Quang phổ khối lượng(MS)

Phương pháp phổ khối lượng, viết tắt là MS(mass Spectrometry) là một phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần và cấu trúc của các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Lịch sử phát triển của phương pháp được bắt đầu từ cuối thế kỷ XX. Goldstein(1886) và Wein(1898) đã chỉ ra rằng một chùm tia ion dương có thể tách biệt ra khỏi nhau nhờ tác dụng của điện trường và từ trường. Thompson(1913) đã chỉ ra là khí nenon tự nhiên gồm hai loại có khối lượng nguyên tử khác nhau(isotop) là 20 và 22(gmol). Năm 1919, Aston đã chế tạo được thiết bị nghiên cứu isotop qua đó đo được khối lượng của chúng. Về sau Thompson đã chế tạo được thiết bị ghi nhận các ion trên giấy ảnh. Vào những năm 30 của thế kỷ XX(Frank 1926, Condon 1928) đã chế tạo máy phổ khối lượng hoàn thiện hơn đo các ion theo tỷ số me. Trong thời kỳ này người ta đã thu được các thành công trong lĩnh vực nghiên cứu isotop. Smythe(1934) đã thu được 1mg 39K trong 7 giờ phân tích. Oliphant (1934) đã tách và thu gom được 108g của liti isotop tinh khiết, Nier (1940) đã tách ra được 235U và 238U. Alvaerez và Cornog (1939) đã thu được 3He trong tự nhiên. Thompson cũng là người sử dụng máy phổ khối lượng trong phân tích hóa học, xác định khối lượng nguyên tử hay phân tử. Conrad(1930) đã đưa ra thông báo đầu tiên về nghiên cứu phổ khối lượng các hợp chất hữu cơ. Tiếp theo là sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực này. Năm 1940 phố khối lượng được dùng vào việc phát hiện dầu mỏ và những năm 1950 được sử dụng phân tích các mẫu hocmon và steroit. Sự kết hợp sắc ký khí khối phổ (GCMS) được thực hiện vào những năm 1960 còn sự kết hợp sắc ký lỏng khối phổ(LCMS) được tiến hành vào những năm 1970. Đồng thời phát triền nhanh chóng nhiều kỹ thuật mới của phương pháp phổ khối lượng như phương pháp bỏ bom nguyên tử(FAB), phương pháp phun nhiệt(TS), khối phổ tứ cực, khối phổ kế thời gian bay(TOF), kỹ thuật xác định các chất có phân tử khối lớn (MALDI),…và nhiều kỹ thuật mới khác. Phạm vi ứng dụng của phương pháp phổ khối lượng rất rộng lớn đặc biệt có ý nghĩa quan trọng với ngành hóa học hữu cơ, hóa sinh và ngành hóa học vô cơ, nguyên tố đồng vị, vì vậy các sách và tải liệu về phổ khối lượng được phân thành hai loại: “Phổ khối lượng của hợp chất hữu cơ và hóa sinh” và “Phổ khối lượng của các nguyên tố và hợp chất vô cơ”.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – KỸ THUẬT TP.HCM KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC – THỰC PHẨM

MÔN HỌC: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM

Đề tài:

Giảng viên hướng dẫn: Th.s Lê Hoàng Du

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ KHỐI LƯỢNG(MS)

1 Giới thiệu

1.1 Sơ lượt lịch sử phát triển của phương pháp phổ khối lượng

Phương pháp phổ khối lượng, viết tắt là MS(mass Spectrometry) làmột phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần vàcấu trúc của các hợp chất vô cơ và hữu cơ Lịch sử phát triển của phươngpháp được bắt đầu từ cuối thế kỷ XX Goldstein(1886) và Wein(1898) đã chỉ

ra rằng một chùm tia ion dương có thể tách biệt ra khỏi nhau nhờ tác dụngcủa điện trường và từ trường Thompson(1913) đã chỉ ra là khí nenon tựnhiên gồm hai loại có khối lượng nguyên tử khác nhau(isotop) là 20 và22(g/mol) Năm 1919, Aston đã chế tạo được thiết bị nghiên cứu isotop qua

đó đo được khối lượng của chúng Về sau Thompson đã chế tạo được thiết

bị ghi nhận các ion trên giấy ảnh Vào những năm 30 của thế kỷ XX(Frank

1926, Condon 1928) đã chế tạo máy phổ khối lượng hoàn thiện hơn đo cácion theo tỷ số m/e Trong thời kỳ này người ta đã thu được các thành côngtrong lĩnh vực nghiên cứu isotop Smythe(1934) đã thu được 1mg 39K trong

