مصدر أيوني

التأين بالتقاط الإلكترون (ECI) هو تأين ذرة أو جزيء في الحالة الغازية عن طريق التقاط إلكترون لتكوين أيون من الشكل A ^−• . والتفاعل هو

${\displaystyle {\ce {A + e^- ->[M] A^-}}}$

حيث يشير الحرف M الموجود فوق السهم إلى أنه للحفاظ على الطاقة والزخم ، يلزم وجود جسم ثالث ( الجزيئية للتفاعل هي ثلاثة).

يمكن استخدام التقاط الإلكترون بالتزامن مع التأين الكيميائي . ^{[ 4 ]}

يُستخدم كاشف التقاط الإلكترون في بعض أنظمة كروماتوغرافيا الغاز . ^{[ 5 ]}

التأين بتبادل الشحنة (المعروف أيضًا باسم التأين بنقل الشحنة) هو تفاعل في الطور الغازي بين أيون وذرة أو جزيء، حيث يتم نقل شحنة الأيون إلى النوع المتعادل. ^{[ 8 ]}

${\displaystyle {\ce {A+ + B -> A + B+}}}$

التأين الكيميائي هو تكوين أيون من خلال تفاعل ذرة أو جزيء في الحالة الغازية مع ذرة أو جزيء في حالة إثارة . ^{[ 9 ] [ 10 ]} يمكن تمثيل التأين الكيميائي بـ

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

حيث G هي الأنواع في الحالة المثارة (يشار إليها بالعلامة النجمية العلوية)، و M هي الأنواع التي تتأين بفقدان إلكترون لتكوين الكاتيون الجذري ( يشار إليها بالعلامة "+-dot" العلوية).

التأين الترابطي هو تفاعل في الطور الغازي تتفاعل فيه ذرتان أو جزيئتان لتكوين أيون ناتج واحد. ^{[ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} قد يمتلك أحد النوعين المتفاعلين أو كلاهما طاقة داخلية زائدة .

على سبيل المثال،

${\displaystyle {\ce {A^{\ast }{}+B->AB^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

حيث يتفاعل النوع A ذو الطاقة الداخلية الزائدة (المشار إليها بالنجمة) مع B لتكوين الأيون AB ⁺ .

تأين بنينغ هو شكل من أشكال التأين الكيميائي الذي يتضمن تفاعلات بين ذرات أو جزيئات متعادلة. ^{[ 14 ] [ 15 ]} سُميت هذه العملية نسبةً إلى الفيزيائي الهولندي فرانس ميشيل بنينغ الذي أبلغ عنها لأول مرة عام 1927. ^{[ 16 ]} يتضمن تأين بنينغ تفاعلًا بين ذرة أو جزيء في حالة إثارة في الطور الغازي G ^* وجزيء هدف M، مما ينتج عنه تكوين كاتيون جزيئي جذري M ^+، وإلكترون e− ^، وجزيء غاز متعادل G. ^{[ 17 ]}

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->G{}+M^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

يحدث تأين بنينغ عندما يكون للجزيء المستهدف جهد تأين أقل من الطاقة الداخلية للذرة أو الجزيء في الحالة المثارة.

يمكن أن تتم عملية تأين بنينغ الترابطي عبر

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+M->MG^{+\bullet }{}+e^{-}}}}$

يشير تأين بنينغ السطحي (المعروف أيضًا باسم إزالة إثارة أوجيه) إلى تفاعل الغاز المثار مع سطح مادة الكبريت، مما يؤدي إلى إطلاق إلكترون وفقًا لـ

${\displaystyle {\ce {G^{\ast }{}+S->G{}+S{}+e^{-}}}}$.

يشبه التأين عن طريق ارتباط الأيونات التأين الكيميائي الذي يرتبط فيه الكاتيون بجزيء المادة المراد تحليلها في تصادم تفاعلي:

${\displaystyle {\ce {M + X+ + A -> MX+ + A}}}$

حيث M هو جزيء المادة المراد تحليلها، وX ⁺ هو الكاتيون، وA هو شريك تصادم غير متفاعل. ^{[ 18 ]}

في مصدر الأيونات المشعة، تُستخدم قطعة صغيرة من مادة مشعة، مثل النيكل ^-63 أو الأمريسيوم ^-241 ، لتأيين الغاز. ويُستخدم هذا في أجهزة كشف الدخان بالتأيين ومطياف حركة الأيونات .

