Máy quang phổ khối (Mass spectrometer)

Nguyên lý hoạt động

Máy quang phổ khối hoạt động theo một quy trình gồm nhiều bước:

1. Ion hóa (Ionization): Mẫu được đưa vào máy và bị ion hóa bằng nhiều phương pháp khác nhau, ví dụ như bắn phá bằng chùm electron (Electron Ionization – EI), ion hóa hóa học (Chemical Ionization – CI), ion hóa bằng điện trường (Field Ionization – FI), ion hóa bằng desorbtion laser hỗ trợ nền (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – MALDI), ion hóa phun điện tử (Electrospray Ionization – ESI),… Quá trình ion hóa tạo ra các ion mang điện tích, thường là ion dương.
2. Gia tốc (Acceleration): Các ion được tạo ra được gia tốc qua một điện trường, tất cả đạt được cùng động năng. Theo công thức động năng:

$KE = \frac{1}{2}mv^2 = zV$

Trong đó:

• KE: Động năng
• m: Khối lượng ion
• v: Vận tốc ion
• z: Điện tích ion
• V: Hiệu điện thế gia tốc

3. Tách khối (Mass Analyzer): Các ion được gia tốc đi vào bộ phân tích khối lượng, nơi chúng được tách ra dựa trên tỉ lệ m/z. Có nhiều loại bộ phân tích khối khác nhau, mỗi loại sử dụng một nguyên lý vật lý khác nhau để tách các ion, bao gồm:

• Bộ phân tích từ trường (Magnetic Sector): Sử dụng từ trường để làm lệch đường đi của các ion. Bán kính cong của đường đi tỉ lệ với $\sqrt{m/z}$.
• Bộ phân tích thời gian bay (Time-of-Flight – TOF): Đo thời gian các ion bay một khoảng cách cố định. Ion nhẹ hơn sẽ bay nhanh hơn.
• Bộ phân tích tứ cực (Quadrupole): Sử dụng điện trường dao động để lọc các ion dựa trên tỉ lệ m/z.
• Bẫy ion (Ion Trap): Giữ các ion trong một trường điện từ và sau đó đẩy chúng ra theo thứ tự m/z tăng dần.

4. Phát hiện (Detection): Các ion được tách ra được phát hiện bởi một detector, thường là một bộ nhân electron. Detector đo cường độ dòng ion tương ứng với mỗi giá trị m/z.
5. Xử lý dữ liệu (Data Processing): Tín hiệu từ detector được khuếch đại và xử lý bởi máy tính để tạo ra phổ khối. Phổ khối là một đồ thị biểu diễn cường độ tín hiệu (trục y) theo tỉ lệ m/z (trục x). Các đỉnh trong phổ khối tương ứng với các ion khác nhau có trong mẫu.

Ứng dụng

Máy quang phổ khối có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Hóa học phân tích: Xác định thành phần và cấu trúc của các hợp chất.
• Sinh học: Nghiên cứu protein, peptide, và các phân tử sinh học khác.
• Môi trường: Phát hiện và định lượng các chất ô nhiễm.
• Khoa học pháp y: Phân tích ma túy, chất nổ, và các bằng chứng khác.
• Y học: Chẩn đoán bệnh và theo dõi điều trị.
• Địa chất: Xác định tuổi của đá và nghiên cứu thành phần của khoáng vật.

Tóm lại, máy quang phổ khối là một công cụ mạnh mẽ và linh hoạt với nhiều ứng dụng trong khoa học và công nghệ. Sự phát triển liên tục của công nghệ này đã và đang đóng góp đáng kể vào sự tiến bộ của nhiều lĩnh vực nghiên cứu.

Các loại máy quang phổ khối phổ biến

Sự kết hợp khác nhau giữa phương pháp ion hóa và bộ phân tích khối tạo ra nhiều loại máy quang phổ khối khác nhau, mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các ứng dụng cụ thể. Dưới đây là một số ví dụ:

• GC-MS (Gas Chromatography-Mass Spectrometry): Kết hợp sắc ký khí (GC) với máy quang phổ khối. GC được sử dụng để tách các thành phần trong một hỗn hợp phức tạp, sau đó MS được sử dụng để xác định từng thành phần. Phương pháp ion hóa thường dùng là EI.
• LC-MS (Liquid Chromatography-Mass Spectrometry): Tương tự như GC-MS, nhưng sử dụng sắc ký lỏng (LC) để tách các thành phần. Các phương pháp ion hóa thường dùng là ESI và APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization).
• MALDI-TOF (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization – Time of Flight): Thường được sử dụng để phân tích các phân tử lớn như protein và polymer. Phương pháp ion hóa MALDI tạo ra các ion từ mẫu được trộn lẫn với một chất nền (matrix), sau đó các ion được phân tích bằng bộ phân tích TOF.
• ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometry): Sử dụng plasma cảm ứng để ion hóa mẫu. Phương pháp này thường được sử dụng để phân tích nguyên tố.

Độ phân giải và độ chính xác khối

Hai thông số quan trọng của máy quang phổ khối là độ phân giải và độ chính xác khối.

