Phổ khối ESI (Electrospray ionization (ESI))

Nguyên lý hoạt động

Quá trình ion hóa ESI diễn ra theo các bước sau:

1. Tạo giọt: Dung dịch mẫu được đưa qua một kim mao quản kim loại ở điện thế cao (vài kilovolt). Điện trường mạnh này gây ra sự tích điện trên bề mặt dung dịch, tạo thành một hình nón Taylor. Từ đỉnh của hình nón này, các giọt nhỏ mang điện được phun ra.
2. Bay hơi dung môi: Khi các giọt nhỏ di chuyển trong môi trường khí và chịu tác động của dòng khí nóng (thường là nitơ), dung môi bay hơi, làm giảm kích thước của giọt.
3. Tạo ion: Khi kích thước giọt giảm, mật độ điện tích bề mặt tăng lên. Điều này dẫn đến sự phân hạch Coulomb, tức là các giọt vỡ ra thành các giọt nhỏ hơn do lực đẩy tĩnh điện. Quá trình này lặp lại cho đến khi các ion được giải phóng vào pha khí. Có hai cơ chế chính được đề xuất cho sự hình thành ion trong ESI:
   • Mô hình ion còn sót lại (IEM – Ion Evaporation Model): Dung môi tiếp tục bay hơi cho đến khi chỉ còn lại một ion đơn lẻ.
   • Mô hình phóng điện tích (CEM – Charge Residue Model): Khi giọt đạt đến một kích thước nhất định (giới hạn Rayleigh), lực đẩy tĩnh điện vượt quá sức căng bề mặt, gây ra sự phóng điện tích và tạo ra các ion.

Ưu điểm của ESI

• Ion hóa mềm: ESI ít gây ra sự phân mảnh của phân tử, cho phép phân tích các phân tử lớn và dễ vỡ.
• Tạo ra ion đa điện tích: Các phân tử lớn có thể nhận nhiều điện tích (z > 1), ví dụ như [M + nH]ⁿ⁺. Điều này cho phép phân tích các phân tử có khối lượng phân tử rất lớn bằng cách sử dụng máy phổ khối có dải m/z hạn chế.
• Khả năng ghép nối với các kỹ thuật sắc ký: ESI có thể được kết hợp với HPLC (High Performance Liquid Chromatography) và UPLC (Ultra Performance Liquid Chromatography) để phân tích các hỗn hợp phức tạp.
• Định lượng: ESI có thể được sử dụng cho mục đích định lượng.

Nhược điểm của ESI

• Nhạy cảm với muối và chất phụ gia: Nồng độ muối cao có thể ức chế quá trình ion hóa.
• Độ nhạy phụ thuộc vào bản chất của phân tích: Một số phân tử ion hóa hiệu quả hơn những phân tử khác.
• Khả năng bị ức chế ion hóa: Sự cạnh tranh giữa các phân tích trong hỗn hợp có thể ảnh hưởng đến hiệu quả ion hóa của từng phân tích.

Ứng dụng

• Xác định khối lượng phân tử của protein và peptide: ESI là kỹ thuật quan trọng trong proteomics.
• Phân tích carbohydrate: ESI cho phép xác định cấu trúc của oligosaccharide và polysaccharide.
• Phân tích lipid: ESI có thể được sử dụng để phân tích các loại lipid khác nhau.
• Phân tích các phân tử nhỏ: ESI cũng có thể được sử dụng để phân tích các phân tử nhỏ như thuốc và chất chuyển hóa.

Tóm lại, ESI là một kỹ thuật ion hóa mềm mạnh mẽ và linh hoạt với nhiều ứng dụng trong phân tích các phân tử sinh học và các hợp chất khác. Khả năng tạo ra ion đa điện tích và khả năng ghép nối với sắc ký lỏng làm cho ESI trở thành một công cụ quan trọng trong nghiên cứu hóa học và sinh học.

Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả ion hóa ESI

Hiệu quả ion hóa trong ESI phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm:

• Tính chất của dung môi: Độ phân cực, độ nhớt, và khả năng bay hơi của dung môi ảnh hưởng đến quá trình hình thành giọt và bay hơi dung môi. Các dung môi thường được sử dụng bao gồm acetonitrile, methanol, và nước.
• pH của dung dịch: pH ảnh hưởng đến trạng thái điện tích của phân tử, do đó ảnh hưởng đến hiệu quả ion hóa.
• Nồng độ chất phân tích: Nồng độ chất phân tích quá cao có thể gây ra hiện tượng bão hòa và giảm hiệu quả ion hóa.
• Điện thế phun: Điện thế phun ảnh hưởng đến kích thước giọt và tốc độ bay hơi dung môi.
• Lưu lượng: Lưu lượng dung dịch mẫu ảnh hưởng đến kích thước giọt và số lượng ion được tạo ra.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ bay hơi dung môi.

Các biến thể của ESI

Có một số biến thể của ESI được phát triển để cải thiện hiệu quả ion hóa và mở rộng ứng dụng của kỹ thuật này, bao gồm:

• nanoESI (nanoelectrospray ionization): Sử dụng kim mao quản có đường kính nhỏ hơn để tạo ra các giọt nhỏ hơn, tăng hiệu quả ion hóa và giảm tiêu thụ mẫu.
• microESI (microelectrospray ionization): Tương tự như nanoESI nhưng sử dụng kim mao quản có đường kính lớn hơn.
• DESI (desorption electrospray ionization): Ion hóa mẫu trực tiếp từ bề mặt mà không cần chuẩn bị mẫu phức tạp.