7 giờ phân tích Oliphant (1934) đã tách và thu gom được 10-8g của litiisotop tinh khiết, Nier (1940) đã tách ra được 235U và 238U Alvaerez vàCornog (1939) đã thu được 3He trong tự nhiên Thompson cũng là người sửdụng máy phổ khối lượng trong phân tích hóa học, xác định khối lượngnguyên tử hay phân tử Conrad(1930) đã đưa ra thông báo đầu tiên vềnghiên cứu phổ khối lượng các hợp chất hữu cơ Tiếp theo là sự phát triểnnhanh chóng trong lĩnh vực này

Năm 1940 phố khối lượng được dùng vào việc phát hiện dầu mỏ vànhững năm 1950 được sử dụng phân tích các mẫu hocmon và steroit Sự kếthợp sắc ký khí khối phổ (GC/MS) được thực hiện vào những năm 1960 còn

sự kết hợp sắc ký lỏng khối phổ(LC/MS) được tiến hành vào những năm

1970 Đồng thời phát triền nhanh chóng nhiều kỹ thuật mới của phươngpháp phổ khối lượng như phương pháp bỏ bom nguyên tử(FAB), phươngpháp phun nhiệt(TS), khối phổ tứ cực, khối phổ kế thời gian bay(TOF), kỹthuật xác định các chất có phân tử khối lớn (MALDI),…và nhiều kỹ thuậtmới khác Phạm vi ứng dụng của phương pháp phổ khối lượng rất rộng lớnđặc biệt có ý nghĩa quan trọng với ngành hóa học hữu cơ, hóa sinh và ngành

hóa học vô cơ, nguyên tố đồng vị, vì vậy các sách và tải liệu về phổ khốilượng được phân thành hai loại: “Phổ khối lượng của hợp chất hữu cơ vàhóa sinh” và “Phổ khối lượng của các nguyên tố và hợp chất vô cơ”.

1.2 Đặc điểm của phương pháp

Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách

đo chính xác khối lượng phân tử chất đó Chất nghiên cứu trước tiênđược chuyển thành trạng thái hơi sau đó được đưa vào nghiên cứu trong

bộ phận phân tích của máy khối phổ kế Tuỳ theo loại điện tích của ionđem nghiên cứu mà người ta phân biệt máy khối phổ ion dương hoặc ion

âm Loại máy khối phổ làm việc với ion dương cho nhiều thông tin hơn

về ion nghiên cứu nên được dùng phổ biến hơn

Người ta có thể dùng phương pháp khối phổ để nghiên cứu tất cả cácnguyên tố hay hợp chất có thể biến thành dạng khí hay hơi

Đối với hợp chất vô cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường đượcdùng để nghiên cứu hành phần đồng vị hoặc để xác định vết các chất nghiêncứu

Đối với hợp chất hữu cơ, phương pháp phân tích khối phổ thườngđược dùng trong quá trình đồng nhất chất hoặc phân tích cấu trúc

Ngoài ra, phương pháp này cùng dùng để:

− Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khốilượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó

− Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợpchất

− Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từngphần tách riêng của nó

− Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phươngpháp khác(phương pháp phổ khối vốn không phải là địnhlượng)

− Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học vềion và chất trung tính trong chân không)

− Xác định các thuộc tính vật lí, hóa học hay ngay cả sinh họccủa hợp chất với nhiều hướng tiếp cận khác nhau

Một khối phổ kế là một thiết bị dùng cho phương pháp phổkhối, cho ra phổ khối lượng của một mẫu để tìm ra thành phần của nó.

Có thể ion hóa mẫu và tách các ion của nó với các khối lượng khácnhau và lưu lại thông tin dựa vào việc đo đạc cường độ dòng ion Mộtkhối phổ kế thông thường gồm 3 phần: phần nguồn ion, phần phântích khối lượng, và phần đo đạc

Các hóa chất khác nhau thì có khối lượng phân tử khác nhau.Dựa vào đó, khối phổ kế sẽ xác định chất hóa học nào có nằm trongmẫu Ví dụ, muối NaCl hấp thụ năng lượng (năng lượng hấp thụ tùytheo nguồn ion, ví dụ MALDI năng lượng là tia laser) tách ra thànhcác phân tử tích điện, gọi là ion), trong giai đoạn đầu của phươngpháp phổ khối Các ion Na+, Cl- có trọng lượng nguyên tử khác biệt

Do chúng tích điện, nghĩa là đường đi của chúng có thể được điềukhiển bằng điện trường hoặc từ trường Các ion được đưa vào buồnggia tốc và đi qua một khe vào miếng kim loại Một từ trường được đưavào buồng đó Từ trường sẽ tác động vào mỗi ion với cùng một lực vàlàm trệch hướng chúng về phía đầu đo Ion nhẹ hơn sẽ bị lệnh nhiềuhơn ion nặng vì theo định luật chuyển động của Newton gia tốc tỉ lệnghịch với khối lượng của phân tử Đầu đo sẽ xác định xem ion bịlệnh bao nhiêu, và từ giá trị đo này, tỉ lệ khối lượng-trên-điện tích củaion có thể được tính toán Từ đó, có thể xác đinh được thành phần hóahọc của một mẫu gốc Trên thực tế thì hai ion Na+ và Cl- sẽ khôngđược đo trong cùng một lần, vì các máy đo chỉ có thể nhận ra ion điệntích dương hoặc điện tích âm nên nếu máy khối phổ kế được điềuchỉnh để đo các ion điện tích dương thì chỉ có ion Na+ là được nhận rabởi máy .Một trong những tính năng lớn của khối phổ lượng là có thểtìm thấy cấu tạo không gian của phân tử ví dụ phân tử C7H14O2 có thể

