Bài tiểu luận Phân tích khối phổ

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỈ THUẬT MÔI TRƯỜNG  oOo  Đề tài: PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ BÀI TIỂU LUẬN TỔ 4 Môn: KỸ THUẬT PHÂN TÍ

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỈ THUẬT MÔI TRƯỜNG

 oOo 

Đề tài:

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ

BÀI TIỂU LUẬN TỔ 4

Môn: KỸ THUẬT PHÂN TÍCH SINH HÓA HIỆN ĐẠI

Giảng viên hướng dẫn: Hồ Thị Tiến

TP HCM, Tháng 12 năm 2015

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TPHCM

KHOA CÔNG NGHỆ SINH HỌC VÀ KỈ THUẬT MÔI TRƯỜNG

 oOo 

Đề tài:

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ

BÀI TIỂU LUẬN NHÓM 4

Giảng viên hướng dẫn: Hồ Thị Tiến

Nhóm sinh viên thực hiện

TP.HCM, Tháng 12 năm 2015

hufi

i

LỜI CẢM ƠN

Chúng tôi xin trân thành cảm ơn cô Hồ Thị Tiến đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn

và giúp đỡ chúng tôi trong suốt thời gian học tập.Một lần nữa nhóm chúng tôi xin trân thành cảm ơn cô

Mặc dù bài tiểu luận đã hoàn thành nhưng khó tránh những sai sót.Mong rằng sẽ nhận được đóng góp ý kiến của thầy cô và các bạn để bài tiểu luận hoàn thiện hơn

Từ đó,chúng tôi sẽ có thêm nhiều kinh nghiệm để thực hiện những bài tiều luận tiếp theo cũng như đồ án sau này và nghề nghiệp tương lai

Sau cùng chúng tôi xin chúc cô Hồ Thị Tiến và toàn thể các thầy cô trong Khoa thật dồi dào sức khỏe, niềm vui để tiếp tục thực hiện sứ mệnh cao đẹp của mình là truyền đạt kiến thức của mình cho thế hệ mai sau

Trân trọng cảm ơn!

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

ii

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan:

Bài tiểu luận do các thành viên trong nhóm cùng chung tay làm việc,có sự phân công rõ ràng và công bằng giữa các thành viên trong nhóm Đồng thời, không sao chép bất cứ bài tiểu luận của bất kì ai Các nội dung trong bài báo cáo đã được tham khảo kỉ lưỡng trước khi đưa vào bài tiều luận.Chúng tôi sẽ chịu hoàn toàn trách nhiệm trước cô

và Khoa về những cam đoan này

TP.HCM, ngày 9 tháng 12 năm 2015

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

iii

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT

học ở áp suất khí quyển)

tử)

giải hấp laser)

hưởng ion cylotron)

