پایگاه علمی سعید سان دانلود رایگان مقالات علمی کنفرانس و ژورنال
طيف سنج جرمي
اصول طیف سنجی جرمی ، جلوتر از هر یک از تکنیکهای دستگاهی دیگر ، بنا نهاده شده است. تاریخ پایه گذاری اصول اساسی آن به سال 1898 بر می‌گردد. در سال 1911 ، “تامسون” برای تشریح وجود نئون-22 در نمونه‌ای از نئون-20 از طیف جرمی استفاده نمود و ثابت کرد که عناصر می‌توانند ایزوتوپ داشته باشند.
تاريخچه
اصول طيف سنجي جرمي ، جلوتر از هر يك از تكنيكهاي دستگاهي ديگر ، بنا نهاده شده است. تاريخ پايه گذاري اصول اساسي آن به سال 1898 بر مي‌گردد. در سال 1911 ، “تامسون” براي تشريح وجود نئون-22 در نمونه‌اي از نئون-20 از طيف جرمي استفاده نمود و ثابت كرد كه عناصر مي‌توانند ايزوتوپ داشته باشند. تا جايي كه مي‌دانيم، قديميترين طيف سنج جرمي در سال 1918 ساخته شد.
اما روش طيف سنجي جرمي تا همين اواخر كه دستگاههاي دقيق ارزاني در دسترس قرار گرفتند، هنوز مورد استفاده چنداني نداشت. اين تكنيك با پيدايش دستگاههاي تجاري كه بسادگي تعمير و نگهداري مي‌شوند و با توجه به مناسب بودن قيمت آنها براي بيشتر آزمايشگاههاي صنعتي و آموزشي و نيز بالا بودن قدرت تجزيه و تفكيك ، در مطالعه تعيين ساختمان تركيبات از اهميت بسياري برخوردار گشته است.
اصول طيف سنجي جرمي
به بيان ساده ، طيف سنج جرمي سه عمل اساسي را انجام مي‌دهد:
مولكولها توسط جراياناتي از الكترونهاي پرانرژي بمباران شده و بعضي از مولكولها به يونهاي مربوطه تبديل مي‌گردند. سپس يونها در يك ميدان الكتريكي شتاب داده مي‌شوند.
يونهاي شتاب داده شده بسته به نسبت بار/جرم آنها در يك ميدان مغناطيسي يا الكتريكي جدا مي‌گردند.
يونهاي داراي نسبت بار/جرم مشخص و معين توسط بخشي از دستگاه كه در اثر برخورد يونها به آن ، قادر به شمارش آنها است، آشكار مي‌گردند. نتايج داده شده خروجي توسط آشكار كننده بزرگ شده و به ثبات داده مي‌شوند. علامت يا نقشي كه از ثبات حاصل مي‌گردد يك طيف جرمي است، نموداري از تعداد ذرات آشكار شده بر حسب تابعي از نسبت بار/جرم.
دستگاه طيف سنج جرمي
هنگامي كه هر يك از عمليات را بدقت مورد بررسي قرار دهيم، خواهيم ديد كه طيف سنج جرمي واقعا پيچيده‌تر از آن چيزي است كه در بالا شرح داده شد.
سيستم ورودي نمونه
قبل از تشكيل يونها بايد راهي پيدا كرد تا بتوان جرياني از مولكولها را به محفظه يونيزاسيون كه عمل يونيزه شدن در آن انجام مي‌گيرد، روانه ساخت. يك سيستم ورودي نمونه براي ايجاد چنين جرياني از مولكولها بكار برده مي‌شود. نمونه‌هايي كه با طيف سنجي جرمي مورد مطالعه قرار مي‌گيرند، مي‌توانند به حالت گاز ، مايع يا جامد باشند. در اين روش بايد از وسايلي استفاده كرد تا مقدار كافي از نمونه را به حالت بخار در آورده ، سپس جرياني از مولكولها روانه محفظه يونيزاسيون شوند.
در مورد گازها ، ماده ، خود به حالت بخار وجود دارد. پس ، از سيستم ورودي ساده‌اي مي‌توان استفاده كرد. اين سيستم تحت خلاء بوده، بطوري كه محفظه يونيزاسيون در فشاري پايينتر از سيستم ورودي نمونه قرار دارد.
