من خلال هذا المقال من بحر نعرض لكم بحث عن مطياف الكتلة وهي الآلة المستخدمة في الكشف عن تركيب المركبات بمختلف أشكالها، حيث أنها تتيح التعرف على مكونات الجزيئات، إلى جانب أوضاع شحنتها، وتستند آلية عمله بشكل عام على سير الأيونات في شكل دائري، كما أن الهدف من اختراعها في المقام الأول هو تحليل المركبات سواء البيولوجية أو الكيميائية أو الفيزيائية، وتقوم هذه الآلة بدورها في التحليل من خلال تقسيم بنية المركبات إلى آيونات، وقد تم اختراع هذه الأداة على يد فرانسيس أستون الذي يعد من أشهر العلماء في الكيمياء والفيزياء في إنجلترا، وفي السطور التالية يمكنكم التعرف عن قرب على فكرة عمل هذا الجهاز، إلى جانب أجزاءه واستخداماته.
بحث عن مطياف الكتلة و فكرة عمل مطياف الكتلة
تعتمد فكرة عمل الجهاز على ثلاث مراحل رئيسية والتي تتمثل في الآتي:
مرحلة التأين
وفي هذه المرحلة يتم تطبيق إجراء يُعرف باسم “تأثير إلكترون التأين” والذي يتم من خلال تحول تركيب عينة من المركبات إلى أيونات، وذلك يحدث نتيجة فقدان إلكترون من جزئيات العينة، حيث أنه أثناء تطبيق هذا الإجراء تتعرض جزيئات العينة لإلكترونات على درجة مرتفعة من الطاقة مما يحفز الجزيئات إلى احتكاكها واصطدامها ببعض البعض وبالتالي تحدث عملية التأين.
وعقب حدوث عملية التأين فإنه ينتج عن ذلك شحنها بشحنة موجبة نتيجة فقدان إلكترون، أما عن الجزيئات الخاصة بالعينة والتي فقدت إلكترون فإنها تنقسم إلى مجموعة من الجذور الحرة، وينتج عن ذلك انطلاق ذرات “نمط التجزئة” وهي ذرات تكون في حالة مستقرة.
وفي حالة استخدام عينة لمركب صلب فإنه يتعرض لدرجة حرارة مرتفعة عبر التسخين، كما أنه قد لا يتم تسخين العينة عبر وضعها داخل حجرة التأين من خلال استخدام المجس، أما إذا كانت عينة المركب سائلة فإنها تتحول إلى عينة غازية من خلال الضغط أو تعرضها أيضًا لدرجة حرارة مرتفعة من خلال التسخين حيث يتم غلي العينة لدرجة حرارة تزيد عن 150 درجة مئوية.
مرحلة التسريع
أما في هذه المرحلة يتم فصل الجذور الحرة عن الأيونات ذات الشحنة الموجبة والتي يتم إضافتها إلى أنبوب التحليل عبر تعزيز سرعة حركتها، وذلك يتم من خلال الاعتماد على القطب السالب.
مرحلة الانعطاف
تعتمد مرحلة الانعطاف على فصل الأيونات عن بعضها البعض من خلال المجال المغناطيسي الذي يحفز الأيونات على تغيير سير حركتها، وذلك عندما يوضع المجال المغناطيسي على أحد جهات أنبوب التحليل، وفي حالة زيادة كتلة الأيون يزداد انحرافه عن مساره، وعقب انتهاء هذه العملية يتم الكشف عن مدى استقرار الأيون والتعرف على حجم كتلته من خلال الكاشف.
ومن خلال المراحل الثلاثة السابقة يتبين أنه في البداية يتم إدخال العينة المطلوبة في جهاز مطياف الكتلة ليتم بعد ذلك البدء بعملية التأين اعتمادًا على الإلكترونات وينتج عنها انطلاق أيونات مشحونة بشحنة موجبة، ومن ثم تنتقل هذه الأيونات عبر الحقول المغناطيسية، ومن ثم يتم الانتقال إلى مرحلة قياس حجم شحنة هذه الأيونات.
تجربة عملية لمطياف الكتلة
من أبرز الأمثلة التي توضح فكرة عمل مطياف الكتلة كلوريد الصوديوم الذي يُعرف بـ”ملح الطعام”، ويتم استخدامه من خلال ما يلي:
- يتم إدخال عينة من كلوريد الصوديوم داخل جهاز مطياف الكتلة.
