ما در این مقاله میخواهیم به فرایندی که نمونه داخل دستگاه GC-MS طی میکند، بپردازیم. اما در نظر داشته باشید که این مطلب، تاکیدش بر روی قسمت MS است. بنابراین برای آشنایی با بخش GC، ابتدا مقالهی «GC چیست؟» را مطالعه نمایید و سپس برای ادامهی مطالعهی این مطلب بازگردید. در مقالهی پیشنهادی، به صورت خیلی ساده و ابتدایی، تمام اتفاقاتی که داخل بخش GC میافتد، شرح داده شده است.
در پاسخ به این سوال که GC-MS چیست، باید بگوییم که این دستگاه، تشکیلشده از دو تکنیک متفاوت تجزیه است؛ Gas Chromatography و Mass Spectrometry. این دو دستگاه به صورت متوالی به هم وصل میشوند و خروجی کروماتوگرافی گازی وارد دستگاه MS میشود. GC یک تکنیک جداسازی است که برای تفکیک اجزای شیمیایی مخلوط نمونه به کار میرود و سپس آنها را برای تعیین حضور یا عدم حضور و یا میزان آنها شناسایی میکند. آشکارسازهای رایج GC به لحاظ ارائهی اطلاعات محدودند. همچنین این اطلاعات (آشکارسازهای GC) معمولا دوبعدی هستند که محور افقی آن نشاندهندهی Retention Time (زمان بازداری) و محور عمودی آن نشاندهندهی Intensity است. شناسایی در GC بر اساس مقایسهی Retention Time قلهها در یک نمونه با موارد استاندارد با ترکیبات شناخته شده است که با استفاده از روش یکسانی آنالیز شدهاند.
این مطلب را در نظر داشته باشید که نام این دستگاه به حالتهای مختلف نوشته میشود و این موضوع نباید موجب آشفتگی ذهن شود. در صورت مواجهه با عناوین gcms، gc mass یا کروماتوگرافی گازی طیف سنجی جرمی، بدانید که اینها همه اشاره به همین دستگاه دارند.
در نظر داشته باشید که GC را نمیتوان به تنهایی برای شناسایی مواد مجهول به کار برد و در اینجا اتصال به یک MS گزینهی بسیار خوبی است. MS را میتوان به تنهایی به عنوان یک آشکارساز مورد استفاده قرار داد یا میتوان مواد خروجی ستون را بین آشکارساز MS و GC تقسیم کرد.
MS یک تکنیک تجزیه است که نسبت جرم به بار (m/z) ذرات باردار را اندازهگیری میکند. بنابراین میتوان آن را برای تعیین وزن مولکولی و ترکیبات عنصری و همچنین تشریح ساختارهای شیمیایی مولکولها به کار برد. دادههای حاصل از یک GC-MS سهبعدی است؛ یعنی ارائهی طیفهای جرمی که برای تایید هویت کاربرد دارد یا شناسایی ترکیبات مجهول به اضافهی کروماتوگرام که برای تحلیل کیفی و کمی استفاده میشود.
یک دستگاه GC-MS چگونه کار میکند؟
مخلوط نمونه قبل از انتقال مولکولهای آنالیت به MS برای آشکارسازی، ابتدا به وسیله GC تفکیک میشود. همانطور که در بخش اول تصویر شمارهی 1 مشاهده میکنید، آنها توسط گاز حامل منتقل میگردند که این گاز به طور پیوسته در GC و درون MS که توسط سیستم خلا تخلیه میشود جریان دارد. در ادامه به طور مشخص در مورد ساز و کار دستگاه GC-MS صحبت میکنیم. ضمنا برای مشاهدهی موجودی و خرید دستگاه GC میتوانید کلیک کنید.
- ابتدا نمونه به طور دستی یا با یک اتوسمپلر (Autosampler) وارد GC میشود (تصویر شمارهی 1 بخش دوم) و از طریق ورودی GC وارد گاز حامل میگردد (تصویر شمارهی 1 بخش سوم). اگر نمونه به شکل مایع باشد، در ورودی گرم GC ابتدا تبخیر شده و سپس بخار حاصلشده به ستون تجزیه انتقال مییابد (تصویر شمارهی 1 بخش چهار).
- اجزای نمونه یعنی آنالیتها به واسطهی تفاوت در بخشبندی بین فاز متحرک (گاز حامل) و فاز ساکن مایع (درون ستون) یا در گازهای فرارتر به دلیل جذب آنها توسط یک فاز ساکن جامد تفکیک میشوند. در آنالیزهای GC-MS رایجترین وضعیت، یک فاز ساکن مایع درون یک ستون باریک (قطر داخلی 1-0.25 mm) و کوتاه (طول 10-30 m) است. (برای خرید ستون GC کلیک کنید.)