يمكن توليد الأيونات في بلازما مقترنة حثيًا، وهي مصدر بلازما يتم فيه توفير الطاقة بواسطة تيارات كهربائية ناتجة عن الحث الكهرومغناطيسي ، أي بواسطة مجالات مغناطيسية متغيرة مع الزمن . ^{[ 19 ]}

تُتيح مصادر أيونات البلازما المُستحثة بالميكروويف إمكانية إثارة تفريغات غازية بدون أقطاب كهربائية لإنتاج أيونات تُستخدم في مطيافية الكتلة للعناصر النزرة. ^{[ 20 ] [ 21 ]} تتميز بلازما الميكروويف بإشعاع كهرومغناطيسي عالي التردد في نطاق الجيجاهرتز ، وهي قادرة على إثارة تفريغات غازية بدون أقطاب كهربائية . عند تطبيقها في وضع الموجة السطحية المستدامة ، تُصبح هذه المصادر مناسبة بشكل خاص لتوليد بلازما واسعة المساحة ذات كثافة عالية. أما عند استخدامها في كلٍ من وضع الموجة السطحية ووضع الرنان ، فإنها تُظهر درجة عالية من التمركز المكاني، مما يسمح بفصل موقع توليد البلازما عن موقع معالجة السطح. قد يُساعد هذا الفصل (بالإضافة إلى نظام تدفق غاز مناسب) في تقليل التأثير السلبي الذي قد تُحدثه الجسيمات المنبعثة من الركيزة المُعالجة على كيمياء البلازما في الطور الغازي .

يستخدم مصدر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR) رنين السيكلوترون الإلكتروني لتأيين البلازما. تُحقن موجات ميكروية في حيز بتردد يتوافق مع رنين السيكلوترون الإلكتروني، والذي يُحدد بواسطة المجال المغناطيسي المُطبق على منطقة داخل هذا الحيز. يحتوي هذا الحيز على غاز منخفض الضغط.

يمكن توليد الأيونات في التفريغ الكهربائي المتوهج . التفريغ المتوهج هو بلازما تتشكل نتيجة مرور تيار كهربائي عبر غاز منخفض الضغط. وينتج عن تطبيق فرق جهد بين قطبين معدنيين في حجرة مفرغة تحتوي على غاز. عندما يتجاوز الجهد قيمة معينة، تُسمى جهد التفجير ، يتشكل الغاز على هيئة بلازما.

الديوبلازماترون هو نوع من مصادر أيونات التفريغ المتوهج ، ويتكون من مهبط ساخن أو بارد يُنتج بلازما تُستخدم لتأيين الغاز. ^{[ 1 ] [ 22 ]} ويمكنه إنتاج أيونات موجبة أو سالبة. ^{[ 23 ]} ويُستخدم في مطيافية الكتلة الأيونية الثانوية، وحفر حزم الأيونات، وفيزياء الطاقة العالية. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]}

في توهج البلازما المتدفق، تتشكل الأيونات في تيار من الغاز الخامل، عادةً الهيليوم أو الأرجون . ^{[ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} تُضاف الكواشف في اتجاه التيار لتكوين نواتج أيونية ودراسة معدلات التفاعل. يُستخدم مطياف الكتلة في توهج البلازما المتدفق لتحليل آثار الغازات للمركبات العضوية. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

يُستخدم التأين بالشرارة الكهربائية لإنتاج أيونات في الطور الغازي من عينة صلبة. وعند دمجه مع مطياف الكتلة، يُشار إلى الجهاز الكامل باسم مطياف الكتلة بالتأين بالشرارة أو مطياف الكتلة بمصدر الشرارة (SSMS). ^{[ 32 ]}

يستخدم مصدر الأيونات ذو الانجراف المغلق مجالًا مغناطيسيًا شعاعيًا في تجويف حلقي لحصر الإلكترونات لتأيين الغاز. وتُستخدم هذه المصادر في غرس الأيونات وفي دفع المركبات الفضائية ( محركات هول ).