Bảng 3.3: Thành phần hoá học của tinh dầu từ gỗ Sa mộc

dầu (Cunninghamia konishii Hayata) phân bố ở Tây Côn

Lĩnh

13

4

Bảng 3.4: Dư lượng kháng sinh quinolone (ng.g -1 ) trong

mẫu thịt gà, thịt heo, tôm, cá diêu hồng 15- 16

2 Hình 2.1: Sơ đồ khối của máy khối phổ 3

3 Hình 2.2 : Giao diện ESI trong máy khối phổ và sơ đồ tạo ion

4 Hình 2.3: Giao diện APCI giữa cột HPLC vả máy khối phổ 6

5 Hình 2.4: Sơ đồ mô tả hoạt động của hệ thống MALDI 7

6 Hình 2.5: Biểu đồ lựa chọn kiểu tạo ion 7

7 Hình 2.6: Bộ phân tích từ hội tụ đơn 8

8 Hình 2.7: Bộ phân tích tứ cực đơn 9

9 Hình 2.8: Sơ đồ bẫy ion 9

10 Hình 2.9: Bộ phân tích tứ cực chập ba 9

11 Hình 2.10: Sơ độ bộ phân tích thời gian bay TOF 10

12 Hình 2.11: Sơ đồ bẫy Penning và quá trình tạo tín hiệu 10

13 Hình 3.1: Sự thay đổi cấu dạng do cảm ứng với cAMP của

Epac2 được xác định bằng DXMS 14

14 Hình 3.2: Đường hồi qui của 8 quinolone 15

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

KÍ HIỆU CÁC CỤM TỪ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG iv

DANH MỤC CÁC SƠ ĐỒ VÀ HÌNH ẢNH v

LỜI MỞ ĐẦU 1

I GIỚI THIỆU 2

1.1 Tổng quan .2

1.2 Nguyên lý của khối phổ 3

II MÁY KHỐI PHỔ 3

2.1 Tổng quan về máy khối phổ .3

2.2 Nguyên lí làm việc của máy khối phổ .4

2.3 Chi tiết các bộ phận của máy khối phổ .4

2.3.1 Bộ nạp mẫu: Có thể phân thành hai nhóm chính: 4

2.3.1.1 Nạp mẫu trực tiếp .4

2.3.1.2 Nạp mẫu gián tiếp .4

2.3.2 Bộ nguồn ion 4

2.3.2.1 Va chạm electron (EI) 5

2.3.2.2 Ion hóa hóa học (CI) .5

2.3.2.3 Nguồn ion bằng phun sương khử solvat 5

2.3.2.4 Nguồn ion hóa bằng giải hấp 6

2.3.3 Bộ phân tích khối 7

2.3.3.1 Bộ phận tích từ 7

2.3.3.2 Bộ phân tích tứ cực 8

2.3.3.3 Bộ phân tích thời gian bay (TOF) 10

2.3.3.4 Bộ phân tích cộng hưởng ion cyclotron (ICR) 10

2.3.4 Detector 11

2.3.4.1 Nhân electron 11

2.3.4.2 Nhân quang 11

III ỨNG DỤNG 11

3.1 Xác định các đồng vị 11

3.1.1 Cơ sở lí thuyết 11

3.1.2 Ví dụ minh họa 12

3.2 Định tính 12

3.2.1 Cơ sở lí thuyết 12

3.2.2 Ví dụ minh họa 12

3.3 Xác định công thức cấu tạo 14

3.3.1 Cơ sở lí thuyết 14

3.3.2 Ví dụ minh họa 14

3.4 Định lượng 15

3.4.1 Cơ sở lí thuyết 15

3.4.2 Ví dụ minh họa 15

TÀI LIỆU THAM KHẢO 17

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 1

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

LỜI MỞ ĐẦU

Trong sự phát triển của xã hội ngày nay, tất cả các công việc đều được cơ giới

hóa hiện đại hóa phù hợp với xã hội ngày càng văn minh Các nghành khoa học càng

cần phải đổi mới và hiện đại nhất là trong nghành khoa học nghiên cứu Nghành Công

Nghệ Sinh Học là một trong số đó Là một ngành khoa học nghiên cứu với những kỉ

thuật công nghệ cao đáp ứng nhu cầu đặt ra của Nghành, vì vậy cần những kỉ thuật,

những phương tiện để đáp ứng các nhu cầu đó Đây cũng là một trong những lí do mà

môn “Kỷ thuật phân tích sinh hóa hiện đại “ được xem là một trong những môn cơ

sở nghành cung cấp cho người học một cách nhìn tổng quan về các phương pháp,

trang thiết bị phục vụ cho việc nghiên cứu của các môn học sau này

Trên cơ sở những kiến thức đã được học trong môn học: nhóm chúng tôi đã được

giao thực hiện đề tài “Phân tích khối phổ” với mục đích là tìm hiểu thêm đề nâng cao

kiến thức đã học cho bản thân và các bạn Mặc dù đã cố gắng do kiến thức còn hạn hẹp

và thời gian thực hiện không được nhiều nên đề tài của chúng tôi còn rất nhiều hạn chế

và sai sót

Đề tài này nhóm chia làm 3 phần như sau:

Phần I: Giới thiệu: Tìm hiểu tổng quan cũng như nguyên lí làm việc của máy khối

Phần III: Ứng dụng: Trình bày một cách khái quát các ứng dụng của kỷ thuật này

đồng thời đưa ra những ví dụ cụ thể đã được các nhà khoa học đi trước thực hiện

Chúng tôi mong sự góp ý của cô Hồ Thị Tiến, các thầy cô trong khoa và các bạn

để bài luận này hoàn thiện và ngày càng tốt hơn

NHỮNG NGƯỜI THỰC HIỆN

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 2

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Khối phổ (mass spectrometry – MS), là một kỹ thuật quang phổ do nhà vật

lí học người Anh Joseph John Thomson phát minh ra vào năm 1897 Chính nhờ

kỉ thuật này đã giúp Thomson phát hiện ra các đồng vị của nguyên tố và chứng

minh sự tồn tại hai đồng vị của khí Neon Với phát minh này đã giúp Thomson

giành được giải thưởng Nobel năm 1906.

1.1 Tổng quan

Từ năm 1940 phân tích khối phổ hữu cơ ra đời để ứng dụng vào phân tích sản

phẩm trong ngành cộng nghiệp dầu hỏa Đến những năm 70, khối phổ đã được ứng

dụng rộng rãi trong nghiên cứu y sinh Hiện nay phân tích khối phổ là một trong

những kỉ thuật phổ biến được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau để xác định

thành phần các chất vô cơ và hữu cơ

Hình 1.1: Máy khối phổ hiện nay

Phương pháp khối phổ (MS) là một kỹ thuật phân tích hóa học giúp xác định

hàm lượng và loại chất hóa học có trong một mẫu bằng cách đo tỷ lệ khối lượng trên

điện tích và số lượng của các ion pha khí từ phân tử hoặc nguyên tử của mẫu Tỉ số

này được biểu thị bằng đơn vị khối lượng nguyên tử hoặc bằng dalton Nếu biết được

điện tích của ion thì ta dễ dàng xác định được khối lượng của ion đó

Như vậy, trong nghiên cứu khối phổ của bất kỳ chất nào, trước tiên nó phải được

chuyển sang trạng thái bay hơi, sau đó được ion hoá bằng các phương pháp thích hợp

Các ion tạo thành được đưa vào nghiên cứu trong bộ phân tích khối của máy khối phổ

Tùy theo loại điện tích của ion nghiên cứu mà người ta chọn kiểu quét ion dương (+)

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 3

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

hoặc âm (-) Kiểu quét ion dương thường cho nhiều thông tin hơn về ion nghiên cứu

nên được dùng phổ biến hơn

1.2 Nguyên lý của khối phổ

Khối phổ là kỹ thuật phân tích đo phổ về khối lượng của các phân tử tích điện

khi chúng di chuyển trong điện trường Các ion được tạo thành trong buồng ion hóa,

được gia tốc và tách riêng nhờ bộ phận phân tích khối phổ trước khi đến detector Tất

cả các quá trình này diễn ra trong hệ thiết bị chân không, áp suất trong hệ giao động

trong khoảng từ 10-3 Pa đến 10-6 Pa Tín hiệu tương ứng với các ion sẽ được thể hiện

bằng một số vạch (pic) có cường độ khác nhau tập hợp lại thành một khối phổ đồ hoặc

phổ khối Dữ liệu phổ khối được tự động ghi lại và sử dụng để nhận dạng mẫu bằng

các công cụ tin sinh học Đồng thời, có thể xác định cấu trúc cũng như là định lượng

các chất trong mẫu mà ta phân tích

2.1 Tổng quan về máy khối phổ

Hệ thống khối phổ có nhiều loại và được ứng dụng rất đa dạng trong các lĩnh vực

khác nhau Tùy theo chức năng và nhiệm vụ mà các bộ phận được cấu tạo khác nhau

nhưng thông thường một máy khối phổ thường có năm bộ phận chính như sau:

 Bộ phận nạp mẫu: Đưa mẫu vào máy, nếu mẫu ở dạng lỏng hoặc rắn cần phải

chuyển sang dạng hơi bằng các biện pháp thích hợp

 Bộ nguồn ion: Ion hóa các phân tử, nguyên tử của mẫu ở trạng thái khí hoặc

hơi

 Bộ phân tích khối: Tách các ion theo tỉ số khối lượng và điện tích của ion (m/z)

