بحث عن مطياف الكتلة

يستخدم جهاز مطياف الكتلة لتحليل المواد أو الجزيئات لمعرفة العناصر المكونة للمادة وتراكيبها الكيميائية والبيولوجية والفيزيائية، وقد تم اختراعه من قبل فرانسيس أستون، ويعتمد على حركة الأيونات في مسار دائري يتناسب نصف قطرها مع كتلة الأيون، عندما تدخل مجالا مغناطيسيا منتظما يتعامد مع حركتها، ويلعب دورا هاما في دراسة النظائر.

أجزاء مطياف الكتلة

ومطياف الكتلة يتكون من عدد من الأجزاء وهي :

يعمل كمصدر للأيونات، حيث يحول جزيئات المادة إلى أيونات.

هذا الجهاز هو جهاز تحليل يقوم بفرز الأيونات عن طريق حساب كتلتها باستخدام حقول كهرومغناطيسية.

يعمل الكاشف على قياس الكمية عن طريق توفير البيانات لحساب كمية الأيونات التي تم التقاطها.

تتم وضع العينة في جهاز مطياف الكتلة، ويقوم الجهاز بقذف المركبات بحزمة إلكترونية بغرض تأيينها، وتتشكل بعد ذلك أيونات مشحونة، وتتحرك هذه الأيونات ضمن حقول مغناطيسية، ويتم حساب الكتلة والشحنة لهذه المركبات.

استخدامات مطياف الكتلة

ويستخدم جهاز مطياف الكتلة في :

يتضمن التعرف على هوية المركب أو الجزيء غير المعروف.

ـ مراقبة شظايا المركب لمعرفة بنيته.

ـ معرفة التركيب النظائري لعناصر الجزيء.

تحديد كمية مركب معين في مادة ما.

يستخدم الفلكيون هذا لمعرفة العناصر المتعلقة بدراسة الرياح.

يُستخدم لمعرفة العناصر والنُظُّائِر التي تحتويها الرياح.

بينت نتائج دراسة مطياف الكتلة أن الكتلة الشمسية تحتوي على الأكسجين والكربون والنيون والسيليكون والماغنيسيوم والحديد.

يستخدم الأطباء هذا الجهاز في العمليات الجراحية، وخاصة أطباء التخدير، لقياس معدلات الأيض في الخلايا الحية للمريض، وذلك لمعرفة ما إذا كان المريض يتلقى كمية كافية من الأكسجين.

يستخدم مطياف الكتلة في المجال البيولوجي لمعرفة تركيب الجزيئات المعقدة مثل البروتينات والأحماض الأمينية والكربوهيدرات .

يستخدم في الجيولوجيا لتحديد آثار النفط قبل البدء في حفر الآبار .

يتم استخدامه من قبل علماء البيئة لمعرفة نوع السموم الموجودة في الأسماك الملوثة .

يُستخدم في الآثار لتحديد عمر الأحافير عن طريق قياس نسبة الكربون 14 إلى الكربون 12 في العينة التي ترغب في معرفة عمرها.

طريقة عمل مطياف الكتلة

عندما تكون العينة سائلة أو غازية، يتم وضعها في وحدة العينة. إذا كانت العينة سائلة، يتم تحويلها إلى حالة غازية بواسطة التسخين إذا كانت درجة حرارة غليان السائل أكبر من 150 درجة مئوية. أما إذا كانت العينة صلبة، فيتم تسخينها داخل وحدة العينة أو إدخالها إلى غرفة التأيين بدون تسخين باستخدام مسبار أو مج.

تأيين العينة في حجرة التأين

تتم عملية التأيين بعدة طرق، وأشهرها وأسهلها طريقة القذف بإلكترونات سريعة التي تُعرف باسم التأيين الإلكتروني، ولكن هناك أيضًا عدة طرق أخرى للتأيين مثل القذف بذرات سريعة الذي يعرف باسم التأيين الكيميائي والتصام الإلكتروني حيث تصبح الجزيئات مشحونة بشحنة سالبة.

يتم فصل الأيونات بجذب الأيونات السالبة باستخدام صحيفة مشحونة إيجابيًا ومجال كهربائي ومجال مغناطيسي لفصل الأيونات وجمعها وتكبيرها لقياسها وتمثيلها بصورة بيانية.

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 %).

تحتوي محلل الكتلة في المطياف على حقول كهربائية ومغناطيسية تؤثر بقوة على الأيونات أثناء مرورها خلال هذه الحقول. بالتالي، يمكن زيادة أو تقليل سرعة الجزيء المشحون أثناء تحركه في الحقل الكهربائي. ويمكن تغيير اتجاهه عن طريق تعديل الحقل المغناطيسي. ويعتمد انعطاف المسار الأيون على نسبة كتلته إلى شحنته.

وفقا لقانون نيوتن الثاني للحركة، يتحرك الأيونات الأخف بزاوية أكبر من الأيونات الأثقل بسبب تأثير القوى المغناطيسية. يمر التيار من الأيونات التي تم إنتاجها من المحلل الكتلي إلى الكاشف الذي يسجل التركيز النسبي لكل نوع من الأيونات. يتم استخدام هذه المعلومات لتحديد التركيب الكيميائي للعناصر التي تشكل العينة 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.

المرحلة الثانية في عملية التسريع تتم باستخدام قطب سالب لتسريع الأيونات الموجبة فقط، لتدخل أنبوب التحليل واستبعاد 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.

يتم فصل الأيونات باستخدام كاشف في الجهاز يقيس كتلة كل أيون ونسبة توافره، وكلما كان الأيون أكثر استقرارًا كان متوافرًا أكثر، والعكس ذلك صحيح.