كيف يعمل مطياف الكتلة في فحص تناول العقاقير المنشطة

كيف يعمل مطياف الكتلة في فحص تناول العقاقير المنشطة

Mass Spectrometry and drug testing

لعبت الكيمياء التحليلية من خلال مطياف الكتلة دورا أساسيا في دوري كرة القدم الأمريكية البيسبول كيف ذلك؟ حيث استخدم مطياف الكتلة في معرفة اللاعبين الذين كانوا يتعاطون منشط السترويد الذي يتسبب في

زيادة القدرة العضلية بطريقة غير قانونية. مما تسبب لكثير من اللاعبين فضيحة رياضية أخرجتهم من الفريق. عادة ما يتم فحص اللاعبين الرياضيين المشاركين في البطولات العالمية للتأكد من عدم تناولهم للمنشطات التي تحقن في الجسم أو تبلع بواسطة الفم وذلك عن طريق تحليل عينة من البول في جهاز يتكون من ثلاثة أجهزة متصلة مع بعضها البعض تشبه أجهزة ماكينات تصوير المستندات، يقوم الكيميائيين بتحليل العينة وباستخدام هذا الجهاز والذي يعرف باسم مطياف الكتلة mass spectrometer وتظهر النتيجة على الفور إما سلبية أو ايجابية.

اذا كانت النتيجة ايجابية تبدأ وسائل الإعلام بالحديث عن المدة التي تعاطي فيها اللاعب المنشطات ومقدارها وهل حقق جوائز خلال فترة تعاطيه وغيرها من الأسئلة والاستفسارات الإعلامية دون أن تشير إلى الجهاز الذي استخدم للكشف عن هذه المنشطات في جسم الإنسان.

في هذا المقال من كيف تعمل الأشياء سوف نقوم بإعطاء جهاز مطياف الكتلة حقه من الشرح والتوضيح من ناحية مكوناته وفكرة عمله واستخداماته المتعددة.

أساسيات فيزيائية هامة حول مطياف الكتلة

لتوضيح الأساس العلمي لمطياف الكتلة دعنا نفترض انك تريد أن تزن شاحنة نقل كبيرة، فان أسهل طريقة لفعل ذلك هو أن تقود الشاحنة لتقف فوق ميزان كبير. الآن لنفترض انك تريد أن تقوم بوزن احد إطارات الشاحنة فيمكنك أن تستخدم ميزان عادي لتحصل على المعلومات التي تريد. دعنا الآن نفترض انك تريد أن تزن الصامولة المثبتة للإطار فانه يمكنك أن تحصل على الوزن باستخدام ميزان المطبخ البسيط. وفي النهاية اذا أردت أن تزن احد الذرات التي نتجت عن كشط سطح الصامولة. كيف سوف تقوم بذلك؟ بالتأكيد أكثر الموازين حساسية لن تعطيك أي نتيجة لان وزن الذرة اقل بكثير من ان يرصد بميزان حساس أو ميزان الكتروني.

 عرض يوضح فكرة مطياف الكتلة

مطياف الكتلة mass spectrometer هو احد أهم التقنيات المستخدمة في الكيمياء التحليلية analytical chemistry ويصاحبه أكثر من مصطلح وهي على النحو التالي.

جهاز الطيف الكتلي mass spectrometry هو جهاز تحليل يستخدم لتعين المركبات الكيميائية في عينة

مطياف الكتلة mass spectrometer هو جهاز دقيق يستخدم لتحليل الكتل ويمكن أن يكون بحجم صغير تضعه فوق المكتب ويمكن ان يصل حجمه إلى حجم غرفة كبيرة.

طيف الكتلة mass spectrum هي الخطوط التي تظهر على شكل منحنى بياني بارتفاعات مختلفة.

فني مطياف الكتلة mass spectrometrist هو الفني المتخصص في تشغيل جهاز الطيف الكتلي.

