طیف سنجی جرمی
اصول طیف سنجی جرمی جلوتر از تكنیك های دستگاهی دیگر، IR,CNMR,HNMR,UV بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می گردد.قدیمی ترین طیف سنج جرمی در سال 1918 ساخته شد. اما روش طیف سنجی جرمی تا همین اواخر كه دستگاه های دقیق ارزانی در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چندانی نداشت. این تكنیك با پیدایش دستگاه های تجاری كه به سادگی تعمییر و نگهداری می شوند و با توجه به مناسب بودن قیمت آن ها برای بیشتر آزمایشگا های صنعتی و آموزشی و نیز بالا بودن قدرت تجزیه و تفكیك، در مطالعه تعیین ساختمان تركیبات از اهمیت بسیاری بر خوردار گشته است.
به بیان ساده طیف سنجی جرمی سه عمل اساسی انجام می دهد:
- مولكول ها توسط جریانی از الكترون های پر انرژی بمباران شده و بعضی از مولكول ها به یون های مربوطه تبدیل می گردد.
- یون های شتاب داده شده بسته به نسبت
باید توجه داشت كه قبل از تشكیل یون ها باید راهی پیدا كرد تا بتوان جریانی از مولكول ها را به محفظه ی یونیزاسیون، كه عمل یونیزه شدن در آن انجام می گیرد، روانه ساخت. یك سیستم ورودی نمونه، برای ایجاد چنین جریانی از مولكول ها به كار برده می شود.
نمونه هایی كه با طیف سنجی جرمی مورد مطالعه قرار می گیرند می توانند به حالت گاز،مایع یا جامد باشند. در این روش باید از وسایلی استفاده كرد تا مقدار كافی از نمونه را به حالت بخار در آورده سپس جریانی از مولكولها روانه محفظه ی یونیزاسیون شوند. در مورد گازها، ماده خود به حالت بخار وجود دارد پس، از سیستم ورودی ساده ای می توان استفاده كرد. این سیستم تحت خلا بوده بطوری كه محفظه ی یونیزاسیون در فشاری پایین تر از سیستم ورودی نمونه قرار دارد. نمونه به انبار بزرگتری رفته كه از آن، مولكولهای بخار به محفظه یونیزاسیون می روند. برای اطمینان از این كه جریان یكنواختی از مولكولها به محفظه ی یونیزاسیون وارد می شود، قبل از ورود،بخار از میان سوراخ كوچكی كه روزنه ی مولكولی خواندهمی شودعبور می كند. همین سیستم برای مایعات و جامدات فرّار نیز به كار برده می شود. برای مواد با فراریت كم، می توان سیستم را به گونه ای طراحی كرد كه در یك اجاق یا تنور قرار گیرد تا در اثر گرم كردن نمونه، فشار بخار بیشتری حاصل گردد. باید مراقب بود تا حرارت زیاد موجب تخریب ماده نگردد.
در مورد مواد جامد نسبتا غیر فرار، روش مستقیمی را می توان بكار برد. نمونهئ در نوك میله ای قرار داده می شود و سپس از یك شیر خلا وارد محفظه ی یونیزاسیون می گردد. نمونه در فاصله ی بسیار نزدیكی از پرتو یونیزه كننده الكترون ها قرار می گیرد. سپس آن میله گرم شده و تولید بخاری از نمونه را كرده تا در مجاورت پرتو الكترونها بیرون رانده شوند. چنین سیستمی را میتوان برای مطالعه ی نمونه ای از مولكولهایی كه فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق كمتر از
هنگامی كه جریان مولكولهای نمونه وارد محفظه ی یونیزاسیون گشت، توسط پرتویی از الكترونها پر انرژی بمباران می شوند. در این فرایند، مولكولها به یونهای مربوطه تبدیل گشته و سپس در یك میدان الكتریكی شتاب داده می شوند.
در محفظه ی یونیزاسیون، پرتو الكترون های پر انرژی از یك سیم باریك گرم شده ساطع می شوند. این سیم باریك تا چند هزار درجه سلسیوس گرم می شود. به هنگام كار در شرایط معمولی، الكترون ها دارای انرژی ای معادل 70 الكترون ولت هستند. این الكترون های پر انرژی با مولكولهایی كه از سیستم نمونه وارد شده اند برخورد كرده و با برداشتن الكترون از آن مولكول ها، آنها را یونیزه كرده و به یونهای مثبت تبدیل می كنند. یك صفحه ی دافع كه پتانسیل الكتریكی مثبتی دارد یون های جدید را به طرف دسته ای از صفحات شتاب دهنده هدایت می كند. اختلاف پتانسیل زیادی (حدود 1 تا 10كیلو وات)، از این صفحات شتاب دهنده عبور داده می شود كه این عمل، پرتویی از یونهای مثبت سریع الحركت را تولید می كند. این یون ها توسط یك یا چند شكاف تمركز دهنده به طرف یك پرتو یكنواخت هدایت می شود.