là acid hoặc ester Và khả năng phát hiện ra hợp chất với độ nhậycực cao từ 10−6 dến 10−12 gram

2 Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng

2.1 Nguyên tắc chung

Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng đối với các hợp chất hữu cơ là

sự bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử

mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành các mảnh ion, các gốc theo sơ đồ sau bằng các phần tử mang năng lượng cao:

ABCD + e → ABCD+ + 2e

Hoặc ABCD++ + 3eHoặc ABCD−

Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm hơn 95% còn lại các ion mang điện tích +2 hoặc ion âm(-) Năng lượng bắn phá các phân tử thành ion phân

tử khoảng 10eV Nhưng với năng lượng cao thì từ ion phân tử có thể phá vỡ thành các mảnh ion dương(+), hoặc các ion gốc , hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn:

ABCD + e → ABC• + D+

hoặc AB• + CD+

hoặc A+ + BCDhoặc A + BCD+ •

Ion phân tử có số khối ký hiệu là M• +

2.2 Quá trình ion hóa

Phương trình phản ứng phổ khối như trên đã cho:

M + e−(nhanh) → M+ • + 2e+(chậm)

Từ phương trình này thấy rằng electron va chạm phải có năng lượng

đủ lớn thì phản ứng mới xảy ra Ion phân tử dao động M+ • đươc tạo ra có thể

có một sự thay đổi nhỏ về động năng Electron với năng lượng 10eV có tốc

độ chuyển động là 1.88×108cm/s, tính theo phương trình:

T = mv2 (eV)Năng lượng này đủ lớn để xảy ra phản ứng trên Khi electron đi qua phân tử có độ lớn 2Å với tốc độ thì thời gian hết:

t = 2 × 10-8 cm = 1×10-16(s)

1.88×108cm/sNguyên tử trong phân tử dao động, nhưng đã biết thời gian để biết hoàn thành một dao động là 10−14s do đó có thể thấy rằng có các quá trình va chạm của electron với phân tử khi khoảng cách giữa các nguyên tử chưa thay đổi đồng thời cũng có quá trình xảy ra khi khoảng cách nguyên tử thay đổi như theo nguyên lý Frank – Condon

Thế xuất hiện và thế ion hóa:

• Thế ion hóa là năng lượng cần thiết biến phân tử trung hòa thành ion phân tử, ký hiệu là IP

Thế ion hóa(IP) là trường hợp đặc biệt của thế xuất hiện, trong

đó sự ion hóa không dẫn đến sự phân ly

2.3 Tính khuynh hướng của phản ứng

Giá trị AP trong trường hợp phổ khối lượng có liên quan đến cấu tạo của ion xuất hiện Ví dụ: Trong phản ứng ion hóa phân tử CH3OH có thểxảy ra cho m/e 31 theo hai hướng:

CH3OH + e => CH3O+ +H• + 2e hoặc tạo thành CH2=O+H + H• + 2e

Do ∆H(CH3O+)>∆H(CH2=+OH) nên CH2=+OH được ưu tiên hình thành

2.4 Cơ sở kỹ thuật của thiết bị khối phổ

Phương pháp phổ khối lượng là một phương pháp phân tích quan trọng, nó cung cấp thông tin về phân tích định tính, định lượng các nguyên

tố và thành phần của các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ Thiết bị phổ khối đầu tiên được chế tạo bởi J.Thompson vào năm 1912 và W.Aston 1919 nhưng thiết bị hoàn thiện hơn được chế tạo từ năm 1912

Từ sơ đồ trên thấy các thiết bị khối phổ gồm các bộ phận chính là:

• Buồng hóa khí mẫu

• Buồng ion hóa

• Bộ phận phân tách các ion theo khối lượng

• Bộ phận thu gom các ion theo số khối

• Bộ phận phát hiện và xử lý kết quả

Nạp mẫu

Ion hóaBom hút

Xử lý số liệuDetecto

Hóa khí mẫu

Phân tách iontheo số khối

Các mẫu được nạp vào máy có thể ở ba dạng: mẫu khí, mẫu lỏng và mẫu rắn.