في التأين متعدد الفوتونات (MPI)، قد تتحد عدة فوتونات ذات طاقة أقل من عتبة التأين لتأيين الذرة.

التأين متعدد الفوتونات المعزز بالرنين (REMPI) هو شكل من أشكال التأين متعدد الفوتونات (MPI) حيث يصل واحد أو أكثر من الفوتونات إلى انتقال مرتبط-مرتبط يكون رنينيًا في الذرة أو الجزيء الذي يتم تأيينه.

تستخدم تقنية التأين الضوئي بالضغط الجوي (APPI) مصدرًا للفوتونات، عادةً ما يكون مصباحًا للأشعة فوق البنفسجية الفراغية (VUV)، لتأيين المادة المراد تحليلها بعملية تأين أحادي الفوتون. وعلى غرار مصادر التأين الأخرى بالضغط الجوي، يتم تسخين رذاذ من المذيب إلى درجات حرارة عالية نسبيًا (أعلى من 400 درجة مئوية) ويُرش بمعدلات تدفق عالية من النيتروجين لإزالة المذيب. ثم يُعرَّض الرذاذ الناتج للأشعة فوق البنفسجية لتكوين الأيونات. أما تقنية التأين بالليزر بالضغط الجوي فتستخدم مصادر ضوء ليزر فوق بنفسجي لتأيين المادة المراد تحليلها عبر تقنية التأين متعدد الفوتونات (MPI).

يشير مصطلح "الامتزاز الميداني" إلى مصدر أيوني يُطبَّق فيه مجال كهربائي عالي الجهد على باعث ذي سطح حاد، كشفرة حلاقة، أو بشكل أكثر شيوعًا، على خيط مُشَكَّل منه "شعيرات" دقيقة. ^{[ 34 ]} ينتج عن ذلك مجال كهربائي شديد يمكن أن يؤدي إلى تأين جزيئات المادة المُحلَّلة الغازية. تتميز أطياف الكتلة الناتجة عن التأين بالحقن الميداني بتفتت ضئيل أو معدوم، وتهيمن عليها الكاتيونات الجذرية الجزيئية M ^+، وفي حالات أقل، جزيئات مُبرتنة [ M+H] ^+.

تقنية التأين/الامتزاز الليزري بمساعدة المصفوفة (MALDI) هي تقنية تأين لطيفة. تُخلط العينة بمادة مصفوفة. عند تعرضها لنبضة ليزر، تمتص المصفوفة طاقة الليزر، ويُعتقد أن هذه العملية تؤدي في المقام الأول إلى امتزاز المصفوفة وتأيينها (عن طريق إضافة بروتون). كما تُمتز جزيئات المادة المراد تحليلها أيضًا. بعد ذلك، يُعتقد أن المصفوفة تنقل البروتون إلى جزيئات المادة المراد تحليلها (مثل جزيئات البروتين)، مما يؤدي إلى شحنها.

