Selected-ion flow-tube mass spectrometry
सेलेक्टेड-आयन फ्लो-ट्यूब मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एस. आई. एफ. टी.-एम. एस.) ट्रेस गैस विश्लेषण के लिए एक मात्रात्मक मास स्पेक्ट्रोमेट्री तकनीक है जिसमें फ्लो ट्यूब के साथ एक अच्छी तरह से परिभाषित समय अवधि के दौरान चयनित सकारात्मक अग्रदूत आयनों द्वारा ट्रेस वाष्पशील यौगिकों का रासायनिक आयनीकरण शामिल है। हवा, सांस या बोतलबंद तरल नमूनों के शीर्ष स्थान में मौजूद ट्रेस यौगिकों की पूर्ण सांद्रता की गणना वास्तविक समय में पूर्ववर्ती और उत्पाद आयन संकेत अनुपात के अनुपात से की जा सकती है, बिना मानक मिश्रणों के साथ नमूना तैयार करने या अंशांकन की आवश्यकता के। व्यावसायिक रूप से उपलब्ध एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. उपकरणों की पहचान सीमा एकल अंकीय पी. पी. टी. वी. सीमा तक फैली हुई है। यह उपकरण चयनित आयन प्रवाह नली, एस. आई. एफ. टी., तकनीक का एक विस्तार है, जिसे पहली बार 1976 में एडम्स और स्मिथ द्वारा वर्णित किया गया था। यह एक तेज प्रवाह नली/आयन झुंड विधि है जो परमाणुओं और अणुओं के साथ सकारात्मक या नकारात्मक आयनों को वास्तव में तापीकृत परिस्थितियों में तापमान की एक विस्तृत श्रृंखला पर प्रतिक्रिया करती है। इसका व्यापक रूप से आयन-अणु प्रतिक्रिया कैनेटीक्स का अध्ययन करने के लिए उपयोग किया गया है। 20 साल की अवधि में आयनोस्फेरिक और इंटरस्टेलर आयन रसायन विज्ञान में इसका अनुप्रयोग इन विषयों की उन्नति और समझ के लिए महत्वपूर्ण रहा है। एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. को शुरू में मानव श्वास विश्लेषण में उपयोग के लिए विकसित किया गया था, और इसने शारीरिक निगरानी और रोग निदान के लिए एक गैर-आक्रामक उपकरण के रूप में बहुत अच्छा प्रदर्शन किया है। तब से इसने विभिन्न प्रकार के क्षेत्रों में उपयोग की क्षमता दिखाई है, विशेष रूप से जीवन विज्ञान में, जैसे कि कृषि और पशुपालन, पर्यावरण अनुसंधान और खाद्य प्रौद्योगिकी। एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. को एक तकनीक के रूप में लोकप्रिय बनाया गया है जिसे क्राइस्टचर्च, न्यूजीलैंड में स्थित एस. आई. एफ. टी. टेक्नोलॉजीज द्वारा बेचा और विपणन किया जाता है। एस. आई. एफ. टी. तकनीक, जो एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. का आधार है, की कल्पना और विकास लगभग 40 साल पहले बर्मिंघम विश्वविद्यालय यू. के. में एन. जी. द्वारा किया गया था। एडम्स और डेविड। स्मिथ। प्रोफेसर डेविड स्मिथ का निधन 15 फरवरी, 2023 को हुआ। उपकरण चयनित आयन प्रवाह ट्यूब द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर में, एस. आई. एफ. टी.-एम. एस., आयन एक माइक्रोवेव प्लाज्मा आयन स्रोत में उत्पन्न होते हैं, आमतौर पर प्रयोगशाला हवा और जल वाष्प के मिश्रण से। गठित प्लाज्मा से, एक एकल आयनिक प्रजाति को "अग्रदूत आयनों" के रूप में कार्य करने के लिए एक चतुर्भुज द्रव्यमान फिल्टर का उपयोग करके चुना जाता है (जिसे अक्सर एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. और रासायनिक आयनीकरण से जुड़ी अन्य प्रक्रियाओं में प्राथमिक या अभिकर्मक आयनों के रूप में भी जाना जाता है)। एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. विश्लेषणों में, एच. 3. ओ. +, एन. ओ. + और ओ. 2 + का उपयोग पूर्ववर्ती आयनों के रूप में किया जाता है, और इन्हें इसलिए चुना गया है क्योंकि वे हवा के प्रमुख घटकों (नाइट्रोजन, ऑक्सीजन, आदि) के साथ महत्वपूर्ण प्रतिक्रिया