Các ion được gia tốc và tách riêng nhờ tác dụng của từ trường , điện trường để

đi đến detector

 Bộ phận ghi phổ (detector): Có nhiệm vụ chuyển các ion đã đến thành tín hiệu

điện đo bằng hệ điện tử của máy khối phổ

 Bộ xử lí dữ liệu: Dữ liệu được ghi lại và nhận dạng bằng hệ thống tin sinh học

Tín hiệu điện từ detector được khuếch đại trước khi chuyển thành tín hiệu số

phục vụ xử lí dữ liệu theo những yêu cầu khác nhau: ghi phổ khối, so sánh với dữ liệu

phổ trong thư viện phổ hay định lượng mẫu,…:

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 4

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Hình 2.1: Sơ đồ khối của máy khối phổ

Các bộ phận này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau

2.2 Nguyên lí làm việc của máy khối phổ

Ban đầu, mẫu được nạp vào máy ở dưới dạng khí hoặc hơi Sau đó mẫu được

chuyển đến bộ nguồn ion để được ion hóa thành các ion ở các trạng thái tích điện khác

nhau, tiếp theo các ion mẫu sẽ được phân tách dựa trên sự khác biệt về tỉ số giá

trị m/z, detector ghi dữ liệu phổ về khối của các ion đã phân tách với sự trợ giúp của

các phần mềm tin sinh học cho phép tìm kiếm trên các cơ sở dữ liệu và phân tích kết

quả thu được

Máy khối phổ không đo khối lượng (m) mà chúng đo giá trị m/z (mass/charge

ratio) Tùy thuộc vào các loại nguồn và bộ phân tích khối mà máy khối phổ có cấu

hình và nguyên tắc hoạt động khác nhau

2.3 Chi tiết các bộ phận của máy khối phổ

2.3.1 Bộ nạp mẫu: Có thể phân thành hai nhóm chính:

2.3.1.1 Nạp mẫu trực tiếp

Mẫu được đưa trực tiếp vào máy không cần thông qua bất kì thiết bị phân tích

khác Chẳng hạn, với mẫu lỏng ta có thể đặt mẫu vào trong chén thạch anh hoặc trên

bề mặt kim loại và đưa vào buồng trung gian (áp suất giảm) trước khi đưa vào buồng

chân không của máy Ở đây phần hơi của mẫu có thể được tách nhờ một màng bán

thấm và đưa thẳng vào buồng ion hóa Đôi khi người ta nhiệt phân mẫu, khí tạo ra

được đưa vào buồng ion hóa của máy khối phổ hoặc dùng kết nối GC/MS (Gas

Chromatography/ Mass Spectrometry)

2.3.1.2 Nạp mẫu gián tiếp

Ở đây bộ nạp mẫu có đầu ra kết nối với một thiết bị phân tích khác được nối với

máy quét phổ, chẳng hạn như các kiểu sau:

 GC/ MS (Gas Chromatography/ Mass Spectrometry): Đầu ra của cột mao quản

của hệ thống sắc kí khí (GC) được nối trực tiếp với bộ nguồn ion của máy khối

phổ

 LC/MS (Liquid Chromatography/ Mass Spectrometry): Khi chất phân tích khó

bay hơi hoặc dễ phân hủy nhiệt không thể phân tích bằng GC, cần kết nối với

hệ thống sắc kí lỏng (LC) Khó khăn ở đây là phải chuyển chất phân tích từ pha

lỏng sang pha hơi để ion hóa.(Sẽ được trình bày cụ thể ở phần 2.3.2)

 SFC/ MS ( Supercritical Fluid Chromatography/ Mass Spectrometry): Pha

động là CO2 siêu tới hạn được chuyển thành pha khí trước khi đi vào buồng ion

hóa

 CE/ MS (Capillary Electrophoresie/ Mass Spectrometry): Các chất trong dung

dịch rữa giải từ mao quản được đưa vào buồng ion hóa Trong một số trường

hợp cần thêm dung môi để tăng tốc độ dòng Hạn chế của kết nối này là thể tích

mẫu nhỏ và cần phải dùng dung dịch đệm dễ bay hơi

2.3.2 Bộ nguồn ion

Đây là bộ phận ion hóa mẫu phân tử, nguyên tử sang trạng thái hơi hoặc khí, trên

thực tế thì có rất nhiều phương pháp ion hóa mẫu Dưới đây là một trong nhiều

phương pháp đó cụ thể như sau:

