تجزیه گر جرمی

   مهم ترین قسمت طیف سنج های جرمی، تجزیه گر جرمی (Mass analyzer) است که وظیفه اصلی آن جداسازی و تفکیک یون های تشکیل شده در منبع یونی براساس نسبت جرم به بار آنهاست. نوع تجزیه گر جرمی تعیین کننده قیمت این دستگاه ست. اگرچه اساس همه تجزیه گرهای جرمی جداسازی یون ها بر اساس m/z است اما بعضی از آنها بر اساس فاصله و فضا یون ها را جدا می کنند و بعضی دیگر بر اساس زمان. دقت شود که تمام تجزیه گر های جرمی نسبت جرم به بار را اندازه گیری می کنند نه جرم را.

   ویژگی عملکردی (performance characteristics) یک تجزیه گر جرمی با پارامترهای نظیر صحت، قدرت جداسازی، محدوده جرمی، قابلیت آنالیز متوالی (tandem analysis capabilities) و سرعت تعیین می شود. صحت توانایی تعیین درست m/z است و متاثر از قدرت جداسازی و پایداری تجزیه گر جرمی است. جداسازی، قدرت تجزیه گر جرمی در تمایز دو یون با با m/z متفاوت است.

در سال های اخیر تجزیه گرهای مدرنی طراحی و توسعه داده شده اند که ویژگی های عملکردی بسیار بهتری را ارائه کرده اند. انواع تجزیه گرهای متداول عبارتند از:

تجزیه گر چهارقطبی یا کوادروپل

  در یک تجزیه گر چهارقطبی یا کوادروپل (Quadrupoles)، یون ها بر اساس پایداری در مسیرهای خود در یک میدان الکتریکی نوسان کننده جداسازی می شوند. چهار قطبی یا کوادروپل از چهارمیله استوانه ای موازی با قطر حدود 6 میلی متر و طولی تقریبی 20 سانتی متر که در نقش الکترود عمل می کنند، تشکیل شده است. میله های روبرو قطری (شکل 1) به صورت الکتریکی به هم متصل اند. از یک منبع جریان مستقیم  DC برای اتصال یک جفت از میله های استوانه ای به قطب منفی و جفت دیگر به قطب مثبت استفاده می شود. بین هر جفت از میله ها یک ولتاژ جریان متناوب AC  به صورت 180 درجه خارج از فاز نیز اعمال می شود. پتانسیل DC ، دامنه و فرکانس AC، فاصله میله ها و مقدار m/z از عوامل تاثیرگذار در جداسازی یون ها هستند. اسکن کردن همزمان پتانسیل DC و AC، به طوری که نسبت آنها در کل زمان آنالیز ثابت بماند، سبب تغییر در مسیر یون ها می شود و در نتیجه جز یون های  با m/z  مشخص، بقیه به میله ها برخورد کرده، خنثی و حذف شوند. بنابراین از محدوده وسیعی از یون ها، یون های با m/z مشخص به آشکارساز می رسند.

 تجزیه گر چهارقطبی (کوادروپل) یکی از متداول ترین تجزیه گر های جرمی است که می تواند فشار های نسبتا بالا را تحمل کند، سرعت اسکن (پویش) در حد میلی ثانیه و در نتیجه زمان آنالیز کوتاهی دارد. قیمت نسبتا مناسبی دارد و محدوده m/z تا 4000 با قدرت جداسازی یک واحد را داراست. شکل 1 شمای کلی یک تجزیه گر چهارقطبی را نشان می دهد.

               

تجزیه گر جرمی قطاع مغناطیسی 

   تجزیه گر جرمی قطاع مغناطیسی (magnetic sector) اولین تجزیه گر مورد استفاده در طیف سنج های جرمی است که براساس سرعت یون ها در یک میدان مغناطیسی عمل می کند. اگر یون های با انرژی جنبشی یکسان وارد قطاع مغناطیسی شوند، یون های سنگین تر با سرعت کمتر و یون های سبک تر با سرعت بیشتری در میدان مغناطیسی حرکت می کنند.

