What are the three main components of a mass spectrometer?

A mass spectrometer consists of an ionization source, a mass analyzer, and a detector. The ionization source converts sample compounds into gas phase ions, usually with a single positive charge. The mass analyzer separates ions based on their mass-to-charge ratio, and the detector measures the relative abundance of each ion type to generate the mass spectrum.

How do hard and soft ionization techniques differ in mass spectrometry?

Hard ionization techniques cause extensive fragmentation, producing many fragments of lower mass that aid in determining molecular structure. Soft ionization techniques result in little or almost no fragmentation, preserving high molecular mass ions. The choice depends on the analyte and desired fragmentation level, as excessive fragmentation can lose structural information while insufficient ionization may fail to detect small molecules.

What is the function of a magnetic sector in a mass analyzer?

A magnetic sector uses a curved magnet to produce a homogeneous magnetic field that separates ions based on their mass-to-charge ratio. Ions travel in a circular path determined by accelerating voltage, magnetic field strength, and m/z ratio. By scanning the magnetic field, specific ions reach the detector at different times, enabling precise identification of each species.

How does a quadrupole mass filter separate ions?

A quadrupole consists of two pairs of parallel metal rods with alternating direct current voltages that keep the rod pairs out of phase. Ions travel through the center in a corkscrew-like path due to constant attraction and repulsion from the rods. Depending on mass-to-charge ratio, ions either traverse the full path to reach the detector or crash into the rods and are lost.

What role does inductively coupled plasma play in mass spectrometry analysis?

Inductively coupled plasma (ICP) is a hard ionization method using argon plasma at approximately 10,000°C to ionize sample molecules. The plasma dries aerosol droplets, dissociates molecules, and removes electrons from components for detection. ICP-MS is commonly used to detect and quantify metal elements in samples, such as iron in nanoparticles, with calibration curves principles and applications guiding quantitative analysis.

Why is sample preparation important before ICP-MS analysis?

Sample preparation removes contaminating trace elements and ensures proper sample digestion. Samples are treated with hydrochloric acid to remove iron contamination, then digested in concentrated nitric acid overnight. The digested sample is diluted to achieve ideal parts-per-billion concentration range and centrifuged to remove residues, ensuring accurate detection and quantification of target elements.

What are common applications of different mass spectrometry ionization methods?

Matrix-assisted laser desorption ionization time-of-flight (MALDI-TOF) is a soft ionization technique used to analyze high molecular weight proteins by stabilizing molecules with a matrix. Electron ionization is a hard ionization technique for analyzing volatile and oxidation-sensitive compounds. Synchrotron radiation coupled with molecular beam mass spectrometry selectively ionizes gas phase molecules to explore their electronic structure.

مقدمة في قياس الطيف الكتلي

0 مشاهدة13:45 دقيقة

< p class = "jove_title" >1. تنظيف أنابيب البولي كربونات

استخدم أنابيب البولي كربونات المقاومة للمحاليل الحمضية لهضم العينات. من أجل إزالة أي أثر ملوث للحديد ، املأ جميع الأنابيب ب 5 مل من 0.1 M HCl.
ضع الأنابيب في حمام مائي لمدة 1 ساعة عند 50 درجة مئوية.
اغسل الأنابيب ب 5 مل من ماء Milli-Q وجفف الأنابيب في فرن أو غطاء كيميائي.

< p class = "jove_title" >2. تحضير العينة والهضم

ضع 200 ميكرولتر من العينة في 1.8 مل من حمض النيتريك المركز (65٪).
ضع الأنابيب في حمام مائي طوال الليل عند 50 درجة مئوية. اضبط البروتوكول عن طريق زيادة درجة الحرارة إذا كانت هناك حاجة إلى تقليل وقت الهضم الإجمالي.
دع الأنابيب تبرد في درجة حرارة الغرفة.
قم بتخفيف العينات بإضافة 8 مل من ماء Milli-Q للحصول على تركيز نهائي من حمض النيتريك أقل من 20٪ (حجم / حجم).
أنابيب الطرد المركزي عند 3,000 × جم لمدة 10 دقائق لتكسير أي بقايا عيانية متبقية.