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 5

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

2.3.2.1 Va chạm electron (EI)

Trong buồn ion hóa các electron (e) phát ra từ một catot vonfram hoặc reni khi

đốt nóng Chùm tia e này bay về phía anot với vận tốc lớn (có năng lượng khoảng 70

eV) va chạm với phân tử hoặc nguyên tử của mẫu Một e tấn công một phân tử với

năng lượng lớn sẽ loại một e khác khỏi phân tử này

Quá trình ion hóa mẫu bằng phương pháp EI thường tao ra ion dòng điện đơn có

một e không cặp đôi Đó là ion gốc, phân tử ban đầu mang điện tích gọi là ion phân tử

Quá trình ion hóa bằng phương pháp EI có thể tạo ra catot và anot:

 Ít hoặc thậm chí không có ion phân tử nên khó biện giải phổ

 Không thích hợp với chất phân cực hoặc dễ bị nhiệt phân hủy (phải hơi hóa

mẫu trước)

2.3.2.2 Ion hóa hóa học (CI)

Ion hóa hóa học là kỉ thuật ion hóa “mềm” hơn kỉ thuật va chạm electron Ở đây

người ta dùng khí metan (CH4), amoniac (NH3), va cham với chùm tia electron năng

lượng cao để tạo ra các ion hoặc gốc tự do Ví dụ với khí metan:

Đầu tiên va chạm electron sẽ ion hóa thuốc thử:

Tiếp theo là tạo ra ion thứ cấp:

Cation CH5 + là tiểu phân cho proton mạnh sẽ phản ứng với chất phân tích M của

mẫu:

Ưu điểm:

 Ít phân mảnh chất phân tích M

Nhược điểm:

 Tạo ra ion MH+ có khối lượng lớn hơn một đơn vị so với khối lượng phân tử

tương đối của chất phân tích

2.3.2.3 Nguồn ion bằng phun sương khử solvat

Kỷ thuật này tạo ra ion từ phân tử trong dung dịch, dung dịch ở trong một mao

quản kim loại (tốc dộ dao động từ 1- 10 ml/ phút) Người ta đặt một điện trường giữa

đầu mao quản và điện cực (≤ +4000 V) tạo ra các giọt mịn hạt sương mang điện tích

và gia tốc đến điện cực ( ion hóa bằng tia điện- ESI)

Ưu điểm:

 Ion hóa được các chất phân cực và các chất có khối lượng phân tử lớn (M ≤

100000)

PHÂN TÍCH KHỐI PHỔ TỔ 4

Page | 6

Khoa Công Nghệ Sinh Học Và Kỉ Thuật Môi Trường

Nhược điểm:

 Chỉ có thể thực hiện với mẫu lỏng

Hình 2.2 : Giao diện ESI trong máy khối phổ và sơ đồ tạo ion dương bằng nguồn

ESI

Ngoài dùng tia ESI ta có thể dùng một số các tia sau:

 Ion hóa bằng nhiệt (TSI): Tương tự như kỉ thuật ESI tuy nhiên mẫu phải đi qua

mạo quản ở nhiệt độ được kiểm soát để tạo thành các giọt mịn

 Ion hóa học ở áp suất khí quyển (APCI): Pha động được chuyển thành cát giọt

sương nhờ dòng Nito và nhiệt (khoảng 500oC), thường được kết nối với

HPLC/MS Hình 2.3 minh họa giao diện APCI giữa cột HPLC vả máy khối

phổ

Hình 2.3: Giao diện APCI giữa cột HPLC vả máy khối phổ

2.3.2.4 Nguồn ion hóa bằng giải hấp

Nguyên tắc của kỷ thuật này là dựa trên quá trình phát thứ cấp: bắn phá một mẫu

ở dạng lỏng hay rắn bằng một chùm tia sơ cấp: electron, photon hoặc ion