هذه هي الحالة التي كانت تواجه الكيميائيين في بدايات القرن التاسع عشر. والشكر يعود للعالم جون دالتون John Dalton الذي وضع النظرية الذرية، حيث أصبح من المعلوم إن المادة مكونة من ذرات وان الذرات المكونة لأي عنصر هي نفس الذرات، ولكن السؤال كان ما هو شكل الذرة وكيف تبدو وكم تزن؟ في العام 1897 اكتشف العالم ج ج طومسون J.J. Thomson الإلكترون من خلال دراسة سلوك أشعة المهبطـ، حيث اكتشف إن هذه الأشعة هي عبارة عن جسيمات صغيرة سالبة الشحنة سماها بالالكترونات، وبعد سنة من اكتشافه تمكن العالم ويلي وين Willy Wien من استخدام أشعة من جسيمات موجبة الشحنة تنبعث من الانود وتتحرك في اتجاه الكاثود. لاحظ العالم وين إن المجال المغناطيسي يؤثر على الأشعة الموجبة ويجعلها تنحرف. بعد ذلك وفي العام 1907 بدأ طومسون التحكم في مسار الأشعة الموجبة باستخدام مجال مغناطيسي ومجال كهربي. واكتشف انه يمكن أن يعين كتلة تلك الجسيمات من خلال معرفة مقدار الانحراف تحت تأثير المجالين الكهربي والمغناطيسي.

في العام 1919 طور العالم فرانس استون Francis Aston طريقة طومسون وأدواته، ليصمم أول جهاز مطياف للكتلة. وهو جهاز يمكن أن نعرف من خلاله وزن الذرات والجزئيات. العالم استون استخدم المطياف لدراسة المئات من النظائر الطبيعية. اليوم الكيميائيين يستخدمون مطياف الكتلة لقياس الأوزان الجزئية للعناصر والنظائر والمركبات. وإضافة إلى ذلك فإنهم يستخدمونه في التعرف على المركبات الكيميائية في عينة ما، وتحديد مقدار كل مركب كيميائي في العينة وتحليل المركبات الكيميائية المعقدة.

والآن عزيزي القارئ دعنا نلقي نظرة على جهاز مطياف الكتلة من الداخل…

لفهم فكرة عمل مطياف الكتلة دعنا نفترض إن هناك شخص موجود على سطح برج مرتفع. وقام بإسقاط كرات مختلفة الكتلة مثل كرة تنس وكرة سلة. بينما تسقط الكرة في اتجاه الأرض فإنها تنحرف عن مسارها بسبب الرياح فتأخذ مسار منحني والملاحظ إن انحناء مسار كرة التنس اكبر من مسار انحناء كرة السلة وذلك لان قوة الرياح لا تستطيع أن تؤثر على كتلة كرة السلة الكبيرة بنفس المقدار الذي تؤثر به على كرة التنس.

نفس الشيء يحدث في مقياس الكتلة، فيما عدا إن الذرات والجزئيات هي التي تنحرف في مجال كهربي أو مغناطيسي. وهذا يمكن أن يحدث في جهاز صغير بحجم فرن الميكروويف أو بحجم ثلاجة منزلية. يحتوي الجهاز على ثلاثة أجزاء هي غرفة التأين ionization chamber ومحلل الكتلة mass analyzer والكاشف detector. كيف تعمل هذه الأجزاء مع بعضها البعض؟

لكي تنحرف الذرات المتعادلة كهربي في المجال الكهربي أو المغناطيسي فإنها في البداية يجب ان تؤين ionized، أو أن تتحول إلى جسيمات مشحونة. وهذا يتم من خلال إزالة إلكترون أو أكثر من الذرة، ونحصل نتيجة لذلك على جسيم موجب الشحنة. يقوم الفني المختص Spectrometrists أحيانا بقذف العينة بشعاع من الالكترونات لتأيين الجزئيات وهذه العملية تعرف باسم التأين بالرش الالكتروني electrospray ionization، والتي تجبر العينة على التخلص من إلكترون أو أكثر، وفي كلا الحالتين فان هذه الخطوة الأولى المتبعة في مطياف الكتلة وهي الحصول على ايونات موجبة.

الخطوة الثانية هي أن الايونات الموجبة تتحرك خارج غرفة التأين. والقوة المحركة لهذه الايونات هي مجال كهربي ناتج عن شبكتين معدنيتين، احد هاتين الشبكتين مشحونا بشحنة موجبة لتحرك الايونات الموجبة في اتجاه الخروج من غرفة التأين بواسطة قوة التنافر الكهربية والشبكة الثانية تكون ذات شحنة سالبة لتسحب الايونات الموجبة في اتجاه الخروج تحت تأثير قوة التجاذب الكهربية. تتحرك الايونات تحت تأثير المجال الكهربي بسرعة في اتجاه الشبكة السالبة وتمر الايونات الموجبة من خلال فتحات الشبكة عند سرعات مختلفة، فالايونات الأخف تتحرك بسرعة اكبر من الايونات الأثقل.