یکی از محدودیت های این تجزیه گر جرمی، قدرت تفکیک پایین آن است. برای اصلاح این عیب در قطاع مغناطیسی تمرکز دوگانه (Double-Focusing Magnetic Sector) یون های تولید شده در منبع یونش ابتدا از یک میدان الکتریکی عبور می کنند. در حضور میدان الکتریکی یون ها بر اساس انرژی جنبشی جدا می شوند و بنابراین فقط یون های با انرژی جنبشی مشخص وارد قطاع مغناطیسی می شوند. این امر موجب افزایش تفکیک تا ده برابر می شود.

به علت اندازه بزرگ و مزایای بهتر و موفقیت بیشتر تجزیه گرهای نظیر چهار قطبی، زمان پرواز و تبدیل فوریه، استفاده از این تجزیه گر در دستگاه های مدرن امروزی چندان متداول نیست.

 تجزیه گر جرمی تله یونی

    تجزیه گر تله یونی  (Ion trap) از نظر مکانیسمی مشابه تجزیه گر چهارقطبی ست اما در اینجا یون ها به جای عبور کردن از میدان در آن گیر انداخته می شوند. تله یونی از دو الکترود نیمه حلقه ای و دو الکترود کلاهکی (cap electrode) تشکیل شده است. شکل 2 شمای کلی یک تجزیه گر تله یونی را نشان می دهد. اعمال یک پتانسیل متغیر با فرکانس رادیویی به الکترودهای نیمه حلقه ای، سبب چرخش و نوسان یون ها در جهت عمود به میدان اعمالی می شود. با فرض این که انرژی جنبشی همه یون های وارد شده به تله یونی یکسان است، شعاع چرخشی یون ها متفاوت است. با تغییر ولتاژ فرکانس رادیویی امکان خروج یون هایی با مقادیر مشخص m/z فراهم می شود. چون فرکانس نوسانی هر یون تابعی از جرم آن است، یون های با مقادیر m/z متفاوت تله یونی را در ولتاژهای مختلف و زمان های متفاوت ترک می کنند. یون های سبک سریع تر و یون های سنگین دیرتر از طریق شکاف های موجود خارج شده و وارد آشکارساز می شوند.

 

تجزیه گر جرمی تله یونی ساده، ارزان و سازگار با روش کروماتوگرافی ست اما محدوده جرمی کم ( 1000-500 دالتون) و تفکیک پذیری کمتری نسبت به تجزیه گر جرمی چهارقطبی دارد.

تجزیه گر جرمی زمان پرواز 

   در تجزیه گر جرمی زمان پرواز (Time of flight) یا TOF ، یون های حاصله از منابع یونش پالسی مانند MALDI در یک میدان قوی الکتریکی شتاب داده می شوند و سپس یون های شتاب دار وارد یک لوله بدون میدان الکتریکی می شوند که طول آن یک متر است. با فرض این که تمام یون های وارد شده به این لوله انرژی جنبشی یکسانی داشته باشند، سرعت حرکت آنها نسبت معکوس با جرم یون ها دارد. در واقع یون های با جرم متفاوت مسافت یکسان را در زمان های متفاوت طی می کنند. بنابراین ذرات سبک تر سرعت بیشتر داشته و زودتر به آشکارساز می رسند و ذرات سنگین تر کندتر بوده و دیرتر به آشکارساز می رسند.

   از آنجایی که زمان پرواز یون ها بسیار کوتاه و در حد 30-1 میکروثانیه است، آشکارساز باید زمان پاسخ بسیار سریعی داشته باشد. هرچه مسیر پرواز طولانی تر باشد قدرت تفکیک این تجزیه گر بیشتر خواهد بود به همین علت در بعضی از انواع تجاری طول لوله را چندین متر در نظر می گیرند. در دستگا های مدرن معمولا یک آینه منعکس کننده یون (Ion reflector) در انتهای لوله قرار می دهند تا با رفت و برگشت یون  طول مسیر آن را افزایش داده تا تفکیک افزایش یابد. تغییر در انرژی جنبشی یون ها سبب پهن شدن پیک و کاهش قدرت جداسازی می شود.

   تجزیه گر جرمی زمان پرواز قدرت جداسازی و تکرارپذیری کمتری از تجریه گر جرمی چهارقطبی و قطاع مغناطیسی دارد اما به دلیل سادگی، گستره جرمی نامحدود، مقاومت بالا و سهولت اتصال به منابع یونش مختلف هنوز مورد توجه است.  