नहीं करने के लिए जाने जाते हैं। ), लेकिन कई बहुत ही निम्न स्तर (ट्रेस) गैसों के साथ प्रतिक्रिया कर सकते हैं। चयनित अग्रदूत आयनों को एक वेंटुरी छिद्र (~ 1 मिमी व्यास) के माध्यम से एक बहती वाहक गैस (आमतौर पर 1 टॉर के दबाव पर हीलियम) में इंजेक्ट किया जाता है जहां वे संवहन द्वारा प्रतिक्रिया प्रवाह नली के साथ यात्रा करते हैं। साथ ही, एक नमूना वाष्प के तटस्थ विश्लेषणात्मक अणु एक गर्म नमूना नली के माध्यम से प्रवाह नली में प्रवेश करते हैं, जहां वे पूर्ववर्ती आयनों से मिलते हैं और उनके रासायनिक गुणों के आधार पर रासायनिक आयनीकरण से गुजर सकते हैं, जैसे कि उनकी प्रोटॉन आत्मीयता या आयनीकरण ऊर्जा। नवगठित "उत्पाद आयन" द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमीटर कक्ष में प्रवाहित होते हैं, जिसमें एक दूसरा चतुर्भुज द्रव्यमान फिल्टर और एक इलेक्ट्रॉन गुणक डिटेक्टर होता है, जिसका उपयोग आयनों को उनके द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात (m/z) द्वारा अलग करने और वांछित m/z सीमा में आयनों की गणना दरों को मापने के लिए किया जाता है। विश्लेषण अलग-अलग यौगिकों की सांद्रता को बड़े पैमाने पर पूर्ववर्ती और उत्पाद आयनों की गणना दरों का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है, और प्रतिक्रिया दर गुणांक, k. H3O + के साथ एक्सोथर्मिक प्रोटॉन स्थानांतरण प्रतिक्रियाओं को टकराव दर पर आगे बढ़ने के लिए माना जाता है (टकराव सिद्धांत देखें), जिसके लिए गुणांक, kc, सु और चेसनाविच द्वारा वर्णित विधि का उपयोग करके गणना की जा सकती है, जो ध्रुवीकरण प्रदान करता है और द्विध्रुवीय क्षण प्रतिक्रियाशील अणु के लिए जाने जाते हैं। एन. ओ. + और ओ. 2 + अभिक्रियाएँ कम बार-बार के. सी. पर आगे बढ़ती हैं, और इस प्रकार इन पूर्ववर्ती आयनों के साथ अभिकारक अणु की प्रतिक्रिया दरों को अक्सर प्रत्येक एन. ओ. + और ओ. 2 + पूर्ववर्ती आयनों की गणना दरों में गिरावट की तुलना एच. 3. ओ. + से करके प्रयोगात्मक रूप से प्राप्त किया जाना चाहिए क्योंकि अभिकारक अणुओं का नमूना प्रवाह बढ़ जाता है। 200 से अधिक अस्थिर यौगिकों के लिए उत्पाद आयन और दर गुणांक इस तरह से प्राप्त किए गए हैं, जो वैज्ञानिक साहित्य में पाए जा सकते हैं। उपकरण को या तो द्रव्यमान स्पेक्ट्रम (पूर्ण स्कैन, एफ. एस., मोड) का उत्पादन करने के लिए द्रव्यमान की एक श्रृंखला में स्कैन करने के लिए प्रोग्राम किया जा सकता है, या रुचि के केवल एम/जेड मूल्यों (एकाधिक आयन निगरानी, एम. आई. एम., मोड) के बीच तेजी से स्विच करने के लिए। उपरोक्त पूर्ववर्ती आयनों (H3O +, NO +, और O2 +) के विभिन्न रासायनिक गुणों के कारण, वाष्प के नमूने के लिए अलग-अलग FS मोड स्पेक्ट्रा का उत्पादन किया जा सकता है, और ये नमूने की संरचना से संबंधित अलग-अलग जानकारी दे सकते हैं। इस जानकारी का उपयोग करके, मौजूद ट्रेस यौगिकों की पहचान करना अक्सर संभव होता है। दूसरी ओर, एम. आई. एम. मोड, आमतौर पर प्रत्येक आयन पर बहुत लंबे समय तक रहने का समय नियोजित करेगा, और परिणामस्वरूप, प्रति अरब (पी. पी. बी.) स्तर के भागों के लिए सटीक मात्रा संभव है। एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. एक अत्यंत नरम आयनीकरण प्रक्रिया का उपयोग करता है जो परिणामी स्पेक्ट्रा को बहुत सरल बनाता है और इस तरह मानव श्वास जैसे गैसों के जटिल मिश्रणों के विश्लेषण की सुविधा प्रदान करता है। एक अन्य बहुत ही नरम आयनीकरण तकनीक माध्यमिक विद्युत प्रवाह आयनीकरण (एसईएसआई-एमएस) है। उदाहरण के