مطيافية الكتلة

يتكون مطياف الكتلة من ثلاثة أجزاء: الكاشف، محلل الكتلة، ومصدر الأيونات. يقوم المؤين بتحويل جزء من المادة إلى أيونات. وحسب الطور الفيزيائي للعينة (صلب، سائل، أو غاز) وفعالية طرق التأين المختلفة للأنواع غير المعروفة، توجد عدة طرق مختلفة للتأين. تُستخرج الأيونات من المادة باستخدام نظام استخراج، ثم تُوجه إلى محلل الكتلة والكاشف. يقوم محلل الكتلة بفرز الأيونات حسب نسبة الكتلة إلى الشحنة بسبب اختلاف كتل الأجزاء. يقدم الكاشف معلومات لتحديد وفرة كل أيون موجود عن طريق قياس قيمة كمية مؤشر. يمكن لبعض الكواشف، مثل اللوحة متعددة القنوات، تقديم معلومات مكانية أيضًا.
 إذا كان هناك جسم متحرك وتعرض لقوة جانبية، فسيتحرك في مسار منحني، منحرفًا عن مساره الأصلي. افترض أنك في مسار كرة مدفع وتريد حرفها. ولديك فقط بخاخ ماء من خرطوم. بصراحة، لن يُحدث فرقًا كبيرًا! لأن كرة المدفع ثقيلة جدًا، فستنحرف بالكاد عن مسارها المقصود. ومع ذلك، تخيل أنك حاولت حرف كرة تنس طاولة تتحرك بنفس سرعة كرة المدفع باستخدام نفس رذاذ الماء. نظرًا لخفة هذه الكرة، فستلاحظ انحرافًا كبيرًا.
 يعتمد مقدار الانحراف الذي ستحصل عليه من قوة جانبية معينة على كتلة الكرة. إذا كنت تعرف سرعة الكرة وحجم القوة، يمكنك حساب كتلة الكرة إذا كنت تعرف شكل المسار المنحني الذي انحرفت فيه. إذا كان لديك طيف كتلوي شامل (وليس مبسطًا)، فستلاحظ خطًا باهتًا عند 1 m/z إلى يمين ذروة الأيون الجزيئي الرئيسية. تُعرف هذه الذروة الصغيرة باسم ذروة +M1. تتكون ذروة +M1 بسبب وجود نظير الكربون 13C في الجزيء. 13C هو نظير مستقر للكربون؛ لا تخلطه مع 14C الذي هو نظير مشع. يشكل الكربون-13 حوالي 1.11٪ من جميع ذرات الكربون. إذا كان لديك مركب بسيط مثل الميثان CH4، فإن جزيءًا واحدًا من كل 100 جزيء تقريبًا سيحتوي على كربون-13 بدلاً من الكربون-12 الأكثر شيوعًا. وهذا يعني أن جزيءًا واحدًا من كل 100 سيحمل كتلة مقدارها 17 (13 + 4) بدلاً من 16 (12 + 4). ونتيجة لذلك، سيتضمن الطيف الكتلوي خطًا يتوافق مع كلٍ من الأيونات الجزيئية [13CH4]+ و[12CH4]+. سيكون الخط عند m/z = 17 أصغر بكثير من الخط عند m/z = 16 لأن نظير الكربون-13 أقل انتشارًا بكثير. إحصائيًا، سيكون لديك حوالي أيون ثقيل واحد مقابل كل 99 أيونًا خفيفًا. ولهذا السبب فإن ذروة +M1 أصغر بكثير من ذروة +M.

عدد ذرات الكربون في المركب يمكن حسابه عن طريق قسمة ارتفاع ذروة +M1 على ارتفاع ذروة +M. كما رأينا للتو، فإن مركبًا يحتوي على ذرتين من الكربون يمتلك ذروة +M1 تعادل تقريبًا 2٪ من ارتفاع ذروة +M. وبالمثل، يمكن إثبات أن جزيئًا يحتوي على ثلاث ذرات كربون ستكون له ذروة +M1 تعادل تقريبًا 3٪ من مستوى ذروة +M. التقديرات التي نقوم بها لا تنطبق على أكثر من ذرتين أو ثلاث ذرات كربون. كمية ذرات الكربون التي هي 13C ليست 1٪، بل 1.11٪. والافتراض بأن نسبة 2:98 تساوي تقريبًا 2٪ يفشل عندما يزداد الرقم الصغير.

عندما يدخل عينة عضوية مبخرة إلى حجرة التأين في مطياف الكتلة، يتم مهاجمتها بالإلكترونات. هذه الإلكترونات لديها طاقة كافية لإخراج إلكترون واحد من الجزيء العضوي، مما يؤدي إلى تكوين أيون موجب. يُعرف هذا الأيون باسم الأيون الجزيئي، أو أحيانًا الأيون الأصلي. غالبًا ما يُرمز إلى الأيون الجزيئي بالرمز +M أو .+M؛ تشير النقطة في الصيغة الثانية إلى وجود إلكترون منفرد غير مزدوج في مكان ما في الأيون. هذا الإلكترون يمثل نصف زوج الإلكترونات الأصلي؛ النصف الآخر هو الإلكترون الذي أُزيل أثناء عملية التأين. الأيونات الجزيئية غير مستقرة طاقيًا، وبعضها سيتفكك إلى جزيئات أصغر. أبسط الحالات هي عندما ينقسم الأيون الجزيئي إلى جزأين، أحدهما أيون موجب والآخر جذر حر غير مشحون.

