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”.

5 Ứng dụng trong phân tích

4 Phương pháp kết hợp sắc ký – khối phổ

3 Detecto và giải phổ khối lượng

2 Các phương pháp ion hóa và khối phổ kế

1 Giới thiệu và nguyên tắc của phương pháp

Phương pháp quang phổ khối lượng(MS)

1 Giới thiệu

Định nghĩa

Quang phổ khối lượng là một kỹ thuật phân tích hóa học giúp xác định số lượng và loại chất hóa học có trong mẫu bằng cách đo chính xác tỷ lệ khối lượng - điện tích và số lượng các ion pha khí.

Phương pháp quang phổ khối lượng còn gọi là khối phổ hay phổ khối lượng, Mass spectrometry(MS).

1 Giới thiệu

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

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

• Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách riêng của nó

Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, thường được kết hợp với một số sinh học phân tử khác như:

• Khối phổ kết hợp với sắc ký khí.

• Khối phổ kết hợp với sắc ký lỏng.

• Khối phổ kết hợp điện di

1 Giới thiệu

Cơ sở của phương pháp

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:

Hoặc ABCD++ + 3eHoặc ABCD−

Qua từ trường và điện trường, các ion có điện tích và khối lượng khác nhau thì

có hướng bay khác nhau, nhờ có thiết bị detecto mà ta phân tích được chất có trong mẫu

Phương pháp còn dựa vào tính khuynh hướng tạo ion khi bắn phá:

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 thể xảy 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

Cơ sở của phương pháp

Sơ đồ của phương pháp MS

Nạp mẫu và hóa khí mẫu

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)

2 Các phương pháp ion hóa

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 pha ngưng kết

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

Dạng ion hóa Nguồn ion hóa Áp suất buồng

các hợp chất không bay hơi có khối lượng phân tử cao trong pha ngưng tụ Bắn phá nguyên tử nhanh (Fast atom

bombardment-FAB)

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

Sự phản hấp phụ laser và ion hóa phản hấp phụ

laser mạng lưới[Laser desorption(LDI) và

matrix-assisted LDI(MALDI)]

Photon 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 suất khí quyển[Atmospheric

pressure chemical ionization(APCI)]

Sự phóng điện vành;ion

ở dạng khí

Áp suất khí quyển

HPLC/MS

Phương pháp va chạm electron

(Electron Impact-EI)

a.Nguyên tắc:

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

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

Phương pháp va chạm electron (Electron Impact-EI)

Ảnh hưởng của năng lượng ion hóa đến hiệu suất ion hóa

Phương pháp va chạm electron (Electron Impact-EI)

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

Phương pháp ion hóa học (Chemical

Ionization-CI)

Nguyên tắc: Cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc ion âm để biến các phân

tử trung hoà thành ion phân tử hay ion manh Trong quá trình này, trước tiên phải biến các phân tử khí metan thành ion, sau đó các ion này mới va chạm với các phân tử mẫu

Ion hóa bằng dòng ion dương

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

Ion hóa bằng dòng ion dương

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

Ion hóa bằng tác nhân ion âm

Phương pháp ion hóa học (Chemical Ionization-CI)

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

Phương pháp ion hóa trường (Field Ionization-FI)

Nguyên tắc:

Sử dụng một điện trường

mạnh để làm bật ra electron

từ phân tử

Cho mẫu dạng hơi đi qua

giữa hai điện cực cảm ứng có

một điện trường mạnh, dưới

tác dụng của lực tĩnh điện,

phân tử trung hoà sẽ biến

thành các ion dương.

Phương pháp ion hóa photon

Nguyên tắc

Cho dòng phân tử mẫu dạng

hơi và đập với dòng photon

có năng lượng khoảng 10ev

sẽ xảy ra quá trình ion hoá.

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

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.