< p class = "jove_title" >3. تحضير الأداة

قم بتنظيف شعلة برنامج المقارنات الدولية باستخدام الموجات فوق الصوتية في حمض النيتريك بنسبة 5٪ لمدة 15 دقيقة. تغيير الأنبوب التمعجي. تحقق من مستوى زيت المضخة.
قم بتشغيل الأرجون والمبرد ، وابدأ البلازما. ابدأ تدفق السائل إلى البلازما وانتظر حتى تستقر الأداة ، حوالي 20 دقيقة.
تحسين جهد العدسة. قم بإجراء فحص الأداء اليومي عن طريق قياس محاليل الاختبار التي تحتوي على Mg و In و Ur لتأكيد حساسية أداة ICP-MS. قم بقياس Ce و Ba حيث يجب أن يظل شكل الأكسيد والأيونات المشحونة المزدوجة أقل من 3٪. تحقق من الكتلة عند 8 و 220 Da لقياس إشارة الخلفية.
الأداة جاهزة الآن للاستخدام.

4. اختيار طريقة المستخدم وقائمة العينات

حدد العنصر والنظائر ذات الأهمية.
حدد وضع المسح الضوئي كقفز ذروة.
اختر وقت مكوث يبلغ 100 مللي ثانية (50 كحد أدنى) مع 40 عملية مسح (15 كحد أدنى) لكل قراءة. حدد قراءة واحدة لكل نسخة متماثلة و5 نسخ متماثلة (3 كحد أدنى). إجمالي وقت التكامل هو 4,000 مللي ثانية. إذا كانت كمية العينة محدودة، فقم بتقليل وقت السكون وعدد عمليات المسح والتكرار مع الحفاظ على القيم أعلى من الحد الأدنى للقيم المحددة أعلاه.
استخدم معدل تدفق الأمونيا (NH₃) عند 0.7 مل / دقيقة لتجنب تداخل ⁴⁰Ar¹⁶O عند تحديد ⁵⁶Fe.
قم بإعداد منحنى المعايرة للعناصر المختارة.
تشغيل العينات.

قياس الطيف الكتلي هو تقنية تحليلية تمكن من تحديد وقياس المركبات غير المعروفة داخل العينة ، وتحديد هيكلها.

في قياس الطيف الكتلي ، تتولد أيونات الطور الغازي من الذرات أو الجزيئات في العينة. ثم يتم فصل الأيونات بناء على نسبة الكتلة إلى الشحنة ، والتي يرمز إليها ب m / z.

يتيح هذا الفصل تحديد المعلومات الكمية والنوعية حول العينة ، مثل كتلتها وبنيتها.

سيقدم هذا الفيديو المفاهيم الأساسية والأجهزة لقياس الطيف الكتلي ، ويوضح استخدامه في القياس الكمي للعنصر.

يتكون مطياف الكتلة من مصدر تأين ومحلل كتلة وكاشف. في مصدر التأين ، تتأين المركبات ، عادة إلى شحنة موجبة واحدة.

يمكن توليد الأيونات باستخدام تقنيات مختلفة ، مثل التأثير بشعاع الإلكترون أو البلازما أو الليزر ، كل منها ينتج عنه مجموعة من التجزأين التي تساعد في تحديد التركيب الجزيئي. يتم تجميع هذه الطرق بشكل فضفاض في التأين "الصلب" و "الناعم".

تسبب تقنيات التأين الصلب تجزئة واسعة النطاق ، مما يؤدي إلى المزيد من شظايا الكتلة المنخفضة.

تؤدي تقنيات التأين الناعم إلى تجزئة أقل أو شبه معدومة مع نطاق كتلة جزيئية مرتفع.

إذا كان التجزئة كبيرا جدا ، فقد تفقد معلومات الهيكل القيمة. إذا كانت قليلة جدا ، فلن تتأين الجزيئات الصغيرة بكفاءة. وبالتالي ، فإن اختيار طريقة التأين يعتمد على التحليل محل الاهتمام والدرجة المطلوبة من التجزئة.

ثم يتم تسريع الأيونات في مجال كهربائي عند دخولها محلل الكتلة ، حيث سيتم فصلها.