− Mẫu khí: mẫu dạng khí được nạp trực tiếp vào máy qua manomet thủy ngân(khoảng 3ml) rồi đưa vào bình chứa (khoảng 3-5l) qua lỗ van Thể tích khí giản nở trong bình nhờ tăng nhiệt độ(khoảng 150-200oC)

− Mẫu lỏng: mẫu được nạp vào máy theo một số cách khác nhau như qua micropipet hoặc thiết bị đặc biệt Dưới áp suất thấp(nhờ bơm hút chân

không) biến mẫu lỏng thành dạng khí(áp suất 10-4 – 10-6mmHg)

− Mẫu rắn: mẫu rắn được náp vào buồng hóa khí, dưới áp suất thấp biến thành trạng thái khí nhờ tăng nhiệt độ lò đốt(áp suất 10-4 – 10-6mmHg, nhiệt độ

200oC)

Mẫu sau khi biến thành dạng khí đựng ở bình chứa đi sang buồng ion hóa qua một lỗ nhỏ có đường kính 0.013 – 0.050mm(bằng vàng)

3.Các phương pháp ion hóa

Mẫu thử được biến thành các ion ở buồng ion hóa để đi vào hệ thống phân tích Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để biến các phân tử trung hòa thành ion Tùy từng

kỹ thuật, mức độ bị ion hóa của các phân tử có thể khác nhau, từ ion hóa mạnh chocác chất dễ bay hơi và bền tới ion hóa nhẹ nhàng cho các phân tử lớn, khó bay hơi Phương pháp ion hóa được thực hiện theo hai loại:

-Ion hóa tướng khí: mẫu biến thành dạng hơi rồi đưa vào buồng ion hóa (va chạm electron,photon,ion…) để biến các phân tử trung hoà thành các ion

-Ion hóa theo kỹ thuật giải hấp(giải hấp trường, giải hấp 252Cf, bắn phá

nguyên tử hay ion hóa nhanh,giải hấp laser) Các ion được hình thành từ mẫu ở phangưng kết

Cách cổ điển nhất để ion hóa các chất là kỹ thuật bắn phá electron hay sau này còn được gọi là ion hóa bằng electron (electron impact hay electron ionization, EI).Người ta dùng một chùm electron để “bắn phá” phân tử mẫu ở trạng thái hơi Điều kiện chuẩn để thực hiện EI là 70 eV Phổ EI thu được ở điều kiện này có thể dùng

để so sánh với phổ chuẩn để xác định các chất

EI là phương pháp ion hóa mạnh, nhiều chất trong điều kiện này bị phân mảnh đến mức không còn nhận thấy ion M+ nữa Để có thể phát hiện được M+, nhiều kỹthuật ion hóa nhẹ nhàng hơn đã được áp dụng Ion hóa hóa học (chemical

ionization, CI) là một trong những kỹ thuật sớm nhất được sử dụng Nguyên tắc của phương pháp là trong buồng ion hóa, người ta đưa vào một chất khí khác (được gọi là khí thử) Chất này sẽ bị ion hóa và các ion này sẽ tác động lên mẫu để ion hóa mẫu tạo ra M+ hay các ion cộng tương ứng Các khí thử thường dùng trong

CI là methan, isobutan hay ammonia Quá trình ion hóa mẫu thử M với khí thử là ammonia xảy ra như sau:

TS hay TSP) thường được sử dụng Các chất dễ bị phân hủy nhiệt, khó hay không bay hơi cũng có thể áp dụng tốt bởi các kỹ thuật ion hóa này

Với ESI, dung dịch mẫu được phun thành những hạt nhỏ vào một buồng chân không dưới một điện trường mạnh Các giọt dung dịch bị tích điện và bay hoiw dung môi sẽ vỡ giọt thành các hạt nhỏ hơn và cuối cùng thành các ion Các ion (dương hay âm) cần được phân tích sẽ được đẩy vào bộ phận phân tích khối Các phân tử bị ‘vỡ’ nhẹ nhàng hơn tạo ra ít phân mảnh và có cường độ lớn hơn Với các polymer (với M tới vài chục ngàn đơn vị khối), điện tích của các ion (z) sẽ >1 (có thể tới 20 hay hơn) do vậy vẫn có thể được phân tích trong thiết bị phổ với m/z 1000-2000

APCI tạo ra các ion dương được proton hóa hay ion âm do loại bỏ khỏi phân tử.Dung dịch mẫu được hóa hơi bởi nhiệt độ dưới dạng phun mù và đi vào trong vùngplasma của các ion dung môi tạo bởi hồ quang ở áp suất khí quyển Sự cho nhận proton xảy ra giữa mẫu và dung môi tạo nên các ion của mẫu thử

Trong TSP, dung dịch mẫu được bơm dưới áp suất tương đối cao qua 1 mao quản được nung nóng bởi bằng nhiệt điện Khi ra khỏi ống mao quản, dung môi được hóa hơi hỗ trợ cho việc phun dung dịch thành các hạt mù rồi thành các ion đẩy vào bộ phận phân tích khối TSP có thể áp dụng cho những hệ thống có tốc độ

dòng cao (HPLC) Tuy nhiên, ngày nay kỹ thuật này phần lớn được thay thế bằng ESI.

