crm@scispec.co.th

02-454-8533

Written by Pongsagon Pothavorn
Star InactiveStar InactiveStar InactiveStar InactiveStar Inactive
 

ติดตามตอนที่ 1 ได้ที่นี่

 

มวลพร่องและการวัดผลแบบ Accurate Mass ของไอโซโทป

             เทคนิคของการแยกสารโดยอาศัยโครมาโตกราฟีแบบของเหลว ควบคู่กับการวิเคราะห์มวลสารด้วยเครื่องแมสสเปคโตรมิเตอร์นั้น มีอุปสรรคที่ใหญ่เป็นก้างขวางคออยู่นั่นคือ การไม่มีระบบฐานข้อมูลที่เป็นสากล เนื่องจากกลวิธีของการทำงานและการตรวจวัดมวลสารของเครื่องในแต่ละผู้ผลิต มีแนวคิดและวิธีการที่แตกต่างกัน ดังนั้นการหาเอกลักษณ์ของสารที่สนใจจึงมีกลวิธีที่แตกต่างกัน หนึ่งในนั้นคือการวัดผลแบบ Accurate Mass

             การวัดผลแบบ Accurate Mass ของไอโซโทปต่างๆ เกิดขึ้นจากสิ่งที่เรียกว่า “มวลพร่อง” (Mass Defect)  ในที่นี้เพื่อให้เห็นภาพชัดเจนขึ้น ผมขออนุญาติยกตัวอย่างโดยใช้ธาตุสามัญที่ทุกคนรู้จักกันดี นั่นคือ ไฮโดรเจน ครับ

เลขอะตอม

 

สัญลักษณ์

ชื่อธาตุ

มวลนิวเคลียส amu

1

1H1

ไฮโดรเจน

1.007276

2

2H1

ดิวเทอรอน

2.013553

3

3H1

ตริเตียม

3.016049

0

e

อิเล็กตรอน

0.000549

          

มวลพร่อง หมายถึงส่วนมวลที่หายไป โดยเมื่อนิวคลีออนอิสระมารวมกันเป็นนิวเคลียสมวลของนิวเคลียสที่เกิดใหม่ จะมีมวลน้อยกว่าผลรวมของนิวคลีออนอิสระก่อนรวม ถ้าให้ M แทนนิวเคลียสที่มีเลขมวล A และมีเลขอะตอม Z ซึ่ง Z ก็คือจำนวนประจุบวกซึ่งแต่ละประจุมีมวล mp และค่า A-Z คือจำนวนนิวตรอนซึ่งแต่ละตัวมีมวล mn ดังนั้นจะคำนวนหามวลพร่องได้ดังนี้

∆m = (Zmp + (A-Z)mn)-M  Ž

โดยที่ ∆m แทนมวลพร่อง มีหน่อยเป็นดาลตัน

             แล้วมวลที่พร่องนี้ หายไปไหน ? คำตอบอยู่ที่สมการยอดฮิต นั่นก็คือ สมการสัมพัทธภาพพิเศษของอัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ E=mc2 นั่นเอง พลังงานที่เกิดขึ้นจากมวลที่หายไป คือ พลังงานแรงยึดเหนี่ยว (Binding Energy) นั่นเอง

รูปที่ 2 ตารางธาตุในปัจจุบันมีอยู่สองลักษณะ นั่นคือแบบที่บอกเลขมวลเป็นจำนวนเต็ม- Norminal Mass และแบบที่บอกเลขมวลเฉลี่ย – Average Mass อันเกิดจากผลรวมของมวลเฉลี่ยของธาตุต่างๆเมื่อคำนวนจากมวลของไอโซโทปของแต่ละธาตุ (รุปที่แสดง)

