Phổ khối (Mass spectrometry/MS)

Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý cơ bản của phổ khối bao gồm các bước sau:

1. Ion hóa: Mẫu được đưa vào máy phổ khối và được ion hóa, tạo ra các ion mang điện tích. Có nhiều phương pháp ion hóa khác nhau, mỗi phương pháp phù hợp với loại mẫu cụ thể. Ví dụ:

• Ion hóa electron (EI): Sử dụng chùm electron năng lượng cao để bắn phá mẫu, thường tạo ra nhiều ion mảnh. Phương pháp này phù hợp với các phân tử nhỏ, dễ bay hơi.
• Ion hóa hóa học (CI): Sử dụng khí phản ứng để ion hóa mẫu một cách nhẹ nhàng hơn so với EI, tạo ra ít ion mảnh hơn và thường cho đỉnh ion phân tử rõ ràng hơn.
• Điện phun (ESI): Sử dụng điện trường cao để tạo ra các giọt nhỏ mang điện từ dung dịch mẫu. Phương pháp này phù hợp với các phân tử lớn, phân cực, như protein và peptit.
• MALDI (Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization): Sử dụng laser để ion hóa mẫu được trộn lẫn với một chất nền (matrix). Phương pháp này cũng phù hợp với các phân tử lớn, không bay hơi.

2. Phân tích khối lượng: Các ion được tạo ra được gia tốc trong một điện trường và sau đó đi vào một bộ phân tích khối lượng. Bộ phân tích khối lượng tách các ion dựa trên tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của chúng. Các loại bộ phân tích khối lượng phổ biến bao gồm:

• Bộ phân tích từ trường: Sử dụng từ trường để làm lệch đường đi của các ion.
• Bộ phân tích thời gian bay (TOF): Đo thời gian các ion bay qua một khoảng cách nhất định.
• Bẫy ion quadrupole: Sử dụng điện trường dao động để bẫy và tách các ion.

3. Phát hiện: Các ion được tách ra được phát hiện bởi một detector, tạo ra tín hiệu điện tỉ lệ với số lượng ion.
4. Xử lý dữ liệu: Tín hiệu từ detector được xử lý bởi máy tính để tạo ra phổ khối. Phổ khối là một biểu đồ biểu diễn cường độ tín hiệu (trục y) theo tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) (trục x).

Ứng dụng

Phổ khối có rất nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Hóa học: Xác định cấu trúc phân tử, phân tích hỗn hợp phức tạp, nghiên cứu phản ứng hóa học, xác định công thức phân tử, phân tích đồng vị.
• Sinh học: Xác định protein, phân tích peptide, nghiên cứu chuyển hóa, xác định lipid, phân tích carbohydrate.
• Y học: Chẩn đoán bệnh, sàng lọc thuốc, phân tích dược phẩm, kiểm tra doping, nghiên cứu proteomics.
• Môi trường: Phân tích ô nhiễm, giám sát chất lượng không khí và nước, phân tích thực phẩm.
• Khoa học pháp y: Phân tích ma túy, chất nổ, xác định dấu vết sinh học, phân tích vật liệu.
• Địa chất: Xác định tuổi của đá, phân tích thành phần của khoáng sản.

Ưu điểm

• Độ nhạy cao: Có thể phát hiện các chất ở nồng độ rất thấp (ppb, ppt).
• Độ chính xác cao: Có thể xác định khối lượng phân tử với độ chính xác cao.
• Khả năng phân tích hỗn hợp phức tạp: MS có thể phân tách và phân tích các thành phần riêng lẻ trong một hỗn hợp phức tạp.
• Cung cấp nhiều thông tin: MS không chỉ cung cấp thông tin về khối lượng phân tử mà còn về cấu trúc phân tử và thành phần nguyên tố.

Nhược điểm

• Chi phí cao: Máy phổ khối là thiết bị đắt tiền.
• Yêu cầu kỹ thuật viên có trình độ chuyên môn cao: Để vận hành và phân tích dữ liệu hiệu quả.
• Một số mẫu cần phải được xử lý trước khi phân tích: Để đảm bảo tính tương thích với phương pháp ion hóa được sử dụng. Việc chuẩn bị mẫu có thể phức tạp và tốn thời gian.
• Khó khăn trong việc phân tích một số loại hợp chất: Một số hợp chất không ổn định trong quá trình ion hóa và khó phân tích bằng MS.

Một số công thức cơ bản

• Tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z): $m/z = \frac{m}{q}$
  • $m$: khối lượng của ion
  • $q$: điện tích của ion (thường được biểu diễn bằng $z$)

Phổ khối là một kỹ thuật mạnh mẽ với nhiều ứng dụng quan trọng. Sự phát triển liên tục của công nghệ phổ khối đang mở ra những khả năng mới cho việc phân tích và hiểu biết về thế giới xung quanh chúng ta.

Các loại phổ khối

Có nhiều loại phổ khối khác nhau, mỗi loại sử dụng một phương pháp ion hóa và bộ phân tích khối lượng khác nhau. Một số loại phổ khối phổ biến bao gồm:

• Phổ khối sắc ký khí (GC-MS): Kết hợp sắc ký khí (GC) với phổ khối. GC được sử dụng để tách các thành phần của hỗn hợp, sau đó MS được sử dụng để phân tích từng thành phần. Phương pháp này phù hợp với các hợp chất bay hơi và bền nhiệt.
• Phổ khối sắc ký lỏng (LC-MS): Tương tự như GC-MS, nhưng sử dụng sắc ký lỏng (LC) để tách các thành phần. LC-MS phù hợp với nhiều loại hợp chất, bao gồm cả những hợp chất không bay hơi và phân cực.
• Phổ khối tandem (MS/MS hoặc MSⁿ): Sử dụng nhiều giai đoạn phân tích khối lượng để thu được thông tin cấu trúc chi tiết hơn về các phân tử. Trong MS/MS, các ion tiền thân được chọn lọc và phân mảnh, sau đó các ion sản phẩm được phân tích. Kỹ thuật này giúp xác định cấu trúc của phân tử và phân biệt các isome.

Phân tích dữ liệu phổ khối

Việc phân tích dữ liệu phổ khối liên quan đến việc xác định các peak trong phổ và gán chúng cho các ion cụ thể. Khối lượng chính xác của ion có thể được sử dụng để xác định công thức phân tử. Mô hình phân mảnh cũng cung cấp thông tin về cấu trúc của phân tử. Các thư viện phổ và phần mềm phân tích dữ liệu có thể hỗ trợ quá trình này.

Độ phân giải và độ chính xác khối lượng

• Độ phân giải: của máy phổ khối là thước đo khả năng tách biệt hai ion có m/z gần nhau. Độ phân giải cao hơn cho phép xác định chính xác hơn khối lượng của ion và công thức phân tử.
• Độ chính xác khối lượng: là thước đo độ chính xác của phép đo khối lượng ion.

Các ion phân tử và ion mảnh

• Ion phân tử: Là ion được hình thành do sự ion hóa của phân tử phân tích. Khối lượng của ion phân tử tương ứng với khối lượng phân tử của hợp chất. Tuy nhiên, đôi khi ion phân tử có thể không xuất hiện trong phổ.
• Ion mảnh (fragment ions): Hình thành do sự phân mảnh của ion phân tử. Các ion mảnh cung cấp thông tin về cấu trúc của phân tử.

Phổ khối thời gian thực (Real-Time MS)

Cho phép phân tích mẫu theo thời gian thực, cung cấp thông tin động về các quá trình đang diễn ra. Điều này rất hữu ích trong việc theo dõi phản ứng hóa học, quá trình sinh học và các ứng dụng khác.

Xu hướng phát triển

Phổ khối đang tiếp tục phát triển với tốc độ nhanh chóng. Các xu hướng hiện tại bao gồm:

• Phát triển các phương pháp ion hóa mới.
• Cải thiện độ phân giải và độ chính xác khối lượng.
• Kết hợp MS với các kỹ thuật phân tích khác.
• Phát triển các phần mềm phân tích dữ liệu mạnh mẽ hơn.
• Miniaturization và portability của máy phổ khối.

• Mass Spectrometry: Principles and Applications, Edmond de Hoffmann and Vincent Stroobant, Wiley, 2007.
• Interpretation of Mass Spectra, Fred W. McLafferty and Frantisek Turecek, University Science Books, 1993.
• Principles of Instrumental Analysis, Douglas A. Skoog, F. James Holler, and Stanley R. Crouch, Cengage Learning, 2017.

Câu hỏi và Giải đáp

Ngoài các phương pháp ion hóa phổ biến như EI, CI, ESI và MALDI, còn có những phương pháp ion hóa nào khác được sử dụng trong phổ khối và ứng dụng của chúng là gì?

Trả lời: Một số phương pháp ion hóa khác bao gồm:

• Desorption electrospray ionization (DESI): Ion hóa mẫu ở áp suất khí quyển, phù hợp cho phân tích bề mặt.
• Secondary ion mass spectrometry (SIMS): Sử dụng chùm ion tập trung để bắn phá bề mặt mẫu, thường dùng trong phân tích vật liệu.
• Fast atom bombardment (FAB): Sử dụng chùm nguyên tử năng lượng cao để ion hóa mẫu, thường dùng cho phân tử không bay hơi.
• Atmospheric pressure chemical ionization (APCI): Tương tự như CI, nhưng hoạt động ở áp suất khí quyển, phù hợp cho LC-MS.
• Photoionization (PI): Sử dụng bức xạ UV để ion hóa mẫu, thường dùng cho phân tích các hợp chất dễ bay hơi.

Làm thế nào để phân biệt giữa phổ khối của các đồng phân cấu trúc?

Trả lời: Các đồng phân cấu trúc có cùng công thức phân tử nhưng cấu trúc khác nhau, dẫn đến mô hình phân mảnh khác nhau trong phổ khối. Bằng cách phân tích kỹ lưỡng các ion mảnh và cường độ tương đối của chúng, ta có thể phân biệt giữa các đồng phân cấu trúc. Việc sử dụng MS/MS cũng rất hữu ích trong việc phân biệt các đồng phân bằng cách phân mảnh chọn lọc các ion tiền thân.

Độ phân giải của máy phổ khối ảnh hưởng như thế nào đến việc xác định công thức phân tử của một hợp chất?

Trả lời: Độ phân giải cao cho phép xác định chính xác hơn khối lượng của ion. Điều này rất quan trọng trong việc xác định công thức phân tử, vì các hợp chất khác nhau có thể có khối lượng phân tử rất gần nhau. Với độ phân giải cao, ta có thể phân biệt được các ion có m/z chênh lệch rất nhỏ, từ đó xác định chính xác công thức phân tử.

Trong MS/MS, việc lựa chọn ion tiền thân dựa trên nguyên tắc nào?

Trả lời: Việc lựa chọn ion tiền thân trong MS/MS thường dựa trên cường độ tín hiệu và/hoặc m/z của ion. Các ion có cường độ tín hiệu cao thường được chọn vì chúng đại diện cho các thành phần chính trong mẫu. Ngoài ra, có thể chọn các ion có m/z cụ thể để nghiên cứu mô hình phân mảnh của chúng.

Phổ khối có những hạn chế nào?

Trả lời: Một số hạn chế của phổ khối bao gồm:

• Chi phí: Máy phổ khối thường đắt tiền.
• Độ phức tạp: Vận hành và phân tích dữ liệu phổ khối đòi hỏi kiến thức chuyên môn.
• Hạn chế về mẫu: Một số mẫu cần được xử lý trước khi phân tích, và một số hợp chất không phù hợp để phân tích bằng phổ khối (ví dụ, các hợp chất không bay hơi, dễ bị phân hủy nhiệt).
• Đồng phân: Như đã đề cập ở câu 2, việc phân biệt các đồng phân có thể khó khăn trong một số trường hợp.
• Định lượng: Mặc dù phổ khối có thể được sử dụng để định lượng, nhưng nó không phải lúc nào cũng là kỹ thuật định lượng tuyệt đối và thường cần được hiệu chuẩn với các chất chuẩn.