Ngoài những phương pháp ion hóa trên được sử dụng nhiều trong phân tích các hợp chất phân tử nhỏ còn có nhiều kỹ thuật ion hóa khác sử dụng cho các đại phân

tử Ví dụ, kỹ thuật bắn phá nhanh bằng nguyên tử (fast atom bombardment, FAB), các kỹ thuật giải hấp trường (field desorption, FD), giải hấp laser (laser desorption,LD) và một trong những kỹ thuật đang được sử dụng nhiều là kỹ thuật giải hấp laser hỗ trợ bởi chất nền (matrix – assisted laser desorption ionization, MALDI) Với MALDI, mẫu được trộn với dung dịch chất nền và được làm khô dung môi trên phiến kim loại rồi đưa vào buồng ion hóa của máy phổ khối chứ không kết nốitrực tiếp được với hệ thống sắc ký

Bảng 1:Một số phương pháp ion hóa trong phổ MS

Dạng ion hóa Nguồn ion

hóa

Áp suất buồng mẫu

Ion hóa hóa

Bắn phá nguyên tử

nhanh (Fast atom

bombardment-FAB)

Ar hoặc các nguyên tử trung hòa khác có năng lượng cao

Ion hóa phun mù

electron[Electrospray

(ES) ionization]

Điện trường;ion trong dung dịch

Áp suất khí quyển hoặc

áp suất giảm

HPCL/MS and CE/MS

Ion hóa hóa học áp

Áp suất khí quyển

HPLC/MS

− Một số phương pháp chính:

+ Phương pháp va chạm electron

+ Phương pháp ion hóa học

+ Phương pháp ion hóa trường

+ Phương pháp ion hóa photon

+ Phương pháp bắn phá ion

+ Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh

3.1.Phương pháp va chạm electron (Electron Impact-EI)

a.Nguyên tắc:

Ion hóa theo phương pháp va chạm eclectron là phương pháp phổ biến.

Dòng phân tử khí của mẫu đi vào buồng ion hóa,va chạm với một dòng

electron sinh ra từ một sợi đốt(catot) chuyển động vuông góc với dòng phân tử khí.Áp suất ở buồng ion hóa đạt 0,005torr và nhiệt độ 200+ 0.250C

Sự xuất hiện dòng electron: Năng lượng được cung cấp để nung nóng dây tóc kim loại(vonfram hoặc reni), làm phát ra những điện tử Những điện tử này được tăng tốc qua một điện trường có điện thế khoảng 70eV trước khi đi vào buồng chứamẫu

Các electron là các phần tử mang năng lượng, va chạm với các phân tử trung hòa làm bật ra electron và phá vở phân tử thành các mảnh ion, mảnh gốc hay phân

tử trung hòa nhỏ Thế ion hóa ban đầu đạt 6- 14eV tạo ra ion phân tử, rồi 70eV để bắn phá tạo ra các ion mảnh Sau đó các ion hình thành được cho đi qua một điện trường có thế 400- 4000V để tăng tốc độ chuyển động, tốc độ chuyển động của ion

tỷ lệ với khối lượng của chúng m1, m2, m3,…Điện thế này được gọi là thế tăng tốc,

ký hiệu là U Mối quan hệ giữa thế tăng tốc U, khối lượng m, diện tích e và tốc độ chuyển động v của ion đươc thể hiện qua phương trình sau:

eU=(1/2)m1v12 =(1/2)m2v22=(1/2)m3v32=…

Hình 1: Buồng ion hóa va chạm electron

Hình 2: Sơ đồ EI điển hình

Hình 3:Ảnh hưởng của năng lượng ion hóa đến hiệu suất ion hóa

b.Ưu-Nhược điểm của phương pháp:

Ưu điểm : Cho biết khối lượng phân tử của các mẫu phân tích, cấu trúc hóa học của của phân tử mẫu thông qua thông tin cung cấp bởi các mảnh

Nhược điểm : Không áo dụng cho những chất không bền nhiệt hoặc không bay hơi, không phân biệt được các đồng phân

3.2.Phương pháp ion hóa học (Chemical Ionization-CI)

a.Nguyên tắc:

Ion hóa hóa học là cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc

ion âm để biến các phân tử trung hòa thành ion phân tử hay ion mảnh

Trong kỹ thuật CI ngoài mẫu và khí mang, còn một lượng lớn khí thử đưa vào buồng ion hóa Lượng khí thử rất lớn so với mẫu hầu như các điện tử phát ra từ dâytóc đều va chạm vào khí thử tạo ion khí thử

Các ion khí thử va chạm, phản ứng với các phân tử mẫu tạo ra các ion mẫu Các ion dương này được hình thành từ các phân tử dạng khí H2, CH4, H2O,

