ما هو قياس الطيف الكتلي؟ وكيف يعمل على تحديد المركبات المكونة لمادة ما؟

ما هو قياس الطيف الكتلي؟ وكيف يعمل على تحديد المركبات المكونة لمادة ما؟
حقوق الصورة: شترستوك.
استمع الى المقالة الآن هذه الخدمة تجريبية
Play Audio Pause Audio

يهتم الباحثون في العديد من المجالات، سواءً كان في الطب أو الصيدلة أو علم المواد أو التكنولوجيات الحيوية، بمعرفة مكونات عينة ما وتحديد نسبها بدقة. من أجل ذلك، طُوّرت عدة تقنيات حديثة تساعدهم في الوصول إلى غايتهم، من أكثرها دقة "قياس الطيف الكتلي"، فما هو؟ وكيف يعمل؟

ما هو قياس الطيف الكتلي؟

قياس الطيف الكتلي هو أداة تحليلية تقيس نسبة الكتلة إلى الشحنة لجزيء واحد أو أكثر موجود في العينة التي قد تحتوي مكونات بسيطة أو معقدة. يمكن استخدام هذه القياسات في كثير من الأحيان لحساب الوزن الجزيئي الدقيق لمكونات العينة أيضاً. عادةً، يمكن استخدام مطياف الكتلة لتحديد المركبات غير المعروفة عن طريق تحديد الوزن الجزيئي، ولتحديد المركبات المعروفة، والتركيب والخصائص الكيميائية للجزيئات.

مكونات مقياس الطيف الكتلي

تحتوي جميع أجهزة قياس الطيف الكتلي على 3 مكونات أساسية:

  1. مصدر أيوني. 
  2. جهاز تحليل الكتلة.
  3. نظام كشف الأيونات. 

تختلف طبيعة هذه المكونات بناءً على الغرض من مطياف الكتلة ونوع البيانات المطلوبة والخصائص الفيزيائية للعينة. يتم تحميل العينات في مطياف الكتلة في صورة سائلة أو غازية أو مجففة ثم تتبخر وتتأين بواسطة مصدر أيوني.

آلية عمل أجهزة قياس الطيف الكتلي

تعمل مكونات أجهزة قياس الطيف الكتلي متآزرةً لتحديد مكونات العينة المدروسة ونسبها كالآتي:

مصدر الأيونات 

بدايةً، تتلقى الجزيئات المدروسة شحنة تسمح بتحويل الجزيئات إلى أيونات في الطور الغازي، بحيث يمكن تحريكها وتسريعها ومعالجتها بواسطة الحقول الكهربائية والمغناطيسية الخارجية. تسمح هذه الطريقة بتكوين أيونات موجبة أو سالبة الشحنة، اعتماداً على المتطلبات التجريبية. 

جهاز تحليل الكتلة

تواجه الأيونات بعد ذلك مجالات كهربائية و/ أو مغناطيسية من أجهزة تحليل الكتلة، والتي تحرف مسارات الأيونات الفردية بناءً على نسب الكتلة إلى الشحنة، ليتم فرزها وفصلها. يوجد عدة أنواع من أجهزة تحليل الكتلة، يمكن استخدامها حسب الغرض من التحليل، فهي تستخدم لفصل جميع المركبات الموجودة في العينة، أو يمكن استخدامها كمرشح لتحريف أيونات معينة فقط نحو الكاشف. غالباً ما يعمل محلل الكتلة بالتنسيق مع نظام الكشف عن الأيونات.

نظام كشف الأيونات

تصطدم الأيونات التي تم تحويلها بنجاح بواسطة أجهزة تحليل الكتلة بكاشف الأيونات. في أغلب الأحيان، تكون هذه الكواشف عبارة عن مضاعفات إلكترون أو ألواح متناهية الصغر تنبعث منها سلسلة من الإلكترونات عندما يضرب كل أيون لوحة الكاشف. ينتج عن هذا الشلال تضخيم كل ضربة أيون لتحسين الحساسية.

يتم توصيل أجهزة قياس الطيف الكتلي بمنصات البرامج الحاسوبية التي تحدد نسب الكتلة إلى الشحنة ووفرتها النسبية. 

التطبيقات والمجالات الشائعة التي تستخدم مطياف الكتلة

تُستخدم أجهزة مطياف الكتلة في شتى مجالات العلوم، خاصة في تحليل المركبات الحيوية. فيما يلي بعض الأمثلة:

1- البروتيوميات (العلم المختص بدراسة البروتين)

  • تحديد بنية البروتين ووظيفته وطيّه وتفاعلاته.
  • التعرف على بروتين من مجموعة من القطع المكونة له.
  • تحديد كمية البروتينات (النسبية أو المطلقة) في عينة معينة.
  • مراقبة تفاعلات الإنزيم والتعديلات الكيميائية وهضم البروتين.

2- الطب

  • تحديد هياكل الأدوية.
  • إجراء تحليلات الطب الشرعي مثل تأكيد تعاطي المخدرات.
  • الكشف عن المؤشرات الحيوية لمرض ما (مثلاً، الأطفال حديثي الولادة الذين يتم فحصهم بحثاً عن أمراض التمثيل الغذائي).

3- استخدامات أخرى

  • تحديد تسلسل النيكليوتيدات في الجينوم.
  • تحديد تركيب السكريات المتعددة.
  • تحديد بنية الدهون.
  • اختبار الأطعمة والمشروبات بحثاً عن التلوث والغش.
  • تحليل ملوثات عينة التربة.
  • قياس مكونات البترول.
  • عمل تأريخ الكربون.

مخابر تحليل الطيف الكتلي

يوجد في العديد من المؤسسات البحثية مخابر مختصة في تحليل الطيف الكتلي. مثلاً؛ المختبر الموجود في مدينة الملك عبدالعزيز للعلوم والتقنية تم إنشاؤه لمساعدة الباحثين في إجراء تحاليل كيميائية حديثة على المواد والعينات. تم إنشاء المختبر لتوفير دقة عالية في التحليل الشامل للكتلة الطيفية واستراتيجيات التحليل التي تتوافق مع تطورات الأبحاث العلمية وتعقيداتها وصعوبتها، والمطالب التنظيمية التي تواجه هذه الأبحاث. 

يضم المختبر تجهيزات متعددة، ويوفر عدداً من الاختبارات والتحاليل أهمها:

  •  فحص المواد المحظورة في دم الإبل.
  •  الكشف عن كميات المواد الكيميائية والبيولوجية المختلفة وتحديدها.
  •  تطبيق معظم الأنشطة البحثية وفقاً لتقدير كتلة المواد.
  •  التحليل والكشف عن الهرمونات والمضادات الحيوية.
  •  تحليل الفيتامينات مفردة أو مجتمعة.
  •  أبحاث وتطبيقات البروتيوميات.