Phân tích dữ liệu phổ khối ESI

Phổ khối ESI hiển thị các ion theo tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z). Đối với các phân tử tạo ra ion đa điện tích, phổ khối sẽ hiển thị một loạt các peak tương ứng với các trạng thái điện tích khác nhau. Dữ liệu này có thể được sử dụng để xác định khối lượng phân tử của phân tích bằng cách sử dụng các thuật toán giải mã phổ khối. Ví dụ, nếu một phân tử tạo ra hai ion đa điện tích [M + nH]ⁿ⁺ và [M + (n+1)H]⁽ⁿ⁺¹⁾⁺ với các giá trị m/z tương ứng là $m_1$ và $m_2$, thì khối lượng phân tử M có thể được tính bằng công thức:

$M = \frac{m_1 n – m_2 (n+1)}{m_2 – m_1} n$

• Fenn, J. B.; Mann, M.; Meng, C. K.; Wong, S. F.; Whitehouse, C. M. Electrospray ionization for mass spectrometry of large biomolecules. Science 1989, 246, 64-71.
• Gaskell, S. J. Electrospray: Principles and practice. Journal of Mass Spectrometry 1997, 32, 677-688.
• Kebarle, P.; Tang, L. From ions in solution to ions in the gas phase – the mechanism of electrospray mass spectrometry. Analytical Chemistry 1993, 65, 972A-986A.
• Banerjee, S.; Mazumdar, S. Electrospray Ionization Mass Spectrometry: A Technique to Access the Information beyond the Molecular Weight of the Analyte. International Journal of Analytical Chemistry 2012, 2012, 282574.

Câu hỏi và Giải đáp

Cơ chế nào chi phối sự hình thành ion trong ESI ngoài Mô hình Ion Còn Sót Lại (IEM) và Mô hình Phóng Điện Tích (CEM)? Có những bằng chứng thực nghiệm nào ủng hộ các mô hình này?

Trả lời: Ngoài IEM và CEM, còn có Mô hình Kết Hợp (Chain Ejection Model – CEM), đề xuất rằng các ion được “kéo ra” từ giọt bởi một chuỗi các phân tử dung môi. Các bằng chứng thực nghiệm cho các mô hình này bao gồm việc quan sát sự phân bố điện tích của các giọt, tốc độ bay hơi dung môi và sự phụ thuộc của hiệu quả ion hóa vào các yếu tố như điện thế phun và tính chất của dung môi. Tuy nhiên, cơ chế chính xác của sự hình thành ion trong ESI vẫn là một chủ đề nghiên cứu đang được tiếp tục.

Làm thế nào để tối ưu hóa các thông số ESI (điện thế phun, lưu lượng, nhiệt độ, thành phần dung môi) cho các loại phân tử khác nhau (ví dụ: peptide, protein, carbohydrate, lipid)?

Trả lời: Việc tối ưu hóa các thông số ESI phụ thuộc vào tính chất của phân tử cần phân tích. Ví dụ, đối với peptide và protein, việc sử dụng dung môi hơi acid (ví dụ, 0.1% acid formic trong acetonitrile/nước) thường được khuyến nghị để tăng cường sự proton hóa. Đối với carbohydrate, việc sử dụng các cation kim loại như Na+ hoặc K+ có thể giúp ổn định các ion. Đối với lipid, việc sử dụng các dung môi ít phân cực hơn có thể là cần thiết. Việc tối ưu hóa thường được thực hiện bằng cách thử nghiệm các điều kiện khác nhau và đánh giá cường độ tín hiệu và độ phân giải của phổ khối.

Ngoài việc xác định khối lượng phân tử, ESI-MS còn cung cấp những thông tin cấu trúc nào khác về phân tử?

Trả lời: ESI-MS có thể cung cấp thông tin về cấu trúc phân tử thông qua phân mảnh do va chạm (CID). Khi các ion được tăng tốc và va chạm với khí trung hòa, chúng có thể bị phân mảnh thành các ion nhỏ hơn. Phân tích các ion mảnh này có thể cung cấp thông tin về trình tự amino acid trong peptide và protein, hoặc về các liên kết glycosidic trong carbohydrate.

Những hạn chế của ESI liên quan đến việc phân tích các phân tử không phân cực hoặc phân tử có độ hòa tan kém trong dung môi phân cực là gì? Có những phương pháp nào để khắc phục những hạn chế này?

Trả lời: Các phân tử không phân cực hoặc có độ hòa tan kém trong dung môi phân cực thường khó ion hóa bằng ESI. Để khắc phục hạn chế này, có thể sử dụng các kỹ thuật như APCI (Atmospheric Pressure Chemical Ionization), DESI (Desorption Electrospray Ionization), hoặc sử dụng các dung môi ít phân cực hơn trong ESI. Ngoài ra, việc đánh dấu hóa học các phân tử bằng các nhóm phân cực cũng có thể cải thiện hiệu quả ion hóa.

Làm thế nào để phân biệt các peak chồng chéo trong phổ khối ESI, đặc biệt là đối với các hỗn hợp phức tạp?

Trả lời: Để phân biệt các peak chồng chéo, có thể sử dụng các kỹ thuật như sắc ký lỏng hiệu năng cao ghép nối với phổ khối (HPLC-MS) để tách các thành phần trong hỗn hợp trước khi phân tích bằng ESI-MS. Ngoài ra, các kỹ thuật xử lý dữ liệu như giải mã phổ khối và phân tích thành phần chính (PCA) cũng có thể được sử dụng để phân tích các phổ khối phức tạp và xác định các thành phần riêng lẻ.