تقنية مطيافيّة الكتلة (Mass Spectrometry - MS)
مقدمة
تقنية مطيافيّة الكتلة (MS) هي واحدة من الطرق التي تشمل فصل الأيونات استنادًا إلى نسبة كتلتها إلى شحنتها (m/z) وقياس وفرة الأيونات في المرحلة الغازية. في هذه الطريقة، يجب تحويل الجزيئات أولاً إلى أيونات في المرحلة الغازية في مصدر التأين، ثم توجيه الأيونات المُولدة بكتل مختلفة نحو محلل. في هذه المرحلة، يتم فصل الأيونات عن بعضها بناءً على نسبة كتلتها إلى شحنتها. يمكن تحقيق هذا الفصل عبر تطبيق حقل كهربائي أو مغناطيسي، أو مزج بين كلا الحقلَين. وأخيرًا، يتم تعرف على الأيونات المفصولة باستخدام جهاز كاشف. طيف كتلة هو تمثيل رسمي لوفرة الأيونات كدالة لنسبة كتلتها إلى شحنتها. المعلومات التى يمكن الحصول علیھا من خلال طيف الماس تشمل: التعرف على المركبات العضوية الخالصة، تحديد الوزن الجزیئی، تحديد الصيغة التجريبية، وجود أو غیاب مجامیع وظيفية في المرکبات العضوية، وثبات أشكال مختلف من الأيونات
نستفاد من طيف الكتلة في معرفة:
تحديد المركبات العضوية النقية
تحديد الوزن الجزيئي
تحديد الصيغة التجريبية
وجود أو غياب المجموعات الوظيفية في المركبات العضوية
استقرار الأشكال الأيونية المختلفة
مطياف الكتلة هي تقنية تحليلية قوية تُستخدم لتحديد الكتلة الجزيئية للمواد الكيميائية، وتحصيل معلومات دقيقة عن التركيب الكيميائي للمركبات. تُستخدم في مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك الكيمياء التحليلية، علم الأدوية، والبيولوجيا.
مبدأ العمل
تتكون عملية مطياف الكتلة من عدة مراحل رئيسية:
التأين (Ionization):
يتم تحويل الجزيئات إلى أيونات، حيث يقسم ذلك حسب مصدر التأين إلى قسمين، هما:
1- المنبع القاسي (Hard source)
تشير تقنيات التأين الصلب إلى الأساليب التي تنتج أيونات من خلال عمليات تؤدي غالبًا إلى تكسير كبير للجزيئات الأصلية. هذه الطرق تنقل طاقة عالية إلى الجزيئات، مما يؤدي إلى تفككها إلى قطع أصغر. وله عدة أنواع
التأين الإلكتروني (EI)
يتم توجيه شعاع من الإلكترونات نحو العينة، مما يتسبب في التأين والتفكك.
يُستخدم عادةً للمركبات العضوية الصغيرة والغازات.
يوفر أنماط تفكك مفصلة، مما يكون مفيدًا في توضيح التركيب.
غير مناسب للجزيئات الكبيرة أو المركبات الحساسة للحرارة.
التأين الكيميائي (CI)
يتم تأيين غاز كاشف، والذي يتفاعل بعد ذلك مع العينة، مما يؤدي غالبًا إلى بعض التفكك.
يُستخدم للمركبات العضوية الصغيرة إلى المتوسطة.
ينتج تفكك أقل من EI، مما يحقق طيفًا كميًا أنظف.
قد لا يزال يؤدي إلى بعض التفكك.
2- المنبع الناعم (Soft source)
تشير تقنيات التأين الناعم إلى الأساليب التي تولد أيونات مع الحد الأدنى من التفكك أو بدونه، مما يحافظ على سلامة التركيب الجزيئي. هذه الطرق تتضمن عادةً عمليات ذات طاقة منخفضة.وله عدة أنواع
التأين بالرش الكهربائي (ESI)
يتم رش محلول العينة عبر فوهة مشحونة، مما ينتج عنه قطرات مشحونة تتبخر لتنتج أيونات.