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

Nguyên tắc

Một dòng khí agon hay xenon được

bắn ra từ một khẩu súng đập thẳng

vào mẫu hoà tan trong dung môi như

glixerin Trước tiên các phân tử dung

môi bị ion hoá rồi chính nó ion hoá

phân tử mẫu thành các ion tiếp theo

Tách các ion theo số khối

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

• Thiết bị khối phổ TOF

• Thiết bị khối phổ thời gian bay

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 từ trường này, các ion sẽ chuyển động theo một hình vòng cung có bán kính r Độ lớn của bán kính r bằng :

• r = [(2mU/e)1/2]/H

• Suy ra: (m/e)=(H2r2)/2U

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

Khối phổ kế tứ cực

Khối phổ kế tứ cực

Quang phổ khối lượng thu được bằng cách thay đổi thế của U và V hoặc giử U và V nhưng lại thay đổi W Như vậy các ion mang tỷ lệ m/z khác nhau sẽ lần lượt đến detector

và được ghi nhận.

Độ phân giải phổ kế tứ cực thông thường đạt từ 500-

1000, muốn nâng cao độ phân giãi Rs có thể nối 2-3 tứ cực với nhau lúc đó có thể đạt 20.000.

Khối phổ kế thời gian MS)

bay(TOF- Phân tích thời gian bay dựa trên sự tăng tốc một nhóm các ion đi đến detector Các ion này đều nhận một năng lượng như nhau thông qua

sự gia tăng điện thế Vì các ion đều có một năng lượng tương tự nhau nhưng mang một khối lượng khác nhau nên chúng tiến đến detector ở những thời điểm khác nhau

 Kỹ thuật phân tích được gọi là time-of-flight vì khối lượng được xác định thông qua thời gian của ion tiến đến detector.

Khối phổ kế giải hấp

laser(MALDI-MS)

 MALDI-MS là một ví dụ điển hình về ứng dụng của phổ kế thời gian bay phản xạ RTOF-MS để nghiên cứu các phân tử lớn.Kỹ thuật này cho phép đo chính xác khối lượng của các polime sinh học có kích cỡ picromol.

 Nguyên tắc hoạt động của MALDI-MS là phân

tử sinh học hòa tan vào một loại hóa chất thích hợp,ví dụ axit cacboxylic,được gọi là khuôn chất mẫu,chất này hấp thụ bức xạ laser,sau đó phân tử sinh học hòa tan trong chất khuôn mẫu đó được giải hấp ,đồng thời ion hóa tạo ra các ion dương ,di0 vào tướng khí.Nguồn ion này được phân tách và ghi nhận nhờ TOF.

4 Detector và giải phổ khối

lượng.

Detector

Cốc Faraday

Nhân electron

Detector Daly.

Ưu và nhược điểm của các detector.

Detector Ưu điểm Nhược điểm

• Các phân tử trong tự nhiên thường không gặp ở dạng tinh khiết về mặt đồng

vị Ví dụ như Hydro thường tìm thấy nhiều nhất ở dạng 1H, nhưng có khoảng 0.02% là đồng vị 2H, Carbon thường ở dạng 12C, nhưng khoảng 1,1% nguyên

tử carbon là đồng vị 13C…

• Ngoài ra trong phổ khối lượng ta thường thấy các vạch có giá trị m/z bằng một nửa m’/z’ của vạch khác và nó chiếm tỷ lệ rất nhỏ Bởi vì các vạch có giá trị

m/z đó bị loại bỏ 2 điện tử còn vạch có giá trị m’/z’ chỉ bị loại 1 điện tử

Giải phổ khối lượng.

Các vạch có độ phong phú tương đối thấp.

• Nếu công thức của ion mảnh tương ứng với công thức của phân tử trung hòa bền hoặc đồng phân của phân tử như thế, thì ion luôn là ion điện tử lẻ.

• Nếu công thức của ion là công thức của phân tử trung hòa bền trừ đi một nguyên tử hoặc một gốc, thì ion đó là điện tử chẵn

• Nếu công thức của ion là của phân tử trung hòa bền trừ đi phân tử trung hòa bền thứ 2, thì ion đó là điện tử lẻ

Các qui tắc qui kết các mảnh

• Qui tắc phát biểu rằng: Khi tất

cả các ion phân tử tích điện đơn mà chứa số lẻ các nguyên

tử nitơ thì chúng được đánh số

lẻ khối lượng và nếu các ion phân tử tích điện đơn không chứa hoặc chứa số chẵn các nguyên tử nitơ thì chúng được đánh số chẵn khối lượng.