- پس از تفکیک، تمامی مولکولهای خنثی از طریق یک خط انتقال گرم (تصویر شمارهی 1 بخش پنج) به درون طیفسنج جرمی منتقل میشوند. در نظر داشته باشید که برای آنالیزهای GC-MS به رزولوشن کل مبنا نیاز نیست، مگر این که آنالیتها ایزومر باشند،
- داخل طیفسنج جرمی، معمولا ابتدا مولکولهای خنثی به وسیلهی یونش الکترونی (EI) یونیزه میشوند. در EI یک الکترون که به وسیلهی یک فیلامان تولید شده، با 70 الکترونولت (eV) شتاب میگیرد و به یک الکترون خارج از مولکول برخورد میکند تا یک یون مولکولی بسازد؛ در نتیجهی این برخورد یک کاتیون رادیکال تولید میشود. این یونش پرانرژی میتواند به یون مولکولی ناپایداری منجر گردد و انرژی اضافی میتواند در فرایند خردایش تلف شود. شکست پیوند به ازدسترفتن یک مولکول رادیکال یا خنثی میانجامد و بازآراییهای مولکولی نیز میتوانند رخ دهند. همهی اینها به تعدادی یون با جرمهای متفاوت منجر میشود که گاهی تعداد زیادی دارند و سنگینترین آنها یون مولکولی با قطعه یونهایی با جرمهای متفاوت کمتر است که به موارد زیر بستگی دارد:
- فرمول مولکولی
- ساختار مولکولی آنالیت
- مکان وقوع شکست پیوند.
- قطعهای که بار را حفظ میکند.
- گام بعدی، تفکیک یونها با جرمهای متفاوت است که بر اساس m/z آنها توسط تجزیهکنندهی جرمی حاصل میشود. (تصویر شمارهی 1 بخش هشت)
انواع مختلف و زیادی از تجزیهکنندههای جرمی وجود دارد و تفاوتهای گسترده آنها در رزولوشن جرمی (و بنابراین قیمت دستگاه) است. روزلوشن جرمی قابلیت تجزیهکنندهی جرمی در تفکیک یونها با تفاوتهای بسیار اندک در m/z است. دستگاههای رزولوشن جرمی واحد تنها میتوانند جرمهای اسمی یا یک رقم اعشار را تفکیک کنند؛ در حالی که دستگاههای رزولوشن جرمی بالا (HRMS) قادرند یونها را تا چهار یا پنج رقم اعشار تفکیک نمایند.
رایجترین نوع دستگاه جرمی واحد، کوادراپل (Quadrupole) است که در حقیقت یک دستگاه اسکن بوده و ولتاژ را تغییر میدهد تا فقط یونهایی با یک m/z معین یک مسیر پایدار را میان چهار قطب طی کنند تا به آشکارساز یون برسند. دستگاههای Quadrupole در دو حالت عملیاتی مختلف به کار میروند:- حالت اسکن کامل که همهی یونها در یک بازهی جرمی قرار میگیرند و برای شناسایی ذرات مجهول، توسعهی روش و تحلیل کیفی و کمی آنالیتهای با غلظت بالاتر مفید است.
- حالت پایش یون گزینشی (SIM) که تنها یونهای منتخب که نشانگر ترکیب هدف هستند تعیین میشوند و برای تجزیهی مقادیر جزئی مفید هستند؛ زیرا حساسیت بالاتری به دست میآید البته فقط در آنالیتهای هدف.
Ion Trap (دام یونی) نیز یک دستگاه اسکن سهبعدی است و یونها را قبل از تزریق آنها برای رسیدن به آشکارساز یون، در مدارهای وابسته به جرم به دام میاندازد.
تجزیهکنندههای جرمی TOF (Time-of-Flight در فارسی زمان پرواز)، یونها را بر اساس زمانی که طول میکشد تا لوله را برای رسیدن به آشکارساز یون طی کنند تفکیک میکنند. با وجود انرژی جنبشی یکسان، یونهایی که جرم کمتری دارند، از سرعت بیشتری برخوردارند؛ در نتیجه زودتر میرسند. در حالی که یونهای دارای جرم بیشتر، سرعت کمتری داشته و دیرتر میرسند. دستگاههای ToFMS بازه رزولوشن جرم و نرخ دادهیابی گستردهای دارند؛ ToFهای بسیار سریع با نرخ دادهیابی تا 1000 طیف در ثانیه، دارای رزولوشن جرمی واحد هستند، در حالی که HRMS ToF نرخ دادهیابی کمتری دارد. نرخ دادهیابی بالا برای کاربردهای GC دوبعدی (GC x GC) با پهنای قله تا 30 ms مناسب است؛ اما HRMS برای تعیین فرمول مولکولی بسیار مفید است. بنابراین ToFهایی در بازار وجود دارند که دارای سرعت و رزولوشن جرمی مختلفی هستند و انتخاب آنها به کاربردشان بستگی دارد. اما پهنای قله GC باید با قابلیتهای نرخ دادهبرداری MS مطابقت داشته باشد.
دستگاههای HRMS دیگری که به GC متصل میشوند، متشکلند از تجزیهکنندهی جرمی بخش مغناطیسی که مسیرهای یونها را با استفاده از میدانهای الکتریکی و مغناطیسی خم میکنند تا تفکیک شوند. دستگاههای GC-MS بخش مغناطیسی در آنالیزهای نسبت ایزوتوپی رایجترند.