- يتم بعد ذلك الانتقال إلى مرحلة تأين كلوريد الصوديوم، وذلك من خلال تعرض العينة للتبخر، ومن ثم انتقاله من حالة صلبة إلى حالة غازية مشحونة بالكهرباء.
- ينتج عن عملية التأين انقسام كلوريد الصوديوم إلى ذرات مشحونة بشحنة سالبة وهي ذرات الكلور، إلى جانب ذرات مشحونة بشحنة موجبة وهي ذرات الصوديوم، وتصبح كتلة أيونات الكلور AMU 35، أما عن كتلة أيونات الصوديوم فتصل إلى AMU 23.
أجزاء مطياف الكتلة
- المكشاف: وهي أداة تقوم على احتساب كتلة الأيونات.
- منبع للأيونات: يعتمد على إنتاج الأيونات من خلال التأثير على حالة جزئيات المركبات والتي تفقد إلكترون للتأين.
- جهاز تحليل: ويقوم هذا الجهاز على استخدام الحقول الكهرومغناطيسية في تحليل الأيونات وفصلها، وذلك يحدث بعد أن يتم قياس كتلة الأيونات.
- جهاز الحاسوب: يعد من الأجزاء التكميلية لمطياف الكتلة، ويعمل على إدارة البيانات، إلى جانب عرض نتائج العينة التي تم استخدامها في جهاز مطياف الكتلة.
استخدامات مطياف الكتلة
استخداماته في الكيمياء
- يستخدم للتعرف على تركيب المركبات من خلال الكشف عن شظاياها.
- يكشف عن ذرات الجزيء من أجل التعرف على البنية النظائرية.
- من خلاله يمكن التعرف على المركبات المجهولة في هويتها.
- يستطيع العالم من خلال هذا الجهاز قياس حجم المركبات في المواد.
استخداماته في مجال الفلك
- لا تقتصر استخدامات مطياف الكتلة على مجال الكيمياء فحسب بل أنه يعد من أبرز الأدوات المستخدمة في علم الفلك، إذ أنه يتم استخدامه في الكشف عن النظائر والعناصر الخاصة بالرياح الشمسية.
- يستخدم في دراسة مكونات طيف الكتلة الشمسية.
استخداماته في علم الأحياء
يتم الاعتماد على على مطياف الكتلة للكشف عن البنية المعقدة للجزئيات البيولوجية أبرزها الكربوهيدرات والبروتينات، وذلك نظرًا لأن هذا الجهاز يتمتع بالقدرة على تحليل مكونات مختلف المركبات سواء البسيطة أو المعقدة.
استخداماته في مجال الطب
يعتمد الأطباء على جهاز مطياف الكتلة قبل البدء في إجراء العمليات الجراحية وتخدير المريض، وذلك لأن هذا الجهاز يستخدم في الكشف عن معدل الأكسجين في خلايا الجسم، وذلك من خلال الكشف عن مستوى الأيض في هذه الخلايا.
ويستخدم مطياف الكتلة أيضًا في المجالات التالية:
- في مجال البيئة حيث أنه يستخدم في تحديد السموم التي تصاب بها الكائنات البحرية مثل الأسماك.
- في مجال الآثار حيث يتعرف العلماء من خلال هذا الجهاز على الفترة الزمنية للأحافير القديمة، وذلك يتم من خلال احتساب نسبة الكربون 12 والكربون 14 في الأحافير.
- في مجال الجيولوجيا يستخدم في الكشف عن آثار النفط من خلال احتساب مقياس الكتلة، إلى جانب الكشف عن معدل الغاز الذي يقع في باطن الصخور.
عيوب مطياف الكتلة
على الرغم من الفوائد المتعددة لهذا الجهاز في مختلف المجالات العلمية إلا أنه يعيبه ما يلي:
- يعيبه أنه من الأجهزة القديمة ويصعب من خلاله التعرف على الاختلافات بين الأيزومرات الضوئية والهندسية.
- لا يمكنه الكشف عن تركيب المواد الهيدروكربونية التي تتماثل في شحناتها.
وفي ختام هذا المقال نكون قد قدمنا لكم بحث 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.