محلل الكتلة الأساسي هو القطاع المغناطيسي ، والذي يتكون من مغناطيس منحني ينتج مجالا مغناطيسيا متجانسا. تتسبب القوة الجاذبة للمغناطيس ، بالإضافة إلى قوة الطرد المركزي للأيونات المتسارعة إلى انتقالها في مسار دائري عبر المنحنى.

يعتمد نصف قطر المسار الدائري للأيونات على الجهد المتسارع والمجال المغناطيسي المطبق ونسبة الكتلة إلى الشحنة.

يمكن بعد ذلك تحديد الجهد والمجال المغناطيسي للسماح فقط بأنواع معينة من نسبة الكتلة إلى الشحنة من خلال المسار المنحني. تصطدم الأيونات الأخرى بجوانب المسار المغناطيسي وتضيع. من خلال مسح شدة المجال المغناطيسي ، تصل الأيونات المرغوبة إلى الكاشف في أوقات مختلفة ، وبالتالي تحديد كل نوع بدقة.

نوع آخر من محلل الكتلة هو مرشح الكتلة رباعي الأقطاب. يتكون رباعي الأقطاب من زوجين من القضبان المعدنية المتوازية ، مع توصيل كل زوج من القضبان المتعارضة كهربائيا.

يتم تطبيق جهد تيار مباشر على أزواج القضبان ، وتتناوب إمكاناتها باستمرار بحيث تكون الأزواج دائما خارج الطور مع الآخر.

ثم يتم توجيه الحزمة الأيونية من خلال مركز القضبان الأربعة. تنتقل الأيونات في مسار يشبه المفتاح ، بسبب الجاذبية المستمرة والتنافر من القضبان. اعتمادا على نسبة كتلة الأيونات إلى شحنة الأيونات ، سيسافر الأيون إما المسار الكامل للقطب الرباعي ويصل إلى الكاشف ، أو يصطدم بالقضبان.

الآن بعد أن تم وصف أساسيات مطياف الكتلة ، دعنا نلقي نظرة على استخدامه في المختبر.

مطياف الكتلة المستخدم في هذه التجربة هو بلازما مقترنة بالحث ، أو ICP ، مؤين ، مع مرشح رباعي الأقطاب. سيتم استخدام الأداة لاكتشاف وتحديد مكون معدني في العينة.

لبدء التجربة ، املأ جميع أنابيب البولي بروبلين ب 5 مل من حمض الهيدروكلوريك 0.1 M لإزالة أي أثر ملوث للحديد. ضع الأنابيب في حمام مائي لمدة ساعة واحدة عند 50 درجة مئوية.

بعد الحضانة ، اغسل الأنابيب ب 5 مل من الماء منزوع الأيونات ، وجفف الأنابيب في فرن أو غطاء كيميائي.

في الأنابيب النظيفة ، أضف 1.8 مل من حمض النيتريك المركز و 200 ميكرولتر من العينة التي تحتوي على النظير المعني.

اتبع احتياطات السلامة عند استخدام الحمض المركز.

ضع الأنابيب في حمام مائي طوال الليل. يمكن زيادة درجة الحرارة لتقصير وقت الهضم ، إذا لزم الأمر.

بعد هضم العينة ، اترك الأنابيب تبرد إلى درجة حرارة الغرفة.

بعد ذلك ، أضف 8 مل من الماء منزوع الأيونات لتخفيف العينات ، وللحصول على تركيز حمض النيتريك أقل من 20٪. التخفيف النهائي للعينة هو 1/50. التركيز المثالي ل ICP هو في نطاق أجزاء في المليار. الطرد المركزي الأنابيب لحبيبات أي بقايا عيانية متبقية.

برنامج المقارنات الدولية هو طريقة للتأين الصلب تستخدم بلازما الأرجون المقترنة عند حوالي 10,000 درجة مئوية والتي تكون موصلة للكهرباء لتأين جزيئات العينة.

ابدأ إعداد الجهاز بفحص شعلة برنامج المقارنات الدولية للتأكد من نظافتها.