مثالية للجزيئات الكبيرة مثل البروتينات والبيبتيدات والأحماض النووية.
تحافظ على التركيب الجزيئي وتسمح بتحليل الخلطات المعقدة.
تتطلب عينة سائلة وقد لا تكون مناسبة للمركبات ذات القطبية المنخفضة.
التأين بواسطة الليزر بمساعدة مصفوفة (MALDI)
تمتص مصفوفة الطاقة من الليزر وتنقلها إلى المادة، مما يؤدي إلى التأين دون تفكك كبير.
تُستخدم للمركبات الكبيرة والبوليمرات.
تفكك ضئيل؛ فعالة للمركبات ذات الوزن الجزيئي العالي.
إعداد العينة قد يكون معقدًا؛ قد تحدث تداخلات من المصفوفة.
التأين بواسطة قصف الذرات السريعة (FAB) Fast Atom Bombardment
تتصادم ذرات سريعة مع العينة، مما يؤدي إلى التأين مع تفكك منخفض.
مناسبة للجزيئات الكبيرة والمركبات القطبية.
مفيدة للمركبات غير الطيارة.
تتطلب عينة سائلة؛ قد تكون أقل حساسية من الطرق الأخرى
العينات المناسبةلكل طريقة تأين
التأين بالرذاذ الإلكتروني (Electrospray Ionization - ESI): يُستخدم عادةً للعينات الكبيرة مثل البروتينات.
التحليل بالليزر (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization - MALDI): يُستخدم لتحليل الجزيئات الكبيرة مثل الببتيدات والبروتينات.
التأين الإلكتروني (Electron Impact Ionization - EI): مفيد في تحليل المركبات الصغيرة.
التحليل (Analysis):
يتم فصل الأيونات بناءً على نسبة الكتلة إلى الشحنة (m/z) في جهاز التحليل. هناك عدة أنواع من أجهزة التحليل، مثل:
مطياف الكتلة الزمني (Time-of-Flight - TOF): يقيس زمن سفر الأيونات.
المطياف الرباعي (Quadrupole): يستخدم لتصفية الأيونات بناءً على الكتلة.
المطياف التلقائي (Ion Trap): يُحتفظ بالأيونات لفترة معينة قبل تحليلها.
الكشف (Detection):
تُكتشف الأيونات المفصولة ويتم تحويلها إلى إشارة كهربائية. تُترجم هذه الإشارات إلى طيف كتلي يُظهر وفرة الأيونات حسب كتلتها.
التطبيقات
تُستخدم تقنية مطياف الكتلة في مجموعة متنوعة من المجالات، بما في ذلك:
الكيمياء : تحليل المركبات العضوية وغير العضوية لتحديد التركيب الكيميائي.
علم الأدوية: دراسة الأدوية والمستقلبات، بما في ذلك قياس الجرعات وتحديد الشوائب.
البيولوجيا: تحليل البروتينات والأحماض النووية، ودراسة التفاعلات البيولوجية.
التحليل البيئي: الكشف عن الملوثات في المياه والتربة.
مزايا تقنية مطياف الكتلة
حساسية عالية: يمكنها اكتشاف المركبات بكميات ضئيلة.
دقة في قياس الكتلة: توفر قياسات دقيقة للكتلة الجزيئية.
تحليل متعدد الاستخدامات: يمكن استخدامها لتحليل مجموعة واسعة من المركبات، بما في ذلك الجزيئات الكبيرة والصغيرة.
تفسير النتائج
الطيف الكتلي: يُظهر الطيف الكتلي الأيونات المكونة بناءً على نسبة الكتلة إلى الشحنة. يمكن أن تساعد القمم في تحديد المركبات من خلال قياس الكتلة الجزيئية.
التحليل النوعي: يُستخدم لتحديد هوية المركبات من خلال مقارنة البيانات مع قواعد بيانات معروفة.
التحليل الكمي: يمكن تقدير تركيز المركبات من خلال قياس مساحة القمم في الطيف.