مطياف الكتلة القطاعي

مطياف كتلة بخمسة قطاعات

جهاز القطاع هو مصطلح عام يُطلق على فئة من أجهزة مطياف الكتلة التي تستخدم قطاعًا كهربائيًا (E) أو مغناطيسيًا (B) ثابتًا، أو مزيجًا منهما (بشكل منفصل مكانيًا)، كمحلل للكتلة. [ 1 ] ومن بين التركيبات الشائعة لهذه القطاعات: EB، وBE (ذات الهندسة العكسية)، وBEB ثلاثي القطاعات، وEBEB رباعي القطاعات (كهربائي-مغناطيسي-كهربائي-مغناطيسي). معظم أجهزة القطاع الحديثة هي أجهزة تركيز مزدوج (طُوّرت لأول مرة على يد فرانسيس ويليام أستون ، وآرثر جيفري ديمبستر ، وكينيث بينبريدج ، وجوزيف ماتوش عام 1936 [ 2 ] )، حيث تُركّز حزم الأيونات من حيث الاتجاه والسرعة. [ 3 ]

نظرية

إن سلوك الأيونات في مجال كهربائي أو مغناطيسي متجانس، خطي، وثابت (بشكل منفصل) كما هو الحال في أجهزة قياس الطيف الكتلي القطاعية بسيط. وتُوصَف هذه الظاهرة الفيزيائية بمعادلة واحدة تُسمى قانون قوة لورنتز . وتُعد هذه المعادلة أساسية لجميع تقنيات قياس الطيف الكتلي، وهي قابلة للتطبيق حتى في الحالات غير الخطية وغير المتجانسة، كما أنها معادلة مهمة في مجال الديناميكا الكهربائية بشكل عام.

F=q(هـ+v×ب)،{\displaystyle \mathbf {F} =q(\mathbf {E} +\mathbf {v} \times \mathbf {B} ),}

حيث E هي شدة المجال الكهربائي ، وB هي الحث المغناطيسي ، وq هي شحنة الجسيم، وv هي سرعته الحالية (معبر عنها كمتجه)، و × هو الضرب الاتجاهي .

إذن، القوة المؤثرة على أيون في مجال كهربائي خطي متجانس (قطاع كهربائي) هي:

F=qهـ{\displaystyle F=qE\,}،

في اتجاه المجال الكهربائي، مع الأيونات الموجبة، وعكس ذلك مع الأيونات السالبة.

القطاع الكهربائي من مطياف الكتلة Finnigan MAT (تمت إزالة غلاف غرفة التفريغ)

تعتمد القوة فقط على الشحنة وشدة المجال الكهربائي. ستنحرف الأيونات الأخف وزنًا بشكل أكبر والأيونات الأثقل وزنًا بشكل أقل بسبب اختلاف القصور الذاتي ، وستنفصل الأيونات فعليًا عن بعضها البعض في الفضاء إلى حزم أيونية متميزة عند خروجها من القطاع الكهربائي.

والقوة المؤثرة على أيون في مجال مغناطيسي خطي متجانس (قطاع مغناطيسي) هي:

F=qvب{\displaystyle F=qvB\,}،

عمودي على كل من المجال المغناطيسي ومتجه سرعة الأيون نفسه، في الاتجاه المحدد بواسطة قاعدة اليد اليمنى للضرب الاتجاهي وإشارة الشحنة.

إن القوة في القطاع المغناطيسي معقدة بسبب اعتمادها على السرعة، ولكن في ظل الظروف المناسبة (السرعة المنتظمة على سبيل المثال) ستنفصل الأيونات ذات الكتل المختلفة فيزيائيًا في الفضاء إلى حزم مختلفة كما هو الحال مع القطاع الكهربائي.

الأشكال الهندسية الكلاسيكية

هذه بعض الأشكال الهندسية الكلاسيكية من مطياف الكتلة والتي تستخدم غالبًا لتمييز أنواع مختلفة من ترتيبات القطاعات، على الرغم من أن معظم الأجهزة الحالية لا تتناسب بدقة مع أي من هذه الفئات حيث تطورت التصاميم بشكل أكبر.

بينبريدج-جوردان

يتكون شكل الجهاز القطاعي من 127.30 درجة(π2){\displaystyle \left({\frac {\pi }{\sqrt {2}}}\right)}قطاع كهربائي بدون طول انجراف أولي، يليه قطاع مغناطيسي بزاوية 60 درجة بنفس اتجاه الانحناء. يُطلق على هذا التكوين أحيانًا اسم "مطياف كتلة بينبريدج"، ويُستخدم غالبًا لتحديد كتل النظائر . يتم إنتاج حزمة من الجسيمات الموجبة من النظير قيد الدراسة. تخضع هذه الحزمة لتأثير مشترك من مجالين كهربائي ومغناطيسي متعامدين . وبما أن القوى الناتجة عن هذين المجالين متساوية ومتعاكسة عندما تكون سرعة الجسيمات معطاة بالعلاقة التالية:

v=هـ/ب{\displaystyle v=E/B\,}

لا تتعرض هذه الجسيمات لقوة محصلة ؛ فهي تمر بحرية عبر شق، ثم تخضع لمجال مغناطيسي آخر، فتقطع مسارًا نصف دائري وتصطدم بلوحة فوتوغرافية . ويتم تحديد كتلة النظير من خلال حسابات لاحقة.