طبقا لقوانين الكهرومغناطيسية فان الجسيمات المشحونة المتحركة تولد مجال مغناطيسي حولها. وهنا نستفيد من هذه الخاصية في مطياف الكتلة في الجزء الثالث من الجهاز والذي سنقوم بتوضيحه في الجزء التالي من هذا المقال. كما يمكنك الاستفادة من هذه المحاضرة اضغط هنا.

انحراف الجسيمات المشحونة ورصدها

إنتاج الايونات وتعجيلها يعتبر من التجهيزات الأساسية في مطياف الكتلة ويأتي بعد ذلك عملية التحليل الكتلي والتي هي وظيفة جهاز مطياف الكتلة. وتتم هذه العملية من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي على الايونات الخارجة من غرفة التأين. تتأثر الجسيمات المشحونة المتحركة بسرعة في المجال المغناطيسي الخارجي فتتأثر بقوة مغناطيسية تعمل على انحرافها عن مسارها ويعتمد مقدار الانحراف على كتلة تلك الجسيمات المشحونة ومقدار الشحنة على كل جسيم.

يتم التعامل مع هاذين المتغيرين (الكتلة والشحنة) من خلال قيمة النسبة بين الكتلة والشحمة. والتي تعرف بـ mass-to-charge ratio ويرمز لها بالرمز m/z. فمثلا اذا كان الايون له كتلة مقدارها 18 amu وشحنة +1 فان النسبة m/z تساوي 18. وإذا كانت الكتلة 36 amu والشحنة +2 فان النسبة m/z تساوي أيضا 18. في معظم الأحيان يكون مقدار الشحنة +1. وهذا يعني ان النسبة m/z لأغلب الايونات التي تعبر المجال المغناطيسي لمطياف الكتلة هو نفسه كتلة الايون.

النتيجة النهائية هي إن كل ايون يسلك مسار مستقل يعتمد على كتلة كما هو موضح في الشكل أعلاه. فحزمة الايونات A تمثل الايونات الأخف وزنا في حين إن حزمة الايونات C هي الأكثر وزنا وحزمة الايونات B تقع بين الحزمتين. نلاحظ أن انحراف حزمة الايونات A اكبر من انحراف الحزمة B وانحراف الحزمة B اكبر من انحراف الحزمة C. والجدير بالذكر إن حزمة واحدة فقط هي التي تعبر إلى وحدة الكشف ليتم رصدها. ويقوم الفني المختص بتعديل مقدار شدة المجال المغناطيسي ليتمكن من رصد كل الايونات.

يستخدم برنامج كمبيوتر لتحليل البيانات التي رصدت بواسطة الكاشف ويعرضها في صورة مخطط بياني يسمى طيف الكتلة mass spectrum يمثل المحور x الكتلة بوحدة amu في حين يمثل المحور y الشدة وهي كمية تعبر عن مقدار الايونات عن تلك الكتلة.

استخدام مطياف الكتلة في تحليل العينات

قديما استخدم مطياف الكتلة لتحليل العينات في صورة غاز ولكن في يومنا هذا يمكن تحليل جميع أنواع العينات حتى لو كانت في الصورة السائلة أو الصلبة. يقوم الفني المختص بإدخال العينة في غرفة التأين وإذا كانت العينة معقدة التركيب فانه يدخلها في مرحلة ابتدائية وظيفتها فصل مركبات العينة إلى أجزاء ويستخدم لهذا الغرض جهاز Chromatography يمكن ان نسميه جهاز الفصل اللوني وهو من أكثر الطرق المستخدمة لعميلة الفصل الابتدائية ويمكن أن تتم من خلال جهاز الفصل اللوني الغازي gas chromatography (GC) أو جهاز الفصل اللوني السائلliquid chromatography (LC). وفي هذه الطريقة يتم فصل العينة إلى سلسلة من المركبات عن طريقة تحليل العينة في المرحلة الأولى في صورة غاز أو سائل ومن ثم تمريرها في مادة أخرى كمرحلة ثانية. العنصر القابل للذوبان في المرحلة الأولى يتحرك بسرعة اقل من العنصر الغير مذاب ولكنه في المرحلة الثانية يذوب. ونتيجة لذلك فان العناصر المختلفة تنفصل عن بعضها البعض. وكل عنصر يدخل إلى مطياف الكتلة لتتم عملية التحليل الكتلي.

اختبار فحص وجود أثار لتناول العقاقير المنشطة من خلال تحليل البول باستخدام عملية الفصل gas chromatography ثم باستخدام أكثر من جهاز مطياف الكتلة بتقنية تعرف باسم مطياف الكتلة الترادفي tandem mass spectrometry وذلك في الفحوصات التي تتطلب دقة تحليلية عالية.

