.

براي اندازه گیري جرم ذرات، یا به بیان بهتر، نسبت جرم به بار ذرات (یون­ ها) توسط طیف سنج جرمی، ماده مورد بررسی ابتدا باید یونیزه شده و وارد یک سیستم در شرایط خلأ بالا گردد. نشان داده شده است که یونیزه کردن مولکول­ هاي بزرگ مانند پپتیدها و پروتئین­ها، به طوری­ که باعث « تخریب » آن­ها نشود، کار مشکلی است. دهه 1980 میلادي، ابتدا روش یونیزاسیون و آزادسازي لیزري به ­وجود آمد، و سپس به دنبال آن دو روش یونیزه­ کردن به کمک الکترواسپري ESI و یونیزاسیون و آزادسازي لیزري به کمک بستر MALDI توسعه یافتند. موفقیت این روش ­هاي یونیزاسیون در شیمی تجزیه پروتئین­ ها رفته رفته سبب شد طیف سنج ­هاي جرمی با منبع یون ­ساز به صورت تجاري تولید شوند و به طور گسترده توسط دانشمندان شیمی مورد استفاده قرار بگیرند. در هر طیف ­سنج جرمی (MS) سه قسمت مجزاي منبع یونساز، تفکیک­ کننده جرمی و آشکارساز وجود دارد.

یونیزاسیون و قطعه قطعه شدن

 نمونه برای اینکه وارد طیف­سنج جرمی شود باید یون شود. بسته به اینکه نمونه گاز، جامد و یا مایع باشد، روش ­های مختلفی برای یونیزاسیون وجود دارد. برای آنالیز نمونه ­های محلول در MS ، دو راه وجود دارد: یونیزاسیون الکترواسپری (ESI) و یونیزاسیون فشار اتمسفری (APCI).

یونیزاسیون الکترواسپری (ESI)

یونیزاسیون الکترواسپری، تکنیکی است که در طیف­ سنجی جرمی برای تولید یون ­ها استفاده می­ شود. این روش، برای تولید یون ­های گازی از محلول مایع است و به­ویژه برای تولید یون ­ها از ماکرومولکول ­ها مفید است چون می­ تواند بر تمایل طبیعی این مولکول ­ها به متلاشی شدن هنگام یونیزاسیون غلبه کند. گسترش یونیزاسیون الکترواسپری برای آنالیز ماکرومولکول­ های بیولوژیکی با اعطای جایزه نوبل در شیمی به جان ­بنت­ فن در سال 2002 صورت گرفت. یکی از دستگاه ­های اصلی که توسط دکتر فن استفاده می ­شد در موسسه وراثت شیمیایی در پنسیلوانیا وجود دارد. اولین منبع یونیزاسیون الکترواسپری کوپل شده با طیف ­سنج جرمی چهار قطبی (Quadrupole ) توسط فن توسعه یافت.

  طیف­ سنجی جرمی با استفاده از ESI، طیف  ­سنجی جرمی یونیزاسیون الکترواسپری (ESI-MS) یا به ­صورت کمتر متداول، طیف ­سنجی جرمی الکترواسپری (ES-MS) نامیده می ­شود. از دیگر کاربردهای این روش، یونیزاسیون مولکول ­های قطبی بزرگ و کوچک (به ­ویژه پروتئین­ ها و دیگر بیومولکول ­ها)، داروها، آفت­کش­ ها و … می­باشد.

مکانیسم یونیزاسیون در طیف سنجی جرمی چگونه است؟

 مایع حاوی آنالیت مورد نظر از طریق الکترواسپری پخش شده و تبدیل به آئروسل می ­شود. به ­دلیل اینکه تشکیل یون شامل بخارات حلال زیادی است، حلال ­های معمول برای یونیزاسیون الکترواسپری از طریق مخلوط آب با ترکیبات آلی فرار (مثلا متانول، استونیتریل)  تهیه می ­شوند. برای کاهش سایز قطرات اولیه، ترکیباتی که هدایت را کاهش می ­دهند (مثل استیک  اسید) معمولا به محلول افزوده می­ شود. الکترواسپری با جریان زیاد می ­تواند از طریق افزایش گاز بی اثر مثل نیتروژن صورت بگیرد. آئروسل از میان لوله موئین وارد محفظه خلا اول طیف ­سنج جرمی می­ شود که حرارت داده می ­شود تا کمک به تبخیر حلال از قطرات باردار کند. با تبخیر حلال، قطره تغییر شکل می­ دهد و فوران بار تحت فرایندی که شکافت کولمب نامیده می ­شود، نشر می ­شود. در طول شکافت، قطره مقداری از جرم خود را (1.0-2.3%) به ­همراه درصد زیادی از بار خود (10-18%) از دست می ­دهد. هرچه سرعت شار کمتر باشد، قطرات اولیه کوچکتری تولید می ­شود که کارایی یونیزاسیون افزایش می ­یابد.

یون ­هایی که از طریق طیف ­سنجی جرمی مشاهده می ­شوند ممکن است یون­ های شبه مولکولی باشند که از طریق افزودن یک پروتون (یک یون هیدروژن) به­ وجود آیند که به ­صورت ⁺[M + H] مشخص می ­شود و اگر کاتیون دیگری مثلا یون سدیم باشد،⁺[M + Na]، یا با حذف یک پروتون،^–[M − H]. یون­ های با بار چند تایی مانند M + nH]ⁿ⁺] هم مشاهده می ­شوند. برای ماکرومولکول ­های بزرگ، ممکن است تعداد زیادی یون­ های باردار تشکیل شود.

یونیزاسیون نانو الکترواسپری (NESI)

در ESI مقدار الکترولت زیادی مصرف می ­شود، قطرات بزرگ هستند و فاصله بین نوک موئینه تا روزنه نمونه بزرگ است ولی در NESI قطر نوک موئینه خیلی کمتر است که سبب کاهش مصرف الکترولیت می شود. در سال 1994، دو گروه تحقیق، نام میکرو الکترواسپری (میکرواسپری) را برای الکترواسپری در سرعت شار پایین به­ کار بردند. امت و کاپریولی اجرای بهتری برای آنالیزهای HPLC/MS  وقتی ­که الکترواسپری در nL/min 800-300 می­ باشد اثبات کردند. ویلیام و مان اثبات کردند که جریان کاپیلاری حدود nL/min 25 در نوک ناشرها که به­وسیله لوله کاپیلاری شیشه ­ای ساخته شده ­اند می ­توان الکترواسپری کرد. بعدها در سال 1996 به نانوالکترواسپری (نانواسپری) تغییر نام داد. متاسفانه، سرعت جریان مشخصی بین الکترواسپری، میکروالکترواسپری و نانوالکترواسپری وجود ندارد.

منبع یونیزاسیون نانوالکترواسپری (نانواسپری)

یونیزاسیون شیمیایی فشار اتمسفری (APCI)

 این روش یونیزاسیون، روش دیگری برای یونیزاسیون می ­باشد که بسیار شبیه ESI است ولی با این تفاوت که تخلیه الکتریکی در فشار اتمسفر در نوک سوزن صورت می ­گیرد تا آنالیت یونیزه شود. در نوک سوزن (لوله باریک) ولتاژ بالا نداریم، اما دمای محفظه تبخیر بالاست (°C400-250). پس ESI  برای نمونه  ­های غیر فرار و APCI  برای نمونه ­های با فراریت بالا می ­باشد.