लिए, प्रोटॉन-हस्तांतरण-प्रतिक्रिया द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री (पीटीआर-एमएस), एक अन्य नरम आयनीकरण तकनीक जो एच3ओ + अभिकर्मक आयन का उपयोग करती है, को एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. की तुलना में काफी अधिक उत्पाद आयन विखंडन देने के लिए दिखाया गया है। एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. की एक अन्य प्रमुख विशेषता अपस्ट्रीम द्रव्यमान चतुर्भुज है, जो कई पूर्ववर्ती आयनों के उपयोग की अनुमति देता है। तीन अलग-अलग स्पेक्ट्रा प्राप्त करने के लिए तीन अग्रदूत आयनों, H3O +, NO + और O2 + का उपयोग करने की क्षमता बेहद मूल्यवान है क्योंकि यह प्रचालक को यौगिकों की एक बहुत व्यापक विविधता का विश्लेषण करने की अनुमति देता है। इसका एक उदाहरण मीथेन है, जिसका पूर्ववर्ती आयन के रूप में H3O + का उपयोग करके विश्लेषण नहीं किया जा सकता है (क्योंकि इसकी प्रोटॉन आत्मीयता 543.5kJ/mol है, जो H2O की तुलना में कुछ कम है), लेकिन इसका विश्लेषण O2 + का उपयोग करके किया जा सकता है। इसके अलावा, तीन अग्रदूत आयनों का समानांतर उपयोग प्रचालक को दो या दो से अधिक यौगिकों के बीच अंतर करने की अनुमति दे सकता है जो कुछ स्पेक्ट्रा में समान द्रव्यमान-से-आवेश अनुपात के आयनों का उत्पादन करने के लिए प्रतिक्रिया करते हैं। उदाहरण के लिए, डाइमिथाइल सल्फाइड (C2H6S, 62 amu) एक प्रोटॉन को स्वीकार करता है जब यह H3O + के साथ प्रतिक्रिया करके C2H7S + उत्पाद आयन उत्पन्न करता है जो परिणामी स्पेक्ट्रम में m/z 63 पर दिखाई देते हैं। यह अन्य उत्पाद आयनों के साथ संघर्ष कर सकता है, जैसे कि कार्बन डाइऑक्साइड, H3O + CO2 के साथ प्रतिक्रिया से संबद्ध उत्पाद, और प्रोटोनेटेड एसिटाल्डिहाइड आयन, C2H5O + (H2O) का एकल हाइड्रेट, जो m/z 63 पर भी दिखाई देता है, और इसलिए यह कुछ नमूनों में अज्ञात हो सकता है। हालांकि डाइमिथाइल सल्फाइड चार्ज हस्तांतरण द्वारा NO + के साथ प्रतिक्रिया करता है, आयन C2H6S + का उत्पादन करने के लिए, जो परिणामी स्पेक्ट्रा में m/z 62 पर दिखाई देता है, जबकि कार्बन डाइऑक्साइड NO + के साथ प्रतिक्रिया नहीं करता है, और एसिटाल्डेहाइड एक हाइड्राइड आयन दान करता है, जो m/z 43, C2H3O + पर एक एकल उत्पाद आयन देता है, और इसलिए डाइमिथाइल सल्फाइड को आसानी से अलग किया जा सकता है। हाल के वर्षों में, एस. आई. एफ. टी.-एम. एस. प्रौद्योगिकी में प्रगति ने इन उपकरणों की संवेदनशीलता को इस तरह बढ़ाया है कि पता लगाने की सीमा अब एकल-अंक-पी. पी. टी. स्तर तक बढ़ गई है। संदर्भ साहित्य "चयनित आयन प्रवाह नली (एस. आई. एफ. टी.); आयन-तटस्थ प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए एक तकनीक" एडम्स एन. जी., स्मिथ डी.; इंटरनेशनल जर्नल ऑफ मास स्पेक्ट्रोमेट्री एंड आयन फिजिक्स 21 (1976) पीपी। "प्रक्षेपवक्र गणना द्वारा आयन-ध्रुवीय अणु टकराव दर स्थिरांक का परिमाणीकरण" सु टी., चेसनाविच डब्ल्यू. जे. ; जर्नल ऑफ केमिकल फिजिक्स 76 (1982) पीपी. 5183-5186। "सेलेक्टेड आयन फ्लो ट्यूब मास स्पेक्ट्रोमेट्री (एस. आई. एफ. टी.-एम. एस.) फॉर ऑन-लाइन ट्रेस गैस एनालिसिस" स्मिथ डी., स्पैनल पी.; मास स्पेक्ट्रोमेट्री रिव्यूज़ 24 (2005) पीपी. 661-700। "चयनित आयन प्रवाह ट्यूब द्रव्यमान स्पेक्ट्रोमेट्री का उपयोग करके आर्द्र हवा में मीथेन की मात्रा और सांस छोड़ने की मात्रा" ड्रायाहिना के., स्मिथ डी., स्पैनल पी.; मास स्पेक्ट्रोमेट्री में त्वरित संचार 24 (2010) पीपी. 1296-1304। मास स्पेक्ट्रोमेट्री