تُشبه تقنية التأين بمساعدة المصفوفة (MAI) تقنية MALDI في تحضير العينات، ولكنها لا تتطلب استخدام الليزر لتحويل جزيئات المادة المراد تحليلها الموجودة في مركب المصفوفة إلى أيونات في الحالة الغازية. في تقنية MAI، تكون لأيونات المادة المراد تحليلها حالات شحنة مشابهة لتلك الموجودة في التأين بالرذاذ الإلكتروني، ولكنها تُستخلص من مصفوفة صلبة بدلاً من مذيب. لا تتطلب هذه التقنية جهدًا كهربائيًا أو ليزرًا، ولكن يمكن استخدام الليزر للحصول على دقة مكانية للتصوير. تُؤيَّن عينات المصفوفة والمادة المراد تحليلها في فراغ مطياف الكتلة، ويمكن إدخالها إلى الفراغ عبر مدخل ضغط جوي. تتطلب المصفوفات الأقل تطايرًا، مثل حمض 2،5-ثنائي هيدروكسي بنزويك، أنبوب إدخال ساخن لإنتاج أيونات المادة المراد تحليلها بواسطة تقنية MAI، بينما لا تتطلب المصفوفات الأكثر تطايرًا، مثل 3-نيتروبنزونيتريل، أي حرارة أو جهد كهربائي أو ليزر. يؤدي إدخال عينة المادة المراد تحليلها إلى فتحة مدخل مطياف الكتلة ذي التأين بالضغط الجوي إلى إنتاج أيونات وفيرة. ويمكن تأيين مركبات بحجم لا يقل عن حجم ألبومين مصل البقر [66 كيلو دالتون] باستخدام هذه الطريقة. ^{[ 53 ]} في هذه الطريقة، يمكن اعتبار مدخل مطياف الكتلة مصدرًا للأيونات.

يستخدم التأين الكيميائي عند الضغط الجوي رذاذًا من المذيب عند الضغط الجوي. ^{[ 54 ]} يُسخّن رذاذ المذيب إلى درجات حرارة عالية نسبيًا (أعلى من 400 درجة مئوية)، ويُرشّ بمعدلات تدفق عالية من النيتروجين، ثم تُعرّض سحابة الهباء الجوي بأكملها لتفريغ كورونا يُنتج أيونات، حيث يعمل المذيب المتبخر كغاز كاشف للتأين الكيميائي. لا يُعدّ التأين الكيميائي عند الضغط الجوي (APCI) تقنية تأين "ناعمة" (منخفضة التفتت) مثل التأين بالرذاذ الإلكتروني (ESI). ^{[ 55 ]} تجدر الإشارة إلى أنه لا ينبغي استخدام مصطلح التأين عند الضغط الجوي (API) كمرادف للتأين الكيميائي عند الضغط الجوي (APCI). ^{[ 56 ]}

التأين بالرذاذ الحراري هو أحد أشكال التأين بالضغط الجوي في مطياف الكتلة . ينقل الأيونات من الطور السائل إلى الطور الغازي لتحليلها. وهو مفيد بشكل خاص في كروماتوغرافيا السائل-مطياف الكتلة . ^{[ 57 ]}

في التأين بالرذاذ الكهربائي، يُدفع سائل عبر أنبوب شعري صغير جدًا، مشحون، وعادةً ما يكون معدنيًا . ^{[ 58 ]} يحتوي هذا السائل على المادة المراد دراستها، وهي المادة المراد تحليلها ، مذابة في كمية كبيرة من المذيب ، الذي يكون عادةً أكثر تطايرًا من المادة المراد تحليلها. غالبًا ما تُضاف الأحماض أو القواعد أو المحاليل المنظمة المتطايرة إلى هذا المحلول أيضًا. توجد المادة المراد تحليلها على شكل أيون في المحلول، إما في صورتها السالبة أو الموجبة. ولأن الشحنات المتشابهة تتنافر، يندفع السائل خارج الأنبوب الشعري مُشكِّلًا رذاذًا، وهو عبارة عن ضباب من قطرات صغيرة يبلغ قطرها حوالي 10 ميكرومتر . يُنتَج الرذاذ جزئيًا على الأقل من خلال عملية تتضمن تكوين مخروط تايلور ونفث من طرف هذا المخروط. يُستخدم أحيانًا غاز حامل غير مشحون، مثل النيتروجين، للمساعدة في تحويل السائل إلى رذاذ والمساعدة في تبخير المذيب المتعادل الموجود في القطرات. مع تبخر المذيب، تتقارب جزيئات المادة المراد تحليلها، وتتنافر فيما بينها، مما يؤدي إلى تفكك القطرات. تُسمى هذه العملية بالانشطار الكولومبي لأنها مدفوعة بقوى تنافر كولومبية بين الجزيئات المشحونة. تتكرر هذه العملية حتى تصبح المادة المراد تحليلها خالية من المذيب، أي أيونًا حرًا. تتكون الأيونات المرصودة بإضافة بروتون ( أيون هيدروجين) ويُرمز لها بـ [ M + H] ⁺ ، أو بإضافة كاتيون آخر مثل أيون الصوديوم، [ M + Na] ⁺ ، أو بإزالة بروتون، [ M − H] ⁻ . غالبًا ما تُلاحظ أيونات متعددة الشحنات مثل [ M + 2H] ²⁺ . بالنسبة للجزيئات الكبيرة ، يمكن أن توجد حالات شحنة متعددة، تحدث بترددات مختلفة؛ قد تصل الشحنة إلى [ M + 24H] ²⁴⁺ ، على سبيل المثال. ^{[ 59 ]}