ماتوتش-هرتسوغ

يتكون شكل ماتوتش-هرتسوغ الهندسي من زاوية 31.82 درجة (π/42{\displaystyle \pi /4{\sqrt {2}}}[ 4 ] يتكون هذا الجهاز من قطاع كهربائي (بزاوية 90 درجة) وقطاع مغناطيسي بزاوية انحناء معاكسة، حيث يمتد هذا القطاع بزاوية 90 درجة. [5] يؤدي دخول الأيونات، المصنفة أساسًا حسب الشحنة، إلى المجال المغناطيسي إلى تركيز الطاقة، مما ينتج عنه نفاذية أعلى بكثير من مرشح الطاقة القياسي. يُستخدم هذا التصميم غالبًا في التطبيقات التي تتميز بانتشار طاقة عالٍ في الأيونات الناتجة، حيث تكون الحساسية مطلوبة، مثل مطيافية الكتلة بمصدر شرارة (SSMS) ومطيافية الكتلة للأيونات الثانوية (SIMS). [ 6 ] تتمثل ميزة هذا التصميم على تصميم نير-جونسون في تركيز جميع الأيونات ذات الكتل المختلفة على نفس المستوى المسطح، مما يسمح باستخدام لوحة فوتوغرافية أو مصفوفة كاشف مسطحة أخرى.

نير-جونسون

تتكون هندسة نير-جونسون من قطاع كهربائي بزاوية 90 درجة، وطول انجراف متوسط ​​طويل، وقطاع مغناطيسي بزاوية 60 درجة له ​​نفس اتجاه الانحناء. [ 6 ] [ 7 ]

هينتربيرغر-كونيغ

يتكون شكل هينتربيرجر-كونيج من قطاع كهربائي بزاوية 42.43 درجة، وطول انجراف وسيط طويل، وقطاع مغناطيسي بزاوية 130 درجة من نفس اتجاه الانحناء.

تاكيشيتا

يتكون شكل تاكيشيتا من قطاع كهربائي بزاوية 54.43 درجة، وطول انجراف قصير، وقطاع كهربائي ثانٍ من نفس اتجاه الانحناء متبوعًا بطول انجراف آخر قبل قطاع مغناطيسي بزاوية 180 درجة من اتجاه انحناء معاكس.

ماتسودا

تتكون هندسة ماتسودا من قطاع كهربائي بزاوية 85 درجة، وعدسة رباعية الأقطاب، وقطاع مغناطيسي بزاوية 72.5 درجة بنفس اتجاه الانحناء. [ 8 ] تُستخدم هذه الهندسة في جهازي SHRIMP و Panorama (مصدر غاز، عالي الدقة، متعدد الجامعات لقياس النظائر في الجيوكيمياء).

انظر أيضاً

مراجع

  1. الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC )، موسوعة المصطلحات الكيميائية ، الطبعة الخامسة (الكتاب الذهبي) (2025). النسخة الإلكترونية: (2006 ) " القطاع الكهربائي ". doi : 10.1351/goldbook.E01938
  2. آرثر جيفري ديمبستر (فيزيائي أمريكي) في موسوعة بريتانيكا
  3. بورغوين، توماس و.؛ غاري م. هيفتجي (1996). "مقدمة في بصريات الأيونات لمطياف الكتلة" (ملخص) . مراجعات مطياف الكتلة . 15 (4): 241-259 . Bibcode : 1996MSRv...15..241B . CiteSeerX 10.1.1.625.841 . doi : 10.1002/(SICI)1098-2787(1996)15:4 < 241::AID-MAS2 > 3.0.CO ; 2-I . PMID 27082712 .  {{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  4. ^ كليم ، ألفريد (1946). "Zur Theorie der für alle Massen doppelfokussierenden Massenspektrographen" [ نظرية مطياف الكتلة مع التركيز المزدوج المستقل عن الكتلة ] . Zeitschrift für Naturforschung A. 1 (3): 137– 141. بيب كود : 1946ZNatA...1..137K . دوى : 10.1515/zna-1946-0306 . S2CID 94043005 . 
  5. شيلينغ جي دي؛ أندرادي إف جيه؛ بارنز جيه إتش؛ سبيرلاين آر بي؛ دينتون إم بي؛ بارينغا سي جيه؛ كوبينال دي دبليو؛ هيفتجي جي إم (2006). "توصيف كاميرا من الجيل الثاني ذات مستوى بؤري مقترنة بمطياف كتلة ذي هندسة ماتوش-هيرتسوغ ببلازما مقترنة حثيًا". مجلة الكيمياء التحليلية . 78 (13): 4319-25 . doi : 10.1021/ac052026k . PMID 16808438 . 
  6. دي لايتر، ج. وكورتز، م.د. (2006). "ألفريد نير ومطياف الكتلة ذو المجال القطاعي" . مجلة قياس الطيف الكتلي . 41 (7): 847-854 . Bibcode : 2006JMSp...41..847D . doi : 10.1002/jms.1057 . PMID 16810642 . 
  7. الاتحاد الدولي للكيمياء البحتة والتطبيقية (IUPAC موسوعة المصطلحات الكيميائية ، الطبعة الخامسة (الكتاب الذهبي) (2025). النسخة الإلكترونية: (2006 ) " هندسة نير-جونسون ". doi : 10.1351/goldbook.N04141
  8. US 4553029 ، ماتسودا، هيساشي ، "مطياف الكتلة"، نُشر في 12-11-1985، مُخصص لشركة جيول المحدودة. 

للمزيد من القراءة

  • تومسون، جيه جيه: أشعة الكهرباء الموجبة وتطبيقها في التحليلات الكيميائية؛ لونجمانز جرين: لندن، 1913