.+M → +X + ⋅Y

تتوفر عدة أنواع من الكواشف لمطياف الكتلة. الكاشف الأكثر استخدامًا في معظم التحاليل اليومية هو مضاعف الإلكترونات. هناك نوع آخر من الكواشف هو الألواح الفوتوغرافية المغطاة بطبقة من بروميد الفضة، والتي تكون حساسة للأيونات النشطة. يمكن للوحة الفوتوغرافية أن توفر دقة أعلى من الكاشف الإلكتروني.

 مطيافية الكتلة MALDI-TOF:

تُعد مطيافية MALDI-TOF MS تقنية شائعة في مطياف الكتلة. MALDI هي تقنية تأين ناعم تستخدم ضوء الليزر لإنتاج الأيونات مع قدر قليل من التجزئة. في TOF، يتم تسريع الأيونات البروتونية بواسطة مجال كهربائي، مما يؤدي إلى أيونات لها نفس الطاقة الحركية مثل أيونات أخرى لها نفس الشحنة. يتم تحديد سرعة الأيون بواسطة نسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z)، ويتم قياس الوقت الذي يستغرقه للوصول إلى الكاشف. يمكن لمطياف الكتلة MALDI-TOF الكشف عن مجموعة واسعة من الجزيئات الحيوية، مثل الببتيدات والكربوهيدرات.

مطيافية الكتلة ذات الثلاثية الرباعية:
 مطياف الكتلة الثلاثي الرباعي (المعروف أيضًا باسم QqQ أو TQMS) هو جهاز مركب يستخدم أول وثالث رباعي كمصافي كتل، بينما يُستخدم الرباعي الثاني كخزان تصادم لتفكيك الأيونات الأم/الأيونات الأولية المختارة وتوليد الأيونات الناتجة/الأيونات الابنة. يُعد TQMS من أكثر تقنيات مطيافية الكتلة الترادفية شهرة واستخدامًا. يوفر مجموعة متنوعة من التطبيقات بسعر معقول، كما أنه بسيط نسبيًا وسهل الاستخدام وقابل للتكرار. يمكن استخدام مطياف الكتلة الثلاثي الرباعي لتحديد أنماط التجزئة من خلال توضيح البنية. كما يُعد TQMS أداة ممتازة للأبحاث الكمية. في العديد من التطبيقات، بما في ذلك الأبحاث السريرية، والدراسات البيئية، وتطوير الأدوية، يُعتبر TQMS خيارًا ضروريًا بسبب حساسيته وانتقائيته العالية، مما ينتج عنه حدود أقل للكشف والقياس.

مطيافية الكتلة ذات فخ الرباعي:
 يُعد مطياف الكتلة بفخ الرباعي نوعًا من أجهزة المطياف الثلاثية الهجينة. على عكس مطياف الكتلة الثلاثي الرباعي التقليدي، يُظهر Q3 حساسية فائقة عند استخدامه كفخ أيونات خطي (LIT) بدلاً من مصفاة كتلة رباعية عادية. هذا الجهاز لا يزال قادرًا على تنفيذ وظائف المسح التقليدية لمطياف الكتلة الثلاثي الرباعي (مثل SRM أو الرصد التفاعلي الانتقائي)، ويمكن استخدامه أيضًا في أبحاث فخ الأيونات الحساسة.

مطيافية الكتلة الهجينة لفخ الأيونات الخطية وأوربيتـراب:
 يُعد مطياف الكتلة الهجين الذي يجمع بين فخ الأيونات الخطي وأوربيتـراب نوعًا من مطياف الكتلة الترادفي عالي الدقة. يستخدم LIT جهدًا كهربائيًا ساكنًا على الأقطاب الطرفية لتقييد الأيونات محوريًا، وسلسلة من قضبان رباعية لتقييدها شعاعيًا. من ناحية أخرى، يقوم جهاز الأوربيتـراب بإنشاء أيونات تدور حول المغزل باستخدام محلل كتل متماثل محوريًا. بعد ذلك، يتم استخدام تحويل فورييه لتحديد التيار الناتج وتحويله إلى طيف كتلي. يُستخدم هذا المطياف الهجين على نطاق واسع في أبحاث البروتيوميات والميتابولوميات.

مطيافية الكتلة الرباعية – أوربيتـراب:
 في مطياف الكتلة الرباعي – أوربيتـراب، يكون أول محلل كتلي هو رباعي، بينما الثاني هو أوربيتـراب عالي الدقة. له مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك البروتيوميات، الميتابولوميات، سلامة الأغذية، والسمّية. توفر شركة Creative Proteomics مجموعة من الخدمات باستخدام مطياف الكتلة رباعي – أوربيتـراب، بما في ذلك نماذج Q Exactive Hybrid وQ Exactive Plus Hybrid.