طیف سنجی جرمی چیست و کاربردهای آن در آنالیز مواد

طیف سنجی جرمی یک ابزار تحلیلی ضروری در شیمی، بیوشیمی، داروسازی، پزشکی و بسیاری از زمینه های علمی مرتبط است. در طیف سنجی جرمی برای تجزیه و تحلیل کتابخانه های ترکیبی، مولکول های زیستی و کمک به کشف سلول ها یا اشیاء منفرد از فضای بیرونی استفاده می شود. توضیح ساختار مواد ناشناخته، آنالیت های محیطی و پزشکی قانونی، کنترل کیفیت داروها، غذاها و پلیمرها. همه آنها تا حد زیادی به طیف سنجی جرمی متکی هستند.

طیف سنجی جرمی چیست؟

طیف سنجی جرمی یک روش تحلیلی است که برای محاسبه نسبت جرم به بار (m/z) یک یا چند مولکول به کار برده می شود. این اندازه‌گیری‌ ها اغلب برای تعیین وزن مولکولی دقیق اجزای نمونه نیز استفاده می‌شوند. در نتیجه طیف سنجی جرمی روشی تحلیلی برای یافتن جرم مولکولی یک ترکیب است و به طور غیرمستقیم به اثبات هویت ایزوتوپ ها کمک می کند.  بر اساس قانون دوم حرکت و تکانه نیوتن، یک طیف‌سنج جرمی از این خاصیت ماده برای ترسیم یون‌هایی با جرم‌ های متفاوت بر روی یک طیف جرمی استفاده می‌کند. بر اساس این قانون، یون‌های با نسبت جرم به بار متفاوت توسط زوایای مختلف در میدان الکتریکی یا مغناطیسی منحرف می‌شوند. در ادامه با اصطلاحات رایج در این آنالیز آشنا می شوید.

• طیف جرمی: طیف جرمی نموداری است که با انجام طیف سنجی جرمی به دست می آید. این یک رابطه بین نسبت جرم به بار و سیگنال یون است.
• آشکارسازهای طیف سنجی جرمی: در انحراف های مختلف، یک آشکارساز تعداد یون ها را می شمارد. داده ها به صورت نمودار یا زنجیره ای از توده های مختلف رسم می شوند. آشکارسازها با ثبت بار القایی یا جریان تولید شده در اثر برخورد یا عبور یون از یک سطح کار می کنند. از آنجایی که سیگنال بسیار کوچک است، می توان از تقویت کننده الکترون، فنجان فارادی یا آشکارساز یون به فوتون استفاده کرد.
• تحلیل گر جرم: یون ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) دسته بندی و تقسیم می شوند. انواع مختلفی از آنالایزرهای جرمی در حال حاضر در دسترس هستند که هر کدام دارای معاوضه های مربوط به سرعت عملکرد، وضوح جداسازی و سایر معیارهای فنی هستند. آنالایزر جرم اغلب با سیستم تشخیص یون کار می کند.

اجزای دستگاه طیف سنج جرمی

قسمت های مختلف طیف سنج جرمی

چهار بخش اصلی طیف سنجی جرمی در زیر مورد بحث قرار می گیرد

یونیزه کننده : بمباران نمونه توسط الکترون ها انجام می شود. این الکترون ها بین کاتد و آند حرکت می کنند. هنگامی که نمونه از جریان الکترونی بین کاتد و آند عبور می کند، الکترون هایی با انرژی بالا الکترون ها را از نمونه خارج می کنند و یون تشکیل می دهند.

شتاب دهنده : یون هایی که بین مجموعه ای از صفحات موازی باردار قرار می گیرند به یک صفحه جذب می شوند و از صفحه دیگر دفع می شوند. با تنظیم شارژ روی صفحات می توان سرعت شتاب را کنترل کرد.

منحرف کننده : میدان مغناطیسی یون ها را بر اساس بار و جرم آنها منحرف می کند. اگر یک یون سنگین باشد یا دو یا چند بار مثبت داشته باشد، کمترین انحراف را دارد. اگر یونی سبک باشد یا یک بار مثبت داشته باشد، بیشترین انحراف را دارد.

آشکارساز : یون هایی با بار و جرم صحیح به سمت آشکارساز حرکت می کنند. نسبت جرم به بار از طریق یونی که به آشکارساز برخورد می کند تجزیه و تحلیل می شود.