در HRMS Orbitrap یونها حول یک دوک مرکزی میچرخند و فرکانسی که با آن به بالا و پایین دوک مرکزی حرکت میکنند، وابسته به m/z است. - پس از تفکیک یونها به وسیلهی تجزیهکنندهی جرمی بر اساس m/z، آنها به آشکارساز یون میرسند (تصویر شمارهی 1 بخش نه) که سیگنال آن به وسیلهی یک تقویتکنندهی الکترون (برای اغلب MSها با رزولوشن پایین) یا یک صفحه چندکاناله (برای اغلب دستگاههای HRMS) تقویت میشود. این سیگنال توسط نرمافزار دادهیابی روی یک رایانه ثبت میگردد (تصویر شمارهی 1 بخش ده) تا یک کروماتوگرام و یک طیف جرمی برای هر نقطه داده تولید شود.
شرکت صدراپژوهش سالهاست که در زمینهی تعمیر تجهیزات کروماتوگرافی فعالیت دارد. در صورت نیاز به استفاده از خدمات پشتیبانی فنی یا تعمیر GC کلیک کنید.
تاریخچهی مختصری از توسعهی GC-MS
دههی 1950 – توسعهی اولیه
- در اوایل دههی 1950، کروماتوگرافی گازی (GC) توسطT.James و A.J.P.Martin توسعه یافت و امکان جداسازی ترکیبات فرار را فراهم کرد.
- در سال 1957، رولاند گولکه و فرد مک لافرتی، اولین (GC-MS) را در شرکت شیمیایی داو (Dow Chemical Company) ساختند. این GC-MS اولیه از یک ستون مویرگی شیشهای و یک طیفسنج جرمی Quadrupole استفاده میکرد.
دههی 1960 – پیشرفتها و پذیرش
- در طول دههی 1960، فناوری GC-MS شاهد پیشرفتهای قابل توجهی بود و گروههای تحقیقاتی مختلف تکنیک های جدید را توسعه دادند و ابزار دقیق را بهبود بخشیدند.
- GC-MS در این دهه شروع به یافتن کاربردهایی در شیمی، علوم محیطی و پزشکی قانونی کرد.
دهه 1970 – تجاری سازی و گسترش
- دههی 1970 دستگاههای GC-MS توسط چندین شرکت تجاریسازی شد و این فناوری را به طور گسترده در دسترس همگان قرار داد.
- در سال 1973، Finnigan Corporation (در حال حاضر Thermo Fisher Scientific) اولین سیستم تجاری کوادراپل GC-MS را معرفی کرد.
- GC-MS به یک ابزار ضروری در شیمی تجزیه تبدیل شد و امکان تجزیه و تحلیل مخلوطهای پیچیده را با حساسیت و گزینشپذیری بالا فراهم کرد.
دهه 1980 – نوآوریهای تکنولوژیکی
- دههی 1980 پیشرفتهای تکنولوژیکی قابل توجهی را برای GC-MS به ارمغان آورد؛ از جمله معرفی تکنیکهای یونیزاسیون الکترون (EI) و یونیزاسیون شیمیایی (CI).
- این نوآوریها، قابلیتهای GC-MS را گسترش دادند و آن را برای طیف گستردهای از برنامههای متنوعتر، آماده کردند.
- شروع به استفاده از GC-MS در زمینههای جدید مانند آزمایش دارو، تجزیه و تحلیل محیطی و ایمنی مواد غذایی شد.
دههی 1990 – اصلاح بیشتر و گسترش کاربرد
- در دههی 1990، GC-MS با پیشرفت در نرمافزار، سختافزار و تکنیکهای تجزیه و تحلیل دادهها به تکامل خود ادامه داد.
- کاربردهای آن در زمینههایی مانند متابولومیک، پروتئومیکس و نظارت بر محیط گسترش بیشتری یافت.
- GC-MS به ابزاری ضروری در آزمایشگاههای تحقیقاتی، کنترل کیفیت و سازمانهای نظارتی در سراسر جهان تبدیل شد.
کلام آخر
در این مطلب ابتدا به این موضوع پرداختیم که «GC MASS چیست؟». پس از آن، به طور کامل ساز و کار کروماتوگرافی گازی طیف سنجی جرمی را بررسی کردیم و در نهایت تاریخچهی مختصری از این دستگاه را مطالعه کردیم. دستگاه GC MASS امروزه کاربردهای گستردهای در صنایع مختلف دارد و دانستن ساز و کار آن برای تمامی فعالین این صنایع ضروری است.
در صورتی که مطالعهی این مطلب برای شما مفید بود، باعث خوشحالی ماست که نظراتتان را در پایین این صفحه مشاهده کنیم. به طور قطع نظرات شما باعث ارتقای این مطلب خواهد شد. تیم فنی و علمی صدراپژوهش به سرعت به تمامی نظرات پاسخ خواهند داد.