التأين بالضغط الجوي بدون تلامس هو تقنية تُستخدم لتحليل العينات السائلة والصلبة باستخدام مطياف الكتلة. ^{[ 61 ]} يمكن تشغيل هذه التقنية دون الحاجة إلى مصدر طاقة كهربائية إضافي (لتزويد مصدر الباعث بالجهد)، أو مصدر غاز، أو مضخة حقن . وبالتالي، توفر هذه التقنية وسيلة سهلة لتحليل المركبات الكيميائية باستخدام مطياف الكتلة عند الضغط الجوي.

التأين بالرش الصوتي هو طريقة لإنتاج الأيونات من محلول سائل، مثل خليط الميثانول والماء. ^{[ 62 ]} يُستخدم جهاز رش هوائي لتحويل المحلول إلى رذاذ فوق صوتي من قطرات صغيرة. تتشكل الأيونات عند تبخر المذيب، ويؤدي التوزيع غير المتوازن للشحنات على القطرات إلى شحنة صافية، وينتج عن إزالة المذيب بالكامل تكوين الأيونات. يُستخدم التأين بالرش الصوتي لتحليل الجزيئات العضوية الصغيرة والأدوية، ويمكنه تحليل الجزيئات الكبيرة عند تطبيق مجال كهربائي على الأنبوب الشعري للمساعدة في زيادة كثافة الشحنة وتوليد أيونات متعددة الشحنات من البروتينات. ^{[ 63 ]}

تم دمج التأين بالرش الصوتي مع كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء لتحليل الأدوية. ^{[ 64 ] [ 65 ]} وقد دُرست قليل النوكليوتيدات باستخدام هذه الطريقة. ^{[ 66 ] [ 67 ]} استُخدم التأين بالرش الصوتي بطريقة مشابهة للتأين بالرش الكهربائي بالامتزاز ^{[ 68 ]} للتأين في الظروف المحيطة ، وتم دمجه مع كروماتوغرافيا الطبقة الرقيقة بهذه الطريقة. ^{[ 69 ]}

تُشبه تقنية التأين بالرش بمساعدة الموجات فوق الصوتية (UASI) التقنيات المذكورة أعلاه، ولكنها تستخدم محول طاقة فوق صوتي لتحقيق تذرية المادة وتوليد الأيونات. ^{[ 70 ] [ 71 ]}

في مطياف الكتلة، تُؤيَّن العينة في مصدر أيوني، وتُفصل الأيونات الناتجة وفقًا لنسبة كتلتها إلى شحنتها. تُكشف الأيونات، وتُعرض النتائج على شكل أطياف توضح الوفرة النسبية للأيونات المكتشفة كدالة لنسبة الكتلة إلى الشحنة. يمكن تحديد الذرات أو الجزيئات في العينة من خلال ربط الكتل المعروفة بالكتل المحددة، أو من خلال نمط تفتت مميز.

في مسرعات الجسيمات، يقوم مصدر الأيونات بإنشاء حزمة من الجسيمات في بداية الجهاز . وتعتمد تقنية إنشاء مصادر الأيونات لمسرعات الجسيمات بشكل كبير على نوع الجسيم المطلوب توليده: الإلكترونات ، أو البروتونات ، أو أيونات الهيدروجين السالبة ^، أو الأيونات الثقيلة .