در نتیجه اساس کار به این صورت است که در یک طیف‌سنج جرمی معمولی، در ابتدا موادی برای تجزیه و تحلیل وجود دارد، اما برای عبور از طیف‌سنج با انرژی کافی، به یونیزه شدن آن نیاز است. بنابراین، نمونه توسط الکترون ها بمباران می شود تا یونیزه شود. این پرتو یونیزه شده اکنون بسته به نوع نمونه و خواص آن از یک سری میدان های الکتریکی یا مغناطیسی عبور می کند. یون ها توسط میدانی که از آن عبور می کنند منحرف می شوند به گونه ای که یون های با نسبت جرم به سیگنال یکسان مسیر یکسانی را به سمت آشکارساز طی می کنند. این یون های باردار و منحرف شده اکنون به آشکارساز برخورد می کنند که قادر به تشخیص ذرات باردار افتاده بر روی آن است. بر اساس طیف جرمی که توسط یون‌های باردار تولید می‌شود، می‌توان اتم‌ها یا مولکول‌های تشکیل‌دهنده نمونه را با مقایسه آن‌ها با جرم‌های شناخته شده یا از طریق یک الگوی تکه تکه شدن مشخص شناسایی کرد.

انجام آنالیزهای طیف سنجی

مزایا و معایب طیف سنجی جرمی

طیف سنجی جرمی برای مطالعه کمی و کیفی مواد شیمیایی استفاده می شود. از آن ها می توان برای طبقه بندی عناصر و ایزوتوپ های نمونه، تعیین جرم مولکولی و به عنوان ابزاری برای کمک به طبقه بندی ساختارهای شیمیایی استفاده کرد. این روش می تواند خلوص نمونه ها و جرم مولی را محاسبه کند. مزیت بزرگ مشخصات جرم این است که نسبت به بسیاری از تکنیک های دیگر بسیار حساس است (قسمت در میلیون ppm). این روش همچنین یک ابزار عالی برای شناسایی یا تأیید وجود اجزای ناشناخته در یک نمونه است. معایب مشخصات جرمی این است که شناسایی هیدروکربن هایی که یون های مشابه تولید می کنند چندان خوب نیست و قادر به جداسازی ایزومرهای نوری و هندسی نیست. معایب با روش های دیگر، به عنوان مثال کروماتوگرافی گازی جبران می شود.

کاربردهای طیف سنجی جرمی در آنالیز مواد

• تجزیه و تحلیل فیتوشیمیایی: طیف سنجی جرمی به دلیل توانایی آن در شناسایی و اندازه گیری متابولیت های دارای وزن مولکولی بسیار پایین در محدوده غلظت های بسیار پایین زیر نانوگرم بر میلی لیتر (ng/ml) به طور گسترده در تجزیه و تحلیل فیتوشیمیایی استفاده می شود. بنابراین به عنوان روش تحلیل ردیابی در نظر گرفته می شود.
• انواع تکنیک‌های جداسازی آنالیت مانند کروماتوگرافی گازی و کروماتوگرافی مایع با کارایی بالا با طیف‌سنجی جرمی برای جداسازی و تعیین همزمان آنالیت‌هایی به نام‌های CE-MS، GC-MS و HPLC-MS ترکیب می‌شوند. طیف‌سنج‌های جرمی مانند چهار قطبی یا چهار قطبی زمان پرواز (Q-TOF) اغلب در ترکیب با سیستم کروماتوگرافی گازی استفاده می‌شوند. چندین ترکیب گیاهی فرار و حرارت پذیر هستند و می توان آنها را با یونیزاسیون الکترواسپری (ESI) و یونیزاسیون دفع لیزر به کمک ماتریس (MALDI) تجزیه و تحلیل کرد. ESI معمولاً در HPLC-MS و CE-MS استفاده می شود.

