من خلال هذا النص في موسوعتنا، سنعرض لكم دراسة حول مطياف الكتلة وهي الأداة المستخدمة لكشف تركيب المركبات بأشكالها المختلفة، حيث تسمح لنا بتحديد مكونات الجزيئات وشحنتها، وتعتمد آليتها العامة على حركة الأيونات بشكل دائري. يكمن هدف اختراعها في تحليل المركبات البيولوجية والكيميائية والفيزيائية، وتقوم هذه الأداة بتحليل المركبات من خلال تجزئة هياكلها إلى أيونات. تم اختراع هذا الجهاز بواسطة العالم فرانسيس أستون، وهو واحد من أبرز العلماء في مجالي الكيمياء والفيزياء في إنجلترا. في الفقرات التالية، يمكنكم التعرف بشكل أكبر على كيفية عمل هذا الجهاز، بالإضافة إلى أجزائه واستخداماته.
بحث عن مطياف الكتلة و فكرة عمل مطياف الكتلة
تعتمد فكرة عمل الجهاز على ثلاث مراحل رئيسية وهي كالتالي:
مرحلة التأين
في هذه المرحلة يتم تنفيذ إجراء يسمى “تأثير التأيين الإلكتروني”، ويتم ذلك عن طريق تحويل تركيب عينة من المركبات إلى أيونات، ويحدث ذلك بفقدان الجزئيات في العينة للإلكترونات، حيث أثناء تنفيذ هذا الإجراء تتعرض جزيئات العينة للإلكترونات ذات الطاقة العالية مما يحفز الجزيئات للتصادم والاحتكاك مع بعضها البعض، وبالتالي يحدث التأيين.
بعد حدوث عملية التأين، تتم شحنها بشحنة إيجابية نتيجة فقدان إلكترون، أما الجزيئات الموجودة في العينة والتي فقدت إلكترونا، فتتحول إلى مجموعة من الجذور الحرة، وتتكون ذرات “نمط التجزئة” وهي ذرات مستقرة.
عند استخدام عينة من مركب صلب، يتعرض العينة لدرجة حرارة مرتفعة من خلال التسخين. قد لا يتم تسخين العينة عن طريق وضعها في حجرة الانصهار باستخدام المجس. أما إذا كانت العينة مركبا سائلا، فسوف تتحول إلى عينة غازية عن طريق الضغط أو تعرضها لدرجة حرارة مرتفعة عن طريق التسخين، حيث سيتم غلي العينة عند درجة حرارة تزيد عن 150 درجة مئوية.
مرحلة التسريع
في هذه المرحلة يتم فصل الجذور الحرة عن الأيونات ذات الشحنة الموجبة والتي يتم إضافتها إلى أنبوب التحليل عن طريق تسريع حركتها، وذلك يتم بالاعتماد على القطب السالب.
مرحلة الانعطاف
تعتمد مرحلة الانعطاف على فصل الأيونات عن بعضها البعض باستخدام المجال المغناطيسي الذي يحفز الأيونات على تغيير مسار حركتها. يتم وضع المجال المغناطيسي على إحدى جوانب أنبوب التحليل، وفي حالة زيادة كتلة الأيون، يتحرك عن مساره. بعد انتهاء هذه العملية، يتم كشف استقرار الأيون وتحديد حجم كتلته باستخدام الكاشف.
من خلال المراحل الثلاثة السابقة يتضح أنه في البداية يتم إدخال العينة المطلوبة في جهاز مطياف الكتلة، ثم يبدأ عملية التأيين باستخدام الإلكترونات، مما يؤدي إلى إطلاق أيونات مشحونة إيجابيا، ثم تنتقل هذه الأيونات عبر الحقول المغناطيسية، وبعد ذلك يتم قياس حجم شحنة هذه الأيونات في مرحلة أخرى.
تجربة عملية لمطياف الكتلة
من أبرز الأمثلة التي توضح فكرة عمل مطياف الكتلة ملح الصوديوم، المعروف أيضا بـ “ملح الطعام”، ويتم استخدامه من خلال ما يلي:
- يتم إدخال عينة من ملح الطعام داخل جهاز تحليل الكتلة.