بسیاری از مولكول های نمونه به هیچ وجه یونیزه نمی شوند. این مولكول ها به طور مداوم توسط مكنده های (پمپ های)خلا كه به محفظه ی یونیزاسیون متصل هستند، خارج می گردند.بعضی از این مولكول ها از طریق جذب الكترون به یون های منفی تبدیل می شوند. این یون های منفی توسط صفحه ی دافعه جذب می گردند. ممكن است كه بخش كوچكی از یون های تشكیل شده بیش از یك بار داشته باشند(از دست دادن بیش از یك الكترون). این ها همانند یون های مثبت تك ظرفیتی، شتاب داده می شوند.
انرژی لازم برای برداشتن یك الكترون از یك اتم یا مولكول، پتانسیل یونیزاسیون آن است. بسیاری از تركیبات آلی دارای پتانسیل یونیزاسیونی بین 8 تا 15 الكترون هستند. اما اگر پرتو الكترون هایی كه به مولكول ها برخورد می كند پتانسیلی معادل 50 تا 70 الكترون ولت نداشته باشد، قادر به ایجاد یون های زیادی نخواهد بود. برای ایجاد یك طیف جرمی، الكترون هایی با این میزان انرژی برای یونیزه كردن نمونه به كار برده می شوند.
پس از گذر كردن از محفظه ی یونیزاسیون، پرتو یون ها از درون یك ناحیه ی كوتاه فاقد میدان عبور می كند. سپس آن پرتو وارد تجزیه گر جرمی شده كه در آن یون ها بر حسب نسبت
انرژی جنبشی یك یون شتاب داده شده برابر است با:
كه m جرم یون، v سرعت یون، e اختلاف پتانسیل صفحات شتاب دهنده یون است. در حضور یك میدان مغناطیسی، یك ذره ی باردار مسیر منحنی شكلی را خواهد داشت. معادله ای كه شعاع این مسیر منحنی شكل را نشان می دهد به صورت زیر است:
كه r شعاع انحنای مسیر و H قدرت میدان مغناطیسی است. اگر این دو معادله را با هم تركیب كنیم خواهیم داشت:
این معادله مهمی است كه رفتار و عمل یك یون را در بخش تجزیه گر جرمی یك طیف سنج جرمی توجیه می كند.
هر قدر مقدار
برای رسیدن به قدرت تفكیك بالا، تغییراتی در طرح دستگاه اصلی داده می شود. از آن جا كه ذراتی كه محفظه ی یونیزاسیون را ترك می كنند همگی سرعت یكسانی ندارند، می توان از یك طیف سنج جرمی تمركز دهنده ی مضاعف استفاده كرد. در چنین دستگاهی پرتو یون ها قبل از ورودبه میدان مغناطیسی از میدانی الكتریكی عبور می كند. در حضور میدان الكتریكی، ذرات، همگی با یك سرعت حركت كرده و بنابراین قدرت تفكیك ناحیه ی میدان مغناطیسی بهبود می یابد.
آشكار كننده بسیاری از دستگاه ها شامل یك شمارشگر است كه جریان تولیدی آن متناسب با تعداد یون هایی است كه به آن برخورد می كند. با استفاده از مدارهای الكترون افزاینده (electron multiplier circuits) می توان آن قدر دقیق این جریان را اندازه گرفت كه جریان حاصل از برخورد فقط یك یون به آشكار كننده اندازگیری شود. سیگنال تولید شده از آشكار كننده به یك ثبات داده می شود كه این ثبات خود طیف جرمی را ایجاد می نماید. در دستگاه های جدید، خروجی آشكار كننده از طریق یك سطح مشترك به رایانه متصل است. رایانه قادر به ذخیره اطلاعات بوده و خروجی رابه هر دو صورت جدولی و گرافیكی در ما آورد. دست اخر داده ها با طیف های استاندارد ذخیره شده ی موجود در رایانه مقایسه می گردد. در دستگا های قدیمیتر، جریان الكترونی حاصل از آشكار كننده به یك سری از پنج گالوانومتر با حساسیت های متفاوت داده می شود. حساسیت فركانس گالوانومترها به نسبت های 1،