CH3OH, i-C4H10, NH3…qua sự ion hóa như bắn phá chúng bằng một dòng electron mang năng lượng cao Mỗi phân tử dạng khí có thể tạo ra các ion dương khác nhaulàm tác nhân trong ion hóa hóa học

Bảng 2: Các tác nhân dạng khí và tác nhân ion dương thường dùng

Phân tử khí Tác nhân ion dương

Ion hóa bằng dòng ion dương xảy ra theo hai bước sau:

Bước 1: Phân tử trung hòa (ví dụ CH4) va chạm với dòng electron mang năng lượng cao trở thành nguồn ion :

Bước 2: Các ion dương này mới va chạm với các phân tử mẫu ở dạng khí:

Ngoài các tác nhân ion dương, còn sử dụng các tác nhân ion âm trong quá trình ion hóa Sự hình thành ion âm cũng được thực hiện bằng phương pháp va chạm electron với các phân tử dạng khí như H2,O2,N2O, ankyl halogenRX cho các ion âm như H-,O-•,O2-•,NO-,OH-,X-,…

Sự ion hóa các phân tử trung hòa bằng tác nhân ion âm xảy ra theo sơ đồ sau:

b.Ưu-Nhược điểm của phương pháp:

Ưu điểm : Dùng CI khi phương pháp EI không cho thấy mủi ion phân tử Năng lượng ion hóa trong CI là rất nhỏ so với EI nên số phân mảnh tạo ra là ít Xác suất hình thành các ion mẹ là lớn nên thường dùng xác định trọng lượng phân tử

Nhược điểm: Không áp dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, hay không bay hơi

3.3.Phương pháp ion hóa trường (Field Ionization-FI)

Nguyên tắc:

Sử dụng một điện trường mạnh để làm bật ra electron từ phân tử Khi đặt phân

tử vào giữa hai điện cực với một điện trường mạnh (107-108V/cm), nó chịu một lựctĩnh điện tương tự như ở các tấm tích điện.Nếu bề mặt kim loại(anot)có hình dạng thích hợp(đầu nhọn hay sợi mỏng)và dưới một chân không cao(10-6 torr),lực này đáp ứng để làm bật electron ra khỏi phân tử,không đòi hỏi năng lượng quá dư Trong phương pháp ion hóa trường,nguồn ion được tạo ra nhờ một kim loại nhỏ

có đường kính vài micromet làm anot ,gắn ngay phía trước khe vào buồng ion hóa Khe vào chính là catot,ngoài ra còn có khe hội tụ để tập trung nguồn ion

Hình 4:Sơ đồ nguồn ion trong ion hóa trường

3.4.Phương pháp ion hóa photon

Rất nhiều quá trình ion hóa đòi hỏi năng lượng từ 10eV tương ứng với các

photon có bước sóng khoảng 83-155nm nằm trong vùng tử ngoại chân không do

đó có thể thực hiện quá trình ion hóa va chạm photon Phổ khối đạt được cũng tương tự phương pháp va chạm electron Tuy nhiên do năng lượng nhỏ hơn của vachạm electron nên phổ này chủ yếu cho ion phân tử và một số mảnh có số khối lớn tương tự phương pháp ion hóa trường Người ta cũng sử dụng nguồn laser làm nguồn ion hóa, dó là một nguồn đơn sắc (laser rubi) mang năng lượng cao

Hình 5:Sơ đồ ion hóa

3.5.Phương pháp bắn phá ion (ion bombartment)

Nguyên tắc:

Dòng ion bắn ra từ một khẩu súng đi thẳng vào mẫu.Khi dòng ion này đập vào mẫu thì dòng ion thứ cấp sinh ra Nếu như mẫu là các nguyên tử đơn thì các ion thử cấp sẽ được tách biệt và phát hiện Ion phân tử có thể phân ly thành ion dương

và ion âm Phổ khối ion thứ cấp bao gồm các ion thứ cấp này bền vững đối với sự phân ly và sự phá vỡ thành ion mảnh

Khẩu súng bắn ion sinh ra một chùm tia có đường kính 1mm và một năng lượng

từ 300-3000eV Đường kính của chùm ion sẽ giảm dần xuống còn 0,1 mm

Hình 6: Nguyên tắc của phổ khối ion thứ cấp(SIMS)

3.6.Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (Fast Atom Bombardment-FAB)