روزنه مولكولي
نمونه به انبار بزرگتري رفته كه از آن ، مولكولهاي بخار به محفظه يونيزاسيون مي‌روند. براي اطمينان از اينكه جريان يكنواختي از مولكولها به محفظه يونيزاسيون وارد مي‌شود، قبل از ورود ، بخار از ميان سوراخ كوچكي كه “روزنه مولكولي” خوانده مي‌شود، عبور مي‌كند. همين سيستم براي مايعات و جامدات فرار نيز بكار برده مي‌شود. براي مواد با فراريت كم ، مي‌توان سيستم را به گونه‌اي طراحي كرد كه در يك اجاق يا تنور قرار گيرد تا در اثر گرم كردن نمونه ، فشار بخار بيشتري حاصل گردد. بايد مراقب بود كه حرارت زياد باعث تخريب ماده نگردد.
در مورد مواد جامد نسبتا غير فرار ، روش مستقيمي را مي‌توان بكار برد. نمونه در نوك ميله‌اي قرار داده مي‌شود و سپس از يك شير خلاء ، وارد محفظه يونيزاسيون مي‌گردد. نمونه در فاصله بسيار نزديكي از پرتو يونيزه كننده الكترونها قرار مي‌گيرد. سپس آن ميله ، گرم شده و توليد بخاري از نمونه را كرده تا در مجاورت پرتو الكترونها بيرون رانده شوند. چنين سيستمي را مي‌توان براي مطالعه نمونه‌اي از مولكولهايي كه فشار بخار آنها در درجه حرارت اتاق كمتر از 9 – 10 ميليمتر جيوه است، بكار برد.
محفظه يونيزاسيون
هنگامي كه جريان مولكولهاي نمونه وارد محفظه يونيزاسيون گشت ، توسط پرتوي از الكترونهاي پرانرژي بمباران مي‌شود. در اين فرآيند ، مولكولها به يونهاي مربوطه تبديل گشته و سپس در يك ميدان الكتريكي شتاب داده مي‌شوند. در محفظه يونيزاسيون پرتو الكترونهاي پرانرژي از يك “سيم باريك” گرم شده ساطع مي‌شوند. اين سيم باريك تا چند هزار درجه سلسيوس گرم مي‌شود. به هنگام كار در شرايطي معمولي ، الكترونها داراي انرژي معادل 70 ميكرون – ولت هستند.
اين الكترونهاي پرانرژي با مولكولهايي كه از سيستم نمونه وارد شده‌اند، برخورد كرده و با برداشتن الكترون از آن مولكولها ، آنها را يونيزه كرده و به يونهاي مثبت تبديل مي‌كنند. يك “صفحه دافع” كه پتانسيل الكتريكي مثبتي دارد، يونهاي جديد را به طرف دسته‌اي از “صفحات شتاب دهنده” هدايت مي‌كند. اختلاف پتانسيل زيادي (حدود 1 تا 10 كيلو ولت) از اين صفحات شتاب دهنده عبور داده مي‌شود كه اين عمل ، پرتوي از يونهاي مثبت سريع را توليد مي‌كند. اين يونها توسط يك يا چند “شكاف متمركز كننده” به طرف يك پرتو يكنواخت هدايت مي‌شوند.
بسياري از مولكولهاي نمونه به هيچ وجه يونيزه نمي‌شوند. اين مولكولها بطور مداوم توسط مكنده‌ها يا پمپهاي خلا كه به محفظه يونيزاسيون متصل نيستند، خارج مي‌گردند. بعضي از اين مولكولها از طريق جذب الكترون به يونهاي منفي تبديل مي‌شوند. اين يونهاي منفي توسط صفحه دافع جذب مي‌گردند. ممكن است كه بخش كوچكي از يونهاي تشكيل شده بيش از يك بار داشته باشند، (از دست دادن بيش از يك الكترون) اينها مانند يونهاي مثبت تك ظرفيتي ، شتاب داده مي‌شوند.
پتانسيل يونيزاسيون
انرژي لازم براي برداشتن يك الكترون از يك اتم يا مولكول ، پتانسيل يونيزاسيون آن است. بسياري از تركيبات آلي داراي پتانسيل يونيزاسيوني بين 8 تا 15 الكترون ولت هستند. اما اگر پرتو الكترونهايي كه به مولكولها برخورد مي‌كند، پتانسيلي معادل 50 تا 70 الكترون ولت نداشته باشد، قادر به ايجاد يونهاي زيادي نخواهد بود. براي ايجاد يك طيف جرمي ، الكترونهايي با اين ميزان انرژي براي يونيزه كردن نمونه بكار برده مي‌شوند.