Qui tắc nitrogen.

• Cơ sở để tách mẫu phân tích bằng sắc kí khí là sự phân bố của mẫu phân tích giữa 2 pha : pha tĩnh có

bề mặt tiếp xúc lớn ( pha lỏng hoặc rắn), pha động là khí

• Tùy thuộc vào bản chất của pha tĩnh mà chia ra làm 2 loại sắc kí khí là: sắc kí khí- rắn, sắc ki khí –lỏng

Phương pháp kết hợp sắc ký – phổ học khối lượng.

• Nguyên tắc hoạt động:

Mẫu phân tích được đưa vào hệ thống sắc kí khí và bị phân tách thành các chất riêng biệt Sau

đó các chất này được đưa qua máy phổ khối lượng thông qua giao diện( giao diện phải được đun nóng để các chất đi qua không bị ngưng tụ) Ở đây, các khí mang và dung môi sẽ được làm thoát khỏi hệ thống để đảm bảo thành phần chất phân tích đưa vào phổ là lớn nhất và không làm hư

hỏng máy phổ Lượng chất đưa vào sẽ được ion hóa , tăng tốc dịch chuyển đến detector và xử lí số liệu.

Sắc kí khí – phổ khối lượng

• Nguyên tắc hoạt động:

Mẫu phân tích được đưa vào hệ thống sắc kí lỏng và bị phân tách thành các chất riêng biệt Sau đó các chất này được đưa qua máy phổ khối lượng thông qua giao diện( giao diện phải được đun nóng để các chất đi qua không bị ngưng tụ) Ở đây, các điện tích bị lẫn vào và dung môi hòa tan sẽ được loại bỏ ra khỏi hệ thống để đảm bảo thành phần chất phân tích đưa vào phổ là lớn nhất và không làm hư hỏng máy phổ Lượng chất đưa vào sẽ được ion hóa , tăng tốc dịch chuyển đến detector và xử lí số liệu

Sắc kí lỏng – phổ khối lượng.

• Ứng dụng của phương pháp GC-MS và LC-MS trong y khoa, mẫu nước tiểu lấy từ bệnh nhân đang dùng thuốc đặc biệt để phân tích song song bằng GC-MS đối với những chất trao đổi bay hơi và bằng LC-MS đối với các chất trao đổi không bay hơi.

Tổng hợp

5 ỨNG Dụng

Ứng dụng rất lớn trong hóa học hữu cơ về xác định cấu tạo chất và phân tích định lượng

• Từ số khối của ion phân tử có thể biết được khối lượng phân tử

• Phổ khối phân giải cao có thể dự đoán được công thức phân tử

• Có thể chứng minh cấu tạo chưa biết của một hợp chất hữu cơ

Phương pháp sắc ký lỏng phối phổ (LC/MS)

• Phân tích hỗn hợp các chất khó bay hơi như các thuốc bảo vệ thực vật, các thuốc chữa bệnh,…các độc tố

• Phân tích các phân tử protein có phân tử lượng lớn

• Nghiên cứu cấu tạo các polime sinh học

5 ỨNG Dụng

Phương pháp sắc ký lỏng ESI/LC/MS

• Phân tích dược phẩm cả định tính và định lượng

• Phương pháp sắc ký lỏng khối phổ ion âm

• Phân tích vết các chất độc

Ví dụ: Vết các độc tố fumonisin B1 được xác định từ chiết nấm Fusarium moniliforme

5 ỨNG Dụng

MỘT SỐ ỨNG DỤNG THỰC TẾ

• Ứng dụng phương pháp sắc ký khí khối phổ để xác định hàm lượng

chloropropanols bao gồm 1,dichloropropan-2-ol (1,DCP) and

3-chloropropan-1,2-diol (3-MCPD) trong nước tương và tương đặc

• GC/MS được sử dụng cho an ninh sân bay để kiểm tra các loại chất trong hành lý và con người và phân tích các chất hữu cơ trong nước cung cấp cho công cộng

Video