كيف تتحقق لجنة التحكيم من تعاطي الرياضيين لمنشط السترويد أم لا؟ في البداية يقوم الكيميائي بتحليل عدة أنواع من السترويد المتعارف عليها ليحصلوا على طيف الكتلة الخاص بهذه المركبات لاستخدامها في عملية المقارنة. ثم في المرحلة الثانية يتم إجراء تحليل عينة بول عادي لا يوجد فيه أثار لمنشط السترويد ثم يتم فحص عينة من البول للمشاركين في الألعاب الرياضية بواسطة تقنية الفصل اللوني ومطياف الكتلة. تتم بعد ذلك مقارنة نتائج الطيف الكتلة بطيف الكتلة لعينة البول النقية لمعرفة اذا ما وجد أي اثأر للمنشطات المحظورة.

لاحظ في الشكل الموضح أعلاه أن هناك قيمة عظمى في نتائج الفحص للعينة تتطابق تماما مع القيمة العظمى لطيف الكتلة في عينة السترويد وهذا يشير إلى تناول صاحب هذه العينة للسترويد.

تطبيقات أخرى لجهاز مطياف الكتلة

فحص تناول المنشطات يعتبر احد التطبيقات العديدة لجهاز مطياف الكتلة. فان هناك الكثير من التطبيقات الهامة والأساسية والتي لا يمكن لأي باحث الاستغناء عنها ومن هذه التطبيقات نذكر بعض الأمثلة:

(1) يستخدم الفلكيون جهاز مطياف الكتلة لتحديد أنواع العناصر والنظائر الموجودة في الرياح الشمسية فعلى سبيل المثال طيف الكتلة للرياح الشمسية كشف عن وجود العناصر التالية وهي الكربون (12 amu) والأكسجين (16 amu) والنيون (20 amu) والماغنيسيوم (24 amu) والسيلكون (28 amu) والحديد (56 amu).

(2) يستخدم علماء البيئة مطياف الكتلة في الكشف عن السموم في الأسماك الملوثة وكذلك في قياس مقدار الجسيمات وأنواعها في الهواء واستخدام هذه البيانات في مراقبة التغيرات الجوية.

(3) علماء الأحياء يستخدموا جهاز مطياف الكتلة في التعرف على تركيب الجزئيات البيولوجية المعقدة، مثل الكربوهيدرات والبروتينات والأحماض الامينية. وعلى سبيل المثال علماء الفيروسات استخدموا مطياف الكتلة في فهم أكثر عمقا لفيروس المناعة HIV.

(4) أطباء التخدير استخدموا مطياف الكتلة خلال العمليات الجراحية لقياس معدلات الايض في الخلية الحية، ولتقدير حجم ثاني أكسيد الكربون الناتج بالنسبة لحجم الأكسجين لمعرفة اذا ما كانت خلايا المريض تتلقى الكمية الكافة من الأكسجين.

(5) الجيولوجيين استخدموا مقياس الكتلة لتحديد مواقع الآبار النفطية عن طريق تحليل طيف الكتلة للصخور للبحث عن وجود أثار نفطية قبل الشروع في عمليات الحفر. كما يمكن استخدام جهاز مطياف الكتلة في قياس أعمار الاحافير من خلال قياس الكربون 12 والكربون 14 النظير في العينة لمعرفة عمرها.

بالطبع هذه التطبيقات لا تكون على عناوين الأخبار مثل أخبار الرياضة وفحص نجوم الرياضة لتناوله عقار السترويد وخاصة اذا ظهرت النتيجة ايجابية. ولهذا كان تركيزنا في هذا المقال على فحص عقار السترويد لتوضيح فكرة عمل جهاز مطياف الكتلة. أتمنى ان يكون الموضوع مفيدا والآن عندما نسمع ان احد الرياضيين اخرج من البطولة بسبب تناول عقار السترويد سنعرف كيف تم التأكد من ذلك.

لا مانع من أن يتم نقل الموضوع إلى أي موقع على شبكة الانترنت مع ذكر المصدر (اسم الكاتب وعنوان الموقع)

ولمزيد من المعلومات يرجى زيارة هذه المواقع

http://www.hazemsakeek.com/Physics_Lectures/Magnetic/mageniticlectures_4.htm

http://genesismission.jpl.nasa.gov/science/mod3_SunlightSolarHeat/MassSpectrometry/index.html

http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/maspec.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_spectrometry

والى اللقاء في مقالات أخرى من كيف تعمل الأشياء

دكتور حازم فلاح سكيك