تجزيه گر جرمي
پس از گذر كردن از محفظه يونيزاسيون ، پرتو يونها از درون يك ناحيه كوتاه فاقد ميدان عبور مي‌كند. سپس آن پرتو ، وارد “تجزيه گر جرمي” شده كه در آنجا ، يونها بر حسب نسبت بار/جرم آنها جدا مي‌شوند. انرژي جنبشي يك يون شتاب داده شده برابر است با:
12mv2=ev
كه m جرم يون ، v سرعت يون ، e بار يون و V اختلاف پتانسيل صفحات شتاب دهنده يون است.
در حضور يك ميدان مغناطيسي ، يك ذره باردار مسير منحني شكلي را خواهد داشت. معادله‌اي كه شعاع اين مسير منحني شكل را نشان مي‌دهد به صورت زير است:
(r =MV)/eH
كه r شعاع انحناي مسير و H قدرت ميدان مغناطيسي است.
اگر اين دو معادله را براي حذف عبارت سرعت تركيب كنيم، خواهيم داشت:
اين معادله مهمي است كه رفتار و عمل يك يون را در بخش تجزيه‌گر جرمي يك طيف سنج جرمي توجيه مي‌كند.
طيف سنج جرمي
تجزيه گر جرمي و قدرت تفكيك
از معادله فوق چنين بر مي‌آيد كه هر قدر ، مقدار m/e بزرگتر باشد، شعاع انحناي مسير نيز بزرگتر خواهد بود. لوله تجزيه‌گر دستگاه طوري ساخته شده است كه داراي شعاع انحناي ثابتي است. ذره‌اي كه نسبت m/e صحيحي داشته باشد، قادر خواهد بود تا طول لوله تجزيه‌گر منحني شكل را طي كرده ، به آشكار كننده نمي‌رسند. مسلما اگر دستگاه ، يونهايي را كه جرم بخصوصي دارند، نشان دهد. اين روش چندان جالب نخواهد بود.
بنابراين بطور مداوم ، ولتاژ شتاب دهنده يا قدرت ميدان مغناطيسي تغيير يافته تا بتوان كليه يونهايي كه در محفظه يونيزاسيون توليد گشته‌اند را آشكار ساخت. اثري كه از آشكار كننده حاصل مي‌گردد، بصورت طرحي است كه تعداد يونها را بر حسب مقدار m/e آنها رسم مي‌كند. فاكتور مهمي كه بايد در يك طيف سنج جرمي در نظر گرفتن قدرت تفكيك آن است. قدرت تفكيك بر طبق رابطه زير تعريف مي‌شود:
(R=M)/M
كه R قدرت تفكيك ، M جرم ذره و M∆ اختلاف جرم بين يك ذره با جرم M و ذره بعدي با جرم بيشتر است كه مي‌تواند توسط دستگاه تفكيك گردد. دستگاههايي كه قدرت تفكيك ضعيفي دارند، مقدار R آنها حداكثر 2000 در بعضي مواقع قدرت تفكيكي به ميزان پنج تا ده برابر مقدار فوق مورد نياز است.
آشكار كننده
آشكار كننده بسياري از دستگاهها ، شامل يك شمارشگر است كه جريان توليدي آن متناسب با تعداد يونهايي است كه به آن برخورد مي‌كند. با استفاده از مدارهاي الكترون افزاينده مي‌توان آن قدر دقيق اين جريان را اندازه گرفت كه جريان حاصل از برخورد فقط يك يون به آشكار كننده اندازه گيري شود.
ثبات آشكار كننده
سيگنال توليد شده از آشكار كننده به يك ثبات داده مي‌شود كه اين ثبات خود طيف جرمي را ايجاد مي‌نمايد. در دستگاههاي جديد ، خروجي آشكار كننده از طريق يك سطح مشترك به رايانه متصل است. رايانه قادر به ذخيره اطلاعات بوده و خروجي را به هر دو صورت جدولي و گرافيكي در مي‌آورد. دست آخر داده‌ها با طيفهاي استاندارد ذخيره شده موجود در رايانه مقايسه مي‌گردد.
در دستگاهها قديميتر ، جريان الكتروني حاصل از آشكار كننده به يك سري از پنج گالوانومتر با حساسيتهاي متفاوت داده مي‌شود. پرتو نوري كه به آينه‌هاي متصل به گالوانومترها برخورد مي‌كند و به يك صفحه حساس به نور منعكس مي‌گردد. بدين طريق يك طيف جرمي با پنج نقش بطور همزمان ، هر يك با حساسيتي متفاوت ايجاد مي‌گردد. در حالي كه هنوز دستگاه قويترين قله‌ها را در صفحه طيف نگاه مي‌دارد، با استفاده از اين پنج نقش ثبت ضعيفترين قله‌ها نيز ممكن مي‌گردد.