Thiết bị bắn phá nguyên tử nhanh: Một dòng khí acgon hay xenon được bắn ra

từ khẩu súng đập thẳng vào mẫu Khí acgon đã được ion hóa bởi một sợi đốt nóng rồi được tăng tốc nhờ một trường tĩnh điện rồi hội tụ lại thành một chùm và bắn thẳng vào mẫu.Ion Ar+ cung cấp động năng cao cũng như chịu một sự trao đổi điệntích với dung môi hòa tan mẫu hình thành các ion dung môi Dung môi như

glirexin, monothioglixerin, cacbowar, 2,4-đipentyphenol hòa tan dễ dàng các hợp chất hữu cơ nhưng trong dễ bay hơi trong chân không Dòng khí argon bắn phá đã ion hóa dung môi, ví dụ như glixerin (Gn), trước tiên một số phân tử glixerin được ion hóa, sau đó ion glixerin phản ứng với phân tử glixerin xung quanh cho sản phẩm (Gn + H)+ như ion phản ứng tương tự phương pháp ion hóa hóa học Mẫu chất va chạm với ion (Gn + H)+ để sinh ra ion phân tử (M + H)+,(M - H)+ và (M +

G + H)+ được gọi là ion thứ cấp Những ion này được tách ra bởi một hệ thấu kính

và đi thẳng đến bộ phận phân tích khối lượng

Hình 7:Sơ đồ máy bắn phá nguyên tử nhanh (FAB)

Hình 8:Nguyên tắc của FAB

4.Tách các ion theo số khối

Các ion hình thành có khối lượng m và điện tích e, tỷ số z=m/e được gọi là số khối Chúng sẽ được tách biệt ra khỏi nhau theo số khối nhờ bộ phận thiết bị riêng

là một nam châm thử có từ trường hoặc kèm theo một điên trường nữa

Nhiệm vụ của bộ phận phân tích khối là phân tách hỗn hợp các ion sinh ra bởi

bộ phận ion hóa thành từng loại riêng biệt theo m/z để đưa các ion này tới detector

để ghi nhận phổ Có nhiều cơ chế để tách riêng các ion như sử dụng từ trường, điệntrường và vận tốc của các ion…Các bộ phận phân tích khối đang được sử dụng trong phổ khối gồm có các loại sau: cung từ (magnetic sector), tứ cực

(quadrupole), bẫy ion (ion trap), thời gian bay (time of flight) và cộng hưởng bằng gia tốc ion – biến đổi Fourier (Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR) Kinh điển nhất trong các bộ phân tích khối là thiết bị sử dụng từ trường Dưới một từ trường mạnh, quỹ đạo các ion sẽ thay đổi và khác nhau phụ thuộc vào điện tích và khối lượng ion Thay đổi từ trường sẽ thay đổi quỹ đạo các ion, lần lượt đưachúng đi vào detector Đây cũng là 1 trong 2 loại phân tích ion mạnh và có độ chính xác cao nhất được dùng trong các máy khối phổ phân giải cao (HR-MS)

Bộ phân tích tứ cực gồm 4 thanh kim loại có tiết diện tròn hay hyperbol đặt song song với nhau dài khoảng 100 - 200 mm Một điện thế một chiều không đổi được điều biến bởi điện thế tần số radio được áp lên tứ cực tạo nên một điện

trường trong tứ cực Dưới tác động của điện trường, chỉ có những ion nhất định bay dọc theo tứ cực đi tới detector Các ion khác quỹ đạo bị lệch và va vào các thanh tứ cực hoặc bay ra ngoài Thay đổi dòng điện tần số radio trên tứ cực sẽ lần lượt cho phép các ion khác nhau bay vào detector và được ghi nhận thành phổ Bẫy ion có cấu tạo gồm một điện cực vòng với mặt trong có dạng hyperbol và hai điện cực chỏm nằm ở hai đầu trống của điện cực vòng cũng có dạng hyperbol Bằng cách thay đổi điện thế các điện cực, người ta có thể điều khiển được quỹ đạo của các ion trong bẫy Tuy nhiên, khác với tứ cực, các ion khi đi vào bẫy ion sẽ bị giữ tại đó bởi điện trường nếu điện thế của điện cực vòng và 2 điện cực chỏm không khác nhau Thay đổi điện thế và tần số của điện cực vòng sẽ lần lượt quét các ion ra khỏi bẫy đi tới detector để ghi nhận thành phổ Thay đổi thế của hai điệncực chỏm sẽ giữ lại một hay một vài ion nhất định trong bẫy (trong chế độ chọn lọcion) hay gia tốc các ion (trong chế độ MS nhiều lần)

Tứ cực và bẫy ion cho phép phân tích các chất có m/z tới 5000 Độ chính xác khối của tứ cực và bẫy ion không cao (0,1 đơn vị khối) nhưng nhỏ gọn, đơn giản,

dễ sử dụng và rẻ tiền hơn nên được áp dụng nhiều trong các hệ LC-MS

Một cách khác để tách các ion ra khỏi hỗn hợp là dựa vào vận tốc của các ion Ởcùng một mức năng lượng, vận tốc của ion phụ thuộc vào khối lượng của ion Phân

tử càng nhẹ vận tốc càng lớn Đo lường thời gian để ion từ điểm xuất phát bay tới detector sẽ tính ra được khối lượng của ion Do vậy, kỹ thuật này được gọi là xác

định thời gian bay của ion (TOF) TOF có độ phân giải tương đối cao (tới 20.000), với số khối chính xác hơn (tới 0,0001) Khoảng phân tích khối của TOF là không giới hạn, rất hữu dụng cho việc phân tích các đại phân tử.