طیف سنجی جرمی ESI-Mass

آنالیز فیتوشیمیایی 

• تجزیه و تحلیل ساختار پپتید و پروتئین: طیف‌سنجی جرمی کاربرد مهمی در آنالیز اسیدهای آمینه در پروتئین‌ها و پپتیدها، یعنی آنالیز ساختار پروتئین‌ها و پپتیدها دارد و این امر به طور فزاینده‌ای مورد توجه قرار گرفته است. این را می توان با هیدرولیز گام به گام همراه با کروماتوگرافی انجام داد. پپتیدها به آمینو الکل ها تبدیل می شوند که در طبیعت فرار هستند. این آمینو الکل ها مشتق شده و در طیف سنج جرمی تجزیه و تحلیل شدند که به تجزیه و تحلیل توالی کمک می کند. با این حال، توالی یابی پپتیدهای کم مصرف مانند در طیف سنجی جرمی بمباران اتمی سریع (FABMS) نیز به کار گرفته می شود.

بمباران اتمی سریع (FABMS)

• تجزیه و تحلیل (آنالیز) دارویی : طیف‌سنجی جرمی به‌عنوان ابزاری قدرتمند برای عملیات‌های مختلف در زمینه داروسازی به‌طور عمده در توسعه دارو ظاهر شد. روش ها و ابزارهای جدید در طیف سنجی جرمی با سرعت بسیار بالایی توسعه یافته اند. طیف سنجی جرمی به دلیل حساسیت، سرعت، تطبیق پذیری و گزینش پذیری بالا، اکنون به ابزاری بی بدیل در انواع اکتشافات دارویی تبدیل شده است. طیف سنجی جرمی به طور گسترده ای برای تشخیص ناخالصی ها در نمونه ها استفاده می شود. به همین ترتیب، استفاده از LC-MS برای ارزیابی چند بعدی ناخالصی ها در طول توسعه دارو استفاده شده است.
•  تجزیه و تحلیل (آنالیز) متابولیت ها : تعیین مسیر متابولیک و متابولیت های مختلف یک دارو یا بیگانه بیوتیک ها برای ارزیابی پارامترهای مختلف فارماکوکینتیک آن بسیار مهم است. واکنش‌های متابولیک دارو را می‌توان به دو بخش تقسیم کرد: 1. فاز I یا واکنش‌های عامل‌سازی و 2. فاز II یا واکنش‌های کونژوگه. هر دوی این تبدیل ها شامل تغییراتی در وزن مولکولی می شوند. این تغییرات را می توان به طور دقیق توسط طیف سنج جرمی اندازه گیری کرد.
• مطالعات بالینی : اجرای طیف سنجی جرمی در آزمایشگاه بالینی منجر به پیشرفت های قابل توجهی شد. گاهی اوقات زمانی که مقدار آنالیت بسیار کم است و طیف سنجی جرمی به دلیل حساسیت بالاتر آن جایگاه ارزشمندی در تجزیه و تحلیل بالینی دارد، به درجه حساسیت بیشتری نیاز است. در هر شرایط بیماری، شیمی تغییرات بدن که منجر به تغییرات محصولات در مایعات بدن و محصولات دفعی می شود، برای تشخیص توسط دستگاه کروماتوگرافی مانند گاز کروماتوگرافی مجهز به طیف سنجی جرمی قابل تشخیص است. طیف سنجی جرمی واجذبی/یونیزاسیون لیزری به کمک ماتریکس (MALDI-MS) در حال حاضر در روندی است که برای تجزیه و تحلیل مستقیم و تصویربرداری از ترکیبات دارویی در بافت دست نخورده استفاده می شود. اسیدوری های آلی یک اختلال ارثی متابولیسم در انسان است و کروماتوگرافی گازی همراه با طیف سنجی جرمی برای تعریف اسید آلی شامل اسید ایزووالریک استفاده می شود. این تکنیک در تشخیص و شناسایی خطاهای ذاتی متابولیسم اسید آلی استفاده      می شود. یک روش ساده برای تشخیص بالینی اسیدوری آلی با کروماتوگرافی گازی - طیف سنجی جرمی (GC-MS) با استفاده از طیف سنج جرمی چهار قطبی توسعه داده شد. نمونه ادرار بیماران آنالیز شد و اسیدهایی مانند متیل سیتریک اسید، مارگاریک اسید و اسید گلوتاریک شناسایی شدند.

نحوه تفسیر نمودار طیف سنجی جرمی 

طیف سنجی جرمی کاربرد عمده ای در شفاف سازی ساختار ترکیبات دارد. طیف جرمی به صورت نمودار میله ای تولید می شود که با استفاده از پیک های زیر تفسیر می شود. قله پایه: شدیدترین پیک طیف جرمی است. ۱۰۰% فراوانی دارد. پیک یون مولکولی: دارای بالاترین نسبت جرم به بار (m/e) در طیف جرمی است که به دلیل از دست دادن یک الکترون از مولکول ایجاد شده است و مقدار m/e آن تقریباً نشان دهنده وزن مولکولی ترکیب است.              