- بعد ذلك، يتم تحويل كلوريد الصوديوم إلى حالة غازية عن طريق تبخير العينة وتشحيمها بالكهرباء.
- نتيجة عملية التأين، يتم تقسيم كلوريد الصوديوم إلى ذرات مشحونة سالبا وهي ذرات الكلور، إلى جانب ذرات مشحونة موجبا وهي ذرات الصوديوم، ويصبح وزن أيونات الكلور 35 أمو، أما وزن أيونات الصوديوم فيصل إلى 23 أمو.
أجزاء مطياف الكتلة
- المكشاف: وهي أداة تقوم على احتساب كتلة الأيونات.
- منبع للأيونات: يعتمد على إنتاج الأيونات عن طريق التأثير على حالة جزيئات المركبات التي تفقد إلكترونا لتأينها.
- جهاز تحليل: يعتمد هذا الجهاز على استخدام الحقول الكهرومغناطيسية لتحليل الأيونات وفصلها، ويحدث ذلك بعد قياس كتلة الأيونات.
- جهاز الحاسوب: هو جزء تكميلي لمطياف الكتلة، يدير البيانات ويعرض نتائج العينات المستخدمة في جهاز مطياف الكتلة.
استخدامات مطياف الكتلة
استخداماته في الكيمياء
- يستخدم لتحديد تركيب المركبات عن طريق الكشف عن شظاياها.
- يكشف ذلك عن جزيئات الذرة للتعرف على البنية النظائرية.
- من خلاله يمكن التعرف على المركبات المجهولة وتحديد هويتها.
- يمكن للعالم قياس حجم المركبات في المواد باستخدام هذا الجهاز.
استخداماته في مجال الفلك
- لا يقتصر استخدام مطياف الكتلة على مجال الكيمياء فقط، بل هو أيضا من أبرز الأدوات المستخدمة في علم الفلك، حيث يستخدم لكشف النظائر والعناصر المرتبطة بالرياح الشمسية.
- يستخدم لدراسة تركيبة طيف الكتلة الشمسي.
استخداماته في علم الأحياء
يعتمد الكشف عن البنية المعقدة للجزيئات البيولوجية على مطياف الكتلة، وذلك بسبب قدرته على تحليل مكونات المركبات المختلفة سواء كانت بسيطة أو معقدة.
استخداماته في مجال الطب
يعتمد الأطباء على استخدام جهاز مطياف الكتلة قبل إجراء العمليات الجراحية وتخدير المريض، وذلك لقدرته على كشف نسبة الأكسجين في خلايا الجسم من خلال قياس مستوى الأيض في تلك الخلايا.
ويستخدم مطياف الكتلة أيضًا في المجالات التالية:
- في مجال البيئة، يستخدم لتحديد السموم التي تصيب الكائنات البحرية مثل الأسماك.
- في مجال الآثار، يستخدم العلماء هذا الجهاز لمعرفة الفترة الزمنية للأحافير القديمة، ويتم ذلك من خلال حساب نسبة الكربون 12 والكربون 14 في الأحافير.
- في مجال الجيولوجيا يستخدم للكشف عن آثار النفط عن طريق احتساب مقياس الكتلة، بالإضافة إلى الكشف عن معدل الغاز الموجود في الصخور الجوفية.
عيوب مطياف الكتلة
على الرغم من الفوائد المتعددة لهذا الجهاز في مختلف المجالات العلمية، إلا أنه يعاني من ما يلي:
- يعتبر من العيوب أنه جهاز قديم ويصعب من خلاله التعرف على الاختلافات بين الأيزومرات الضوئية والهندسية.
- لا يمكنه كشف تركيب المواد الهيدروكربونية التي تتساوى في شحناتها.
وفي نهاية هذا المقال تكون قد قدمت لكم بحثا عن مطياف الكتلة مع توضيح مفهوم هذا الجهاز، وفكرة عمله، وأجزاءه، واستخداماته سواء في الكيمياء أو في الطب أو في الفلك أو في الأحياء، إلى جانب عيوب هذا الجهاز.
مراجع