Một kỹ thuật mới để phân tích khối là cộng hưởng bằng gia tốc ion - biến đổi Fourier (FT-ICR) Các ion được giữ trong một buồng cộng hưởng dưới một từ trường mạnh ở bên và một điện trường theo hướng trục Giống như trong cộng hưởng từ hạt nhân, tất cả các ion trong buồn được kích thích bởi một xung tần số radio băng rộng (10 KHz - 1 MHz) Các ion sẽ hấp thu năng lượng phù hợp để cộng hưởng Các ion cùng loại khi hấp thu năng lượng (cộng hưởng) chuyển động đồng nhất tạo ra một tần số nhất định phụ thuộc vào m/z Tất cả các tần số của các ion tạo ra sẽ được ghi nhận dưới dạng các dao động cảm ứng tự do tắt dần theo thời gian và sau đó được biến đổi Fourier để trở thành dạng phổ khối truyền thống FT-ICR có độ phân giải và độ chính xác khối rất cao (tới 1 ppm), khoảng phân tíchkhối rộng (hiện nay là m/z tới 10.000) Độ nhạy của FT-ICR cũng rất cao, giới hạn phát hiện có thể đạt tới mức attomole Khi phối hợp với ESI, FT-ICR có thể phân tích các protein tới 15.000 đơn vị khối

Ngoài các kỹ thuật phân tích khối đã nêu trên, còn có các loại khác đã hoặc đang được phát triển như bẫy quỹ đạo (orbital trap) hay dựa trên tính linh động củaion (ion mobility) và các kỹ thuật lai hay kết hợp giữa các loại trên

Có các loại thiết bị chính như sau:

• Thiết bị phối khổ hội tụ đơn hoặc còn gọi là khối phổ hình quạt hay lệch từ •Thiết bị khối phổ hội tụ kép

• Thiết bị khối phổ tứ cực

• Thiết bị khối phổ TOF

• Thiết bị khối phổ thời gian bay

4.

1.Khối phổ kế hội tụ đơn:

Thông thường nhất là dùng thiết bị từ trường hình quạt(Sector-Field

Spectrometer)

Hình 9:Sơ đồ khối phổ kế hội tụ đơn

Các ion trước khi ra khỏi buồng ion đã được tăng tốc nhờ một điện trường có thế U, sẽ đi qua một nam châm hình ống có từ trường H Khi chuyển động trong từtrường này, các ion sẽ chuyển động theo một hình vòng cung có bán kính r Độ lớncủa bán kính r bằng :

r = [(2mU/e)1/2]/HSuy ra: (m/e)=(H2r2)/2U Như vậy với một giá trị U và H nhất định thì số khối m/e tỷ lệ với bán kính r Nhìn biểu thức trên thấy rõ các ion có số khối khác nhau sẽ được tách ra khỏi nhau

do bán kính r của vòng cung chuyển động của chúng khác nhau và hứng trên kính ảnh Máy hội tụ đơn có độ phân giải thấp (1000-5000)

Hình 10: Thiết bị khối phổ hội tụ đơn

4.2.Khối phổ kế hội tụ kép

Để máy có độ phân giải cao (10.000-100.000) người ta đã chế tạo bộ tách ion

gồm một điện trường và một từ trường đặt cạnh nhau Các ion trước khi đi qua từ trường hình quạt, sẽ đi qua một điện trường tĩnh để tách biệt nhau một lần nữa Đối với bộ phân tách điện trường và từ trường cặp đôi định hướng các ion Chỉ cho phép các ion có cùng m/z và có cùng động năng vào đầu dò, do vậy mủi khối phổ rất hẹp, độ phân giải cao

Như các máy phân giải kém không thể phân biệt được CO+, C 2H4+ , N2+ nhưngvới máy có độ phân giãi cao có thể dể dàng phân biệt được CO+ ( 29,9949), N2+

(28,0062), C 2H4+ (28,0312)

Hình 11:Khối phổ kế hội tụ kép

4.3.Khối phổ kế tứ cực

Một bộ lọc khối tứ cực bao gồm bốn thanh kim loại song song sắp xếp như trong hình Hai thanh đối diện có điện thế dương ứng với +(U + V.cos (wt)) và hai thanh khác có tiềm năng - (U + V.cos (wt)), trong đó U là một điện thế một chiều

và V.cos (wt) là một điện thế xoay chiều

Điện thế đặt vào ảnh hưởng đến quỹ đạo bay của các ion trong không gian trung tâm giữa bốn thanh