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

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

∆m = (Zm_p + (A-Z)m_n)-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