قله های ایزوتوپی: پیک های ایزوتوپی اغلب در طیف جرمی به دلیل وجود ایزوتوپ ها دیده می شوند. اینها معمولاً یک یا دو واحد جرم بالاتر یا کمتر از پیک یون هستند. می توان آن را با m + 1 و m + 2 برای ایزوتوپ های یک و دو با وزن مولکولی بالاتر و بالعکس برای ایزوتوپ های با وزن کمتر نشان داد. شدت پیک به فراوانی طبیعی ایزوتوپ ها بستگی دارد. اینها اغلب به عنوان مشخصه یک ترکیب برای شناسایی استفاده می شوند.

توضیح تصویر : نحوه خواندن طیف طیف سنجی جرمی به این صورت است که محور Y (شدت یا فراوانی نسبی): محور y طیف، شدت یا فراوانی نسبی یون‌ها را در مقادیر معین نشان می‌دهد. ارتفاع پیک ها یا میله ها نشان دهنده فراوانی یون ها در مقادیر خاص است. پیک با بیشترین شدت به عنوان قله پایه شناخته می شود و یون را در طیف با بیشترین فراوانی نسبی منعکس می کند.

قله پایه : پیک پایه بالاترین پیک در طیف است و نشان دهنده یونی با بیشترین فراوانی نسبی است. اما ممکن است با یون مولکولی مطابقت داشته باشد یا نباشد. پیک پایه ممکن است یک یون قطعه باشد نه کل یون مولکولی در برخی شرایط.

قله ها و مقادیر m/z: هر پیک در طیف مربوط به مقدار m/z متفاوتی است که نسبت جرم به بار یون ها را نشان می دهد. هنگامی که یون ها دارای یک بار واحد هستند، مقدار m/z برابر با جرم مولکولی ترکیب است. در محور x طیف، مقادیر m/z از چپ به راست افزایش می یابد.

طیف سنجی جرمی یک تکنیک بسیار حساس است که می تواند مقادیر بسیار کوچکی از مولکول را تجزیه و تحلیل کند. این توانایی برای اهداف مختلفی مانند تجزیه و تحلیل های فیتوشیمیایی، بالینی، دارویی و پزشکی قانونی استفاده می شود. این تکنیک، نه تنها ساختار ترکیبات را روشن می کند، بلکه اطلاعات فرمول مولکولی و فراوانی ایزوتوپی فرمول مولکولی خاص را نیز ارائه می دهد. در دسترس بودن اینترفاز ها این امکان را به وجود آورد که این تکنیک پیچیده را با تکنیک های مختلف کروماتوگرافی خط خطی کنیم. این امر افق های جدیدی از کاربرد آن را باز کرد. تغییرات و ترکیب ‌های جایگشت تکنیک ‌های مختلف یونیزاسیون با آنالایزر های مختلف، تجزیه و تحلیل موجودیت ‌های شیمیایی متنوع را در سطح بالا فراهم می‌کند. منحصر به فرد بودن تکنیک ساخت قطعاتی از ترکیب مورد بررسی اطلاعات ساختاری ارزشمندی را ارائه می دهد. این در مطالعه متابولیت ها، پپتیدی و ماکرومولکول ها مفید است.

این اطلاعات به طور مستقیم در تجزیه و تحلیل دارویی و زیست پزشکی قابل استفاده است. توسعه تکنیک‌های چهارگانه دوگانه و سه‌گانه و کاربرد آن‌ها قطعاً سطح تحقیق و تجزیه و تحلیل را در زمینه زیست‌پزشکی ارتقا داده است. طیف سنجی جرمی برای مطالعه کمی و کیفی مواد شیمیایی کاربرد گسترده ای دارد. هم چنین    از آن  می توان برای طبقه بندی عناصر و ایزوتوپ های نمونه، تعیین جرم مولکولی مواد مختلف استفاده کرد. زیف سنج جرمی همینطور به عنوان ابزاری برای کمک به طبقه بندی ساختارهای شیمیایی استفاده می شود.