يتم توليد الإلكترونات بواسطة مدفع إلكتروني ، والذي يوجد منه أنواع عديدة.

يتم توليد البروتونات باستخدام جهاز يعتمد على البلازما ، مثل جهاز البلازما المزدوج أو جهاز الماغنيترون .

تُنتَج أيونات الهيدروجين السالبة ⁽ H⁻ ) باستخدام المغنطرون أو مصدر بنينغ . يتكون المغنطرون من مهبط أسطواني مركزي محاط بمصعد. عادةً ما يكون جهد التفريغ أكبر من 150  فولت، ويبلغ سحب التيار حوالي 40  أمبير. يُطبَّق مجال مغناطيسي بقوة 0.2 تسلا تقريبًا موازٍ لمحور المهبط . يُدخَل غاز الهيدروجين بواسطة صمام غاز نبضي. يُستخدم السيزيوم غالبًا لخفض دالة الشغل للمهبط، مما يزيد من كمية الأيونات المُنتَجة. كما تُستخدم مصادر السيزيوم الكبيرة لتسخين البلازما في أجهزة الاندماج النووي. 

في مصدر بنينغ ، يوجه مجال مغناطيسي قوي موازٍ للمجال الكهربائي للغلاف الإلكترونات والأيونات على حلزونات السيكلوترون من مهبط إلى آخر. تتولد أيونات الهيدروجين السالبة السريعة عند المهابط كما في المغنطرون. وتتباطأ هذه الأيونات نتيجة لتفاعل تبادل الشحنات أثناء هجرتها إلى فتحة البلازما. ينتج عن ذلك حزمة أيونية أبرد من الأيونات المُستحصلة من المغنطرون.

يمكن توليد الأيونات الثقيلة باستخدام مصدر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني . وقد ازداد استخدام مصادر أيونات الرنين السيكلوتروني الإلكتروني (ECR) لإنتاج حزم مكثفة من الأيونات عالية الشحنة بشكل كبير خلال العقد الماضي. تُستخدم مصادر أيونات ECR كحاقنات في المسرعات الخطية، ومولدات فان دي غراف، أو السيكلوترونات في الفيزياء النووية وفيزياء الجسيمات الأولية. في فيزياء الذرة والأسطح، توفر مصادر أيونات ECR حزمًا مكثفة من الأيونات عالية الشحنة لتجارب التصادم أو لدراسة الأسطح. أما بالنسبة لأعلى حالات الشحنة، فتُستخدم مصادر أيونات حزمة الإلكترون (EBIS). يمكنها توليد حتى الأيونات المجردة للعناصر متوسطة الثقل. كما يمكن لمصيدة أيونات حزمة الإلكترون (EBIT)، القائمة على المبدأ نفسه، إنتاج أيونات اليورانيوم المجردة، ويمكن استخدامها كمصدر أيونات أيضًا.

يمكن أيضاً توليد الأيونات الثقيلة باستخدام مدفع أيوني ، والذي يستخدم عادةً الانبعاث الحراري للإلكترونات لتأيين المادة في حالتها الغازية. وتُستخدم هذه الأجهزة عادةً لتحليل الأسطح.

يتدفق الغاز عبر مصدر الأيونات بين المصعد والمهبط. يُطبَّق جهد موجب على المصعد. هذا الجهد، بالإضافة إلى المجال المغناطيسي العالي بين طرفي المهبطين الداخلي والخارجي، يسمح ببدء تكوّن البلازما. تتنافر الأيونات المنبعثة من البلازما بفعل المجال الكهربائي للمصعد، مما يُنتج حزمة أيونية. ^{[ 84 ]}

• تنظيف الأسطح ومعالجتها المسبقة لترسيب المواد على مساحات واسعة
• ترسيب الأغشية الرقيقة
• ترسيب أغشية سميكة من الكربون الشبيه بالماس (DLC)
• زيادة خشونة سطح البوليمرات لتحسين الالتصاق و/أو التوافق الحيوي ^{[ 85 ]}