             ยกตัวอย่างรูปแบบของการคิดมวลพร่อง เช่น 12C ประกอบด้วยโปรตอนหกตัว ซึ่งมีมวลตัวละ 1.007277 ดาลตัน อิเล็กตรอนหกตัว ซึ่งมีมวลตัวละ 0.000548597 ดาลตัน และนิวตรอนหกตัว ซึ่งมีมวลตัวละ 1.008665 ดาลตัน เมื่อคำนวนมวลของ 12C จะมีค่าเป็น 12.098943 ดาลตัน อย่างไรก็ตาม 12C ได้ถูกกำหนดให้มีมวลอ้างอิงคือ 12.0000 ดาลตัน ดังนั้นมวลที่หายไป 0.0989043 ดาลตัน จะถูกเปลี่ยนแปลงเป็นพลังงานยึดเหนี่ยว ตามสมการสัมพัทธภาพพิเศษ เพื่อที่จะสามารถยึดประจุบวกของโปรตอนให้อยู่รวมกันได้เป็นนิวเคลียส

แล้วเจ้า มวลพร่อง กับ Accurate Mass เกี่ยวข้องกันอย่างไร ? เราอาจต้องย้อนกลับไปในอดีตเพื่อเรียนรู้เหตุการณ์วันที่เจ้ามวลพร่องได้ถูกนิยามขึ้น

ในยุคแรกเดิมทีนั้น การกำหนดมวลอ้างอิงใช้ธาตุอ๊อกซิเจน ให้มีมวล 16.0000 ดาลตัน แต่แล้วในปี คศ.1961 นักฟิสิกส์และนักเคมีได้ตกลงที่จะเปลี่ยนไปใช้ธาตุคาร์บอน โดยกำหนดให้ 12C มีมวลอ้างอิงเป็น 12.0000 ดาลตัน และด้วยเหตุการณ์ครั้งนี้ ไฮโดรเจนถ้าอะตอมได้ถูกนิยามให้มีมวล 1.0078 ดาลตัน ซึ่ง ซึ่งค่านี้ใกล้เคียงกับค่ามวลของ โปรตอนและอิเล็กตรอนที่มีอยู่ในอะตอมของไฮโดรเจนนั่นเอง เอวังด้วยประการะฉะนี้นี่เอง จึงสามารถสร้างตารางธาตุแบบมวลอะตอมเฉลี่ยขึ้นมาได้ ดังนั้นธาตุต่างๆในแต่ละไอโซโทปจึงถูกคิดมวลออกมา ยกตัวอย่างเช่น C6H6 หรือวงเบนซีนที่รู้จักกันดี จะมีมวลเมื่ออ่านแบบจำนวนเต็มคือ 78 ดาลตัน หรือหากอ่านแบบ Accurate Mass จะได้ 78.04695 ดาลตัน ซึ่งมวลพร่องก็คือ 0.04695 ดาลตันนั่นเอง

การทำงาน โดยเจ้าเครื่องแมสสเปคโตรมิเตอร์ ที่ว่า จะเริ่มจากการที่เครื่องต้องอ่านค่ามวลได้อย่างถูกต้องแบบ Accurate Mass ซึ่งเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุด จากนั้นจึงหาโครงสร้างที่สามารถเป็นไปได้โดยเทียบจากมวลที่วัดได้จากขั้นแรก โดยเทียบกับฐานข้อมูล ขั้นสุดท้าย จะเป็นขั้นตอนการแตกไอออนเพื่อเป็นการยืนยันโครงสร้างของสาร โดยอาจเทียบกับสารมาตราฐานเพื่อเพิ่มความเชื่อมั่นให้สูงที่สุด

ในขั้นตอนที่ 1 และสอง ปัจจัยหนึ่งที่ช่วยในการพิจารณาลักษณะโครงสร้างของโมเลกุล “ที่มีองค์ประกอบของไอโซโทปต่างๆกัน” รวมถึงการ Tagging หรือ Labeling ด้วย 13C เป็นต้น จำเป็นต้องอาศัยเครื่องมือที่มีค่าความละเอียดสูง ซึ่งสามารถวัดความแตกต่างของมวลนี้ได้ โดยปกติจะต้องมีค่าตั้งแต่ 100,000 FWHM เป็นต้นไป[6] ร่วมกับการพิจารณาโครงสร้างจากมวลพร่องที่เกิดขึ้น

Category: