Phổ khối tandem (Tandem mass spectrometry (MS/MS))

Phổ khối tandem (MS/MS), còn được gọi là phổ khối kép, là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để xác định và định lượng các phân tử dựa trên khối lượng và cấu trúc của chúng. Nó khác với phổ khối thông thường ở chỗ nó sử dụng hai giai đoạn phân tích khối lượng thay vì chỉ một. Điều này cho phép phân tích chi tiết hơn về các ion cụ thể và cung cấp thông tin cấu trúc có giá trị.

Nguyên lý hoạt động

MS/MS liên quan đến việc lựa chọn một ion tiền chất (precursor ion) trong giai đoạn phân tích khối lượng đầu tiên (MS1). Ion tiền chất này sau đó được phân mảnh bằng các phương pháp khác nhau, chẳng hạn như va chạm với khí trung hòa (CID – Collision-Induced Dissociation), phân mảnh do electron bắt giữ (ECD – Electron Capture Dissociation) hoặc phân mảnh do chuyển electron (ETD – Electron Transfer Dissociation). Các ion mảnh (fragment ions/product ions) sinh ra sau đó được phân tích trong giai đoạn phân tích khối lượng thứ hai (MS2) để xác định khối lượng của chúng. Việc phân tích phổ khối của các ion mảnh này cung cấp thông tin về cấu trúc của ion tiền chất ban đầu, giúp xác định các phân tử chưa biết hoặc xác nhận cấu trúc của các phân tử đã biết.

Quá trình MS/MS

Quá trình MS/MS có thể được tóm tắt như sau:

Ion hóa: Mẫu được ion hóa để tạo ra các ion ở pha khí.
Lựa chọn ion tiền chất (MS1): Một bộ phân tích khối lượng đầu tiên (ví dụ, tứ cực) được sử dụng để chọn một ion tiền chất cụ thể dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) của nó.
Phân mảnh: Ion tiền chất được kích hoạt và phân mảnh thành các ion nhỏ hơn.
Phân tích ion mảnh (MS2): Một bộ phân tích khối lượng thứ hai (ví dụ, tứ cực thứ hai hoặc bẫy ion) được sử dụng để phân tích các ion mảnh được tạo ra trong giai đoạn phân mảnh.
Phát hiện: Các ion mảnh được phát hiện và phổ khối của chúng được ghi lại.

Ứng dụng

MS/MS có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

Xác định protein: MS/MS được sử dụng rộng rãi trong proteomics để xác định protein bằng cách phân tích các peptide tạo thành từ quá trình tiêu hóa protein.
Phân tích thuốc và chất chuyển hóa: MS/MS có thể được sử dụng để xác định và định lượng thuốc và chất chuyển hóa của chúng trong các mẫu sinh học.
Phân tích môi trường: MS/MS được sử dụng để phân tích các chất ô nhiễm trong môi trường, chẳng hạn như thuốc trừ sâu và chất gây ô nhiễm hữu cơ bền vững.
Phân tích thực phẩm: MS/MS có thể được sử dụng để phân tích thành phần của thực phẩm, chẳng hạn như xác định các chất phụ gia và chất gây ô nhiễm.
Khoa học pháp y: MS/MS được sử dụng trong khoa học pháp y để phân tích ma túy, chất nổ và các vật liệu khác.

Ưu điểm của MS/MS

Độ nhạy cao: MS/MS có thể phát hiện các phân tử ở nồng độ rất thấp.
Độ chọn lọc cao: MS/MS cho phép phân tích chọn lọc các ion cụ thể.
Cung cấp thông tin cấu trúc: MS/MS cung cấp thông tin về cấu trúc của các phân tử bằng cách phân tích các ion mảnh của chúng.

Các loại máy MS/MS phổ biến

Tứ cực ba (Triple quadrupole): Sử dụng ba tứ cực để lựa chọn ion tiền chất, phân mảnh và phân tích ion mảnh. Loại máy này thường được sử dụng cho các ứng dụng định lượng do khả năng chọn lọc và độ nhạy cao.
Bẫy ion (Ion trap): Sử dụng điện trường để bẫy và phân tích các ion. Bẫy ion có thể thực hiện nhiều giai đoạn phân mảnh (MSⁿ), cung cấp thông tin cấu trúc chi tiết hơn.
TOF/TOF (Time-of-flight/Time-of-flight): Sử dụng thời gian bay của ion để xác định khối lượng của chúng. TOF/TOF cung cấp độ phân giải khối lượng cao và tốc độ thu nhận dữ liệu nhanh, phù hợp cho việc phân tích các phân tử lớn.

Các phương pháp phân mảnh

Như đã đề cập, ion tiền chất được phân mảnh bằng nhiều phương pháp khác nhau. Dưới đây là một số phương pháp phổ biến:

CID (Collision-Induced Dissociation): Ion tiền chất va chạm với khí trơ (như Argon hoặc Helium) ở áp suất thấp. Năng lượng động năng chuyển thành năng lượng nội tại, làm cho ion tiền chất rung động và phân mảnh. CID thường tạo ra các ion mảnh b và y trong peptide.
ECD (Electron Capture Dissociation): Ion tiền chất bắt giữ electron năng lượng thấp. Quá trình này gây ra sự phân mảnh dọc theo mạch peptit, tạo ra các ion mảnh c và z. ECD đặc biệt hữu ích cho việc phân tích các sửa đổi sau dịch mã.
ETD (Electron Transfer Dissociation): Tương tự như ECD, nhưng sử dụng anion gốc để chuyển electron sang ion tiền chất đa điện tích. ETD cũng tạo ra các ion mảnh c và z và thường được sử dụng cho các peptide lớn hơn hoặc protein.
HCD (Higher-energy Collisional Dissociation): Một dạng CID sử dụng năng lượng va chạm cao hơn, dẫn đến sự phân mảnh rộng hơn. HCD có thể tạo ra nhiều loại ion mảnh, bao gồm các ion a, b, y và đôi khi cả các ion immonium.

Phân tích dữ liệu MS/MS

Dữ liệu MS/MS được hiển thị dưới dạng phổ, với trục hoành biểu thị tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) và trục tung biểu thị cường độ tín hiệu. Việc phân tích phổ MS/MS liên quan đến việc xác định các ion mảnh và sử dụng thông tin này để suy ra cấu trúc của phân tử ban đầu. Các phần mềm chuyên dụng và cơ sở dữ liệu được sử dụng để khớp các phổ MS/MS thực nghiệm với các phổ lý thuyết, giúp xác định các peptide và protein.

So sánh MS/MS với MS

Đặc điểm	MS	MS/MS
Số giai đoạn phân tích khối lượng	1	2
Khả năng phân tích cấu trúc	Hạn chế	Cao
Độ chọn lọc	Thấp hơn	Cao hơn
Độ nhạy	Thấp hơn	Cao hơn
Thông tin	Khối lượng phân tử	Khối lượng phân tử và thông tin cấu trúc

Thách thức và hạn chế

Độ phức tạp của mẫu: Các mẫu phức tạp có thể chứa nhiều phân tử, gây khó khăn cho việc phân tích dữ liệu MS/MS.
Sự đồng phân: Các phân tử đồng phân có cùng khối lượng phân tử nhưng cấu trúc khác nhau có thể khó phân biệt bằng MS/MS.
Sửa đổi sau dịch mã: Việc xác định các sửa đổi sau dịch mã có thể khó khăn, yêu cầu các phương pháp phân mảnh chuyên dụng như ECD hoặc ETD.

Tóm lại, MS/MS là một kỹ thuật mạnh mẽ cung cấp thông tin chi tiết về khối lượng và cấu trúc của các phân tử, có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực khoa học khác nhau.