تجزیه گر جرمی تبدیل فوریه 

   تجزیه گر جرمی تبدیل فوریه (Fourier transform) که به آن (Ion Cyclotron Resonance -ICR) نیز گفته می شود بر اساس پایش (monitoring) نوسان یک ذره باردار در یک میدان مغناطیسی استوار است. ابتدا یون ها به سمت تله یونی شتاب داده می شوند که در داخل تله براثر اعمال میدان مغناطیسی شروع به نوسان می کنند. وقتی یون ها در میدان مغناطیسی نوسان می کنند یک فرکانس رادیویی پالسی برای تهییج یون ها به کار می رود که سبب می شود تمام یون ها انرژی کسب کرده به مدار بالاتر بروند و در زمان کوتاهی به مدار اولیه برگردند. بنابراین بر اثر این تهییج یون های در حال نوسان یک جریان در مدار خارجی مشاهده می شود که در مدت مشخصی به صفر می رسد و این سیگنال یک سیگنال در حیطه زمان (time domain) است که سپس با روش تبدیل فوریه به سیگنال در حیطه فرکانس تبدیل می شود.

   یک مزیت عمده تجزیه گر جرمی تبدیل فوریه، تقویت سیگنال به نویز و افزایش حساسیت می باشد. قدرت جداسازی و دقت این تجزیه گر بسیار عالی ست ولی مشکل عمده قیمت بسیار بالای آن است که دسترسی به آن را برای بساری از آزمایشگاه ها محدود می کند.

تجزیه گر جرمی اوربی‌ترپ

همان طور که قبلا گفته شد هرچه قدرت میدان مغناطیسی بالاتر باشد صحت و قدرت جداسازی  طیف سنج جرمی نیز بالاتر خواهد بود، هم چنان که در طیف سنج جرمی  تبدیل فوریه و قطاع مغناطیسی تمرکز دوگانه مشاهده می شود. اما هزینه های نگهداری و اندازه  بزرگ آهن رباها امکان آستفاده آنها در هر آزمایشگاهی را محدود می کند. در سال های اخیر یک رقیب جدید به نام Orbitrap برای حذف مگنت های بزرگ (آهن ربا) با بهره گیری از میدان های الکتریکی ارائه شده است.

   تجزیه گر جرمی اوربی‌ترپ در واقع یک تجزیه گر جرمی از نوع تله یونی ست که از یک الکترود بیرونی بشکه مانند (barrel-like) و یک الکترود درونی دوکی شکل (spindle-like) نازک و هم راستا با هم تشکیل شده است. شکل 3 موقعیت و شکل دو الکترود در اوربی ترپ را نشان می دهد.

   به علت ژئومتری و شکل خاص الکترودها یک توزیع میدان لگاریتمی در اطراف آن شکل می گیرد که سبب می شود یون ها در اطراف الکترود مرکزی حرکت دورانی داشته باشند. این حرکت دورانی در کنار حرکات نوسانی یون ها منجر به یک حرکت مارپیچی پیچیده ای می شود که می توان آن را مشابه حرکت سیارات به دور خورشید در نظر گرفت. میدان الکتریکی الکترود مرکزی مشابه کشش گرانشی خورشید است. فرکانس حرکت یون به فرکانس چرخش حول الکترود مرکزی فرکانس نوسانات شعاعی و فرکانس نوسانات محوری بستگی دارد. فرکانس نوسانات محوری متناسب با m/z ذرات یونی است. یون ها تحت یک میدان الکتریکی خاص در محور طولی به دام انداخته می شوند. یون های دارای m/z یکسان وقتی وارد تله یونی می شوند فرکانس نوسانات محوری یکسانی در بازه های زمانی/مکانی دارند. جریان حاصل از این نوسان توسط یک تبدیل فوریه برای تبدیل سیگنال در حیطه زمان به حیطه m/z ثبت می شود.

این دستگاه های طیف سنج جرمی با تجزیه گر جرمی اوربی ترپ قدرت تفکیک بسیار بالایی دارد و حساسیتی در حد فمتومول دارد.