• Độ phân giải (Resolution): Khả năng phân biệt hai ion có tỉ lệ m/z gần nhau. Độ phân giải càng cao thì khả năng phân biệt càng tốt. Độ phân giải được định nghĩa là $R = m/\Delta m$, trong đó m là khối lượng của ion và $\Delta m$ là độ rộng của peak ở một chiều cao nhất định.
• Độ chính xác khối (Mass Accuracy): Khả năng đo chính xác khối lượng của ion. Độ chính xác khối thường được biểu thị bằng ppm (parts per million) hoặc mDa (millidalton).

Phân tích phổ khối

Phổ khối thu được từ máy quang phổ khối chứa nhiều thông tin về mẫu. Việc phân tích phổ khối bao gồm:

• Xác định ion phân tử: Đỉnh có tỉ lệ m/z cao nhất trong phổ khối thường tương ứng với ion phân tử (molecular ion), cho biết khối lượng phân tử của hợp chất.
• Xác định các mảnh ion: Các đỉnh khác trong phổ khối tương ứng với các mảnh ion (fragment ions) được tạo ra do sự phân rã của ion phân tử. Các mảnh ion cung cấp thông tin về cấu trúc của phân tử.
• Định lượng: Diện tích của các đỉnh trong phổ khối tỉ lệ với lượng ion tương ứng. Do đó, có thể sử dụng phổ khối để định lượng các thành phần trong mẫu.

Hạn chế

Mặc dù máy quang phổ khối là một công cụ phân tích mạnh mẽ, nó cũng có một số hạn chế:

• Không phân biệt được các đồng phân cấu trúc có cùng khối lượng phân tử.
• Một số hợp chất không dễ bị ion hóa.
• Chi phí cao.

• Mass Spectrometry: Principles and Applications by Edmond de Hoffmann and Vincent Stroobant
• Interpretation of Mass Spectra by Fred W. McLafferty and Frantisek Turecek
• Principles of Instrumental Analysis by Douglas A. Skoog, F. James Holler, and Stanley R. Crouch

Câu hỏi và Giải đáp

Sự khác biệt chính giữa ion hóa electron (EI) và ion hóa phun điện tử (ESI) là gì, và khi nào nên sử dụng mỗi phương pháp?

Trả lời: EI sử dụng một chùm electron năng lượng cao để ion hóa mẫu ở pha khí, thường tạo ra nhiều mảnh ion và rất hữu ích cho việc xác định cấu trúc. Tuy nhiên, EI có thể gây phân mảnh quá mức, khiến việc xác định ion phân tử khó khăn. ESI, mặt khác, ion hóa mẫu trong dung dịch bằng cách tạo ra các giọt nhỏ tích điện. ESI nhẹ nhàng hơn EI, tạo ra ít mảnh ion hơn và phù hợp cho phân tích các phân tử lớn, dễ phân hủy như protein và peptide.

Làm thế nào bộ phân tích thời gian bay (TOF) tách các ion dựa trên tỉ lệ m/z?

Trả lời: Bộ phân tích TOF đo thời gian các ion bay một khoảng cách cố định sau khi được gia tốc bởi một điện trường. Vì tất cả các ion nhận được cùng động năng ($KE = \frac{1}{2}mv^2 = zV$), ion nhẹ hơn sẽ có vận tốc lớn hơn và đến detector nhanh hơn ion nặng hơn. Thời gian bay tỷ lệ thuận với $\sqrt{m/z}$.

Độ phân giải của máy quang phổ khối ảnh hưởng như thế nào đến khả năng phân biệt các ion có m/z gần nhau?

Trả lời: Độ phân giải ($R = m/Δm$) càng cao thì khả năng phân biệt hai ion có m/z gần nhau càng tốt. Độ phân giải cao cho phép phân biệt các đỉnh riêng biệt cho các ion có khối lượng rất gần nhau, cung cấp thông tin chi tiết hơn về thành phần của mẫu. Với độ phân giải thấp, các đỉnh có thể chồng chéo lên nhau, gây khó khăn cho việc xác định và định lượng các ion riêng lẻ.

Ngoài xác định thành phần của mẫu, máy quang phổ khối còn có thể được sử dụng để làm gì?

Trả lời: Máy quang phổ khối có thể được sử dụng để định lượng các thành phần trong mẫu. Diện tích của đỉnh trong phổ khối tỷ lệ với lượng ion tương ứng. Ngoài ra, MS cũng có thể được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc phân tử bằng cách phân tích các mảnh ion, xác định đồng vị, và nghiên cứu động học phản ứng.

Tại sao việc lựa chọn chất nền (matrix) quan trọng trong MALDI-TOF?

Trả lời: Chất nền trong MALDI đóng vai trò hấp thụ năng lượng laser và chuyển nó thành năng lượng nhiệt, giúp ion hóa mẫu một cách nhẹ nhàng. Chất nền phù hợp phải có khả năng hấp thụ laser tốt, đồng thời tạo môi trường thuận lợi cho việc ion hóa và bay hơi mẫu. Việc lựa chọn chất nền phụ thuộc vào loại mẫu được phân tích và có thể ảnh hưởng đáng kể đến chất lượng của phổ khối.