بعد ذلك ، افحص مخاريط أخذ العينات والكاشطة للتأكد من نظافتها أيضا. تتيح هذه المخاريط أخذ عينات فقط من الجزء الداخلي من الحزمة الأيونية الناتجة عن شعلة ICP وتعمل كحاجز أمام الفراغ العالي لمطياف الكتلة.

افحص ضغط الأرجون وابدأ تشغيل المبرد. ابدأ تدفق البلازما والسائل إلى النظام. انتظر 20 دقيقة حتى يسخن النظام بالكامل.

بعد ذلك ، استنشق محلول اختبار قياسي يحتوي على العديد من معايير العناصر المعروفة. يجب اختيار محلول الاختبار لتغطية نطاق الكتلة المتوقع لمحلول التحليل.

عند إنشاء تدفق المحلول ، قم بتهيئة الأداة واختبارها وفقا لإرشادات الشركة المصنعة.

لتشغيل الأداة ، حدد أولا العناصر والنظائر ذات الأهمية. ثم اضبط وضع المسح الضوئي على ذروة القفز.

حدد خمس نسخ مكررة لكل قياس. اضبط كل نسخة مكررة لتحتوي على 40 عملية مسح قياسية ، كل عملية مسح بوقت مكوث يبلغ 50 مللي ثانية. إجمالي وقت التكامل هو 2,000 مللي ثانية لكل نسخة مكررة.

قم بإعداد منحنى معايرة للعناصر التي تختارها عن طريق قياس الحلول القياسية المعدة مسبقا.

أخيرا ، قم بتشغيل العينة ، في هذه الحالة ، الجسيمات النانوية لأكسيد الحديد. تحديد تركيز الحديد باستخدام منحنى معايرة الحديد.

يستخدم قياس الطيف الكتلي في مجموعة واسعة من التطبيقات باستخدام تقنيات التأين وتحليل الكتلة المختلفة.

في هذا المثال ، تم استخدام نوع من قياس الطيف الكتلي للتأين الناعم ، يسمى وقت الرحلة بالتأين بالليزر بمساعدة المصفوفة ، أو MALDI-TOF ، لتحليل البروتينات ذات الوزن الجزيئي العالي. باستخدام MALDI ، يتم تثبيت الجزيئات بمصفوفة ، لتقليل التجزئة عندما تتأين الجزيئات الكبيرة.

تم رصد محلول البروتين والمصفوفة على لوحة MALDI النظيفة وتجفيفها. تم إدخال لوحة MALDI في الجهاز ، وتم تحليل العينة.

تم قياس تحليل المركبات المتطايرة والحساسة للأكسدة باستخدام قياس الطيف الكتلي لتأين الإلكترون ، وهي تقنية تأين صلبة.

أولا ، تم تصميم نظام أنبوب قابل للقفل من أجل تمكين الإخلاء الكامل للأنبوب ، متبوعا بتحميل العينة تحت التبريد بواسطة النيتروجين السائل.

تم توصيل أنبوب العينة بمنفذ المدخل ، وتم تحميل العينة في الجهاز. ثم تم تحليل الطيف الكتلي للعينة في هذه الحالة تريس (ثلاثي فلوروميثيل) الفوسفات.

تم استخدام مطياف كتلة الحزمة الجزيئية المقترن بإشعاع السنكروترون لاستكشاف التركيب الإلكتروني لجزيئات الطور الغازي والعناقيد.

قدم الشعاع الجزيئي ، المتكامل مع إشعاع السنكروترون ، طريقة تأين انتقائية لاستكشاف الجزيئات في الطور الغازي.

تم تحميل العينة في الفوهة ، وإعادة تحميل الفوهة في الجهاز ، وسمح لشعاع الفوتون بدخول الغرفة.

ثم تم جمع الطيف الكتلي ومقارنته ببيانات كفاءة التأين الضوئي من أجل تحديد التركيب الإلكتروني للجزيئات.

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE لقياس الطيف الكتلي. يجب أن تفهم الآن الأجهزة الأساسية لقياس الطيف الكتلي ، وكيفية إجراء تحليل أساسي قائم على قياس الطيف الكتلي.

شكرا للمشاهدة!