Ebook các phương pháp phân tích vật lý và hóa lý (tập 2 phương pháp phổ khối lượng) phần 1

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP PHỐ KHỐ LƯỢNGMở ñầu: Sơ lược lịch sử phát triển của phương pháp phổ khối lượng Phương pháp phổ khối lượng, viết tắt MS Mass spectrometry, là một phương pháp phân tíc

MỤC LỤC

Mục lục 3

Chương ỉ Phưong pháp phố khối lượng Mở ñầu: Sơ lược lịch sử phát triển của phương pháp phổ khối lượng 8

1.1 Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng 9

1.1.1 Nguyên tấc chung 9

1.1.2 Quá trình ion hoá 10

1.1.3 Tính khuynh hướng của phản ứ n g 13

1.2 Cơ sở kỹ thuật của thiết bị khối phổ 17

1.2.1 Nạp mẫu và hoá khí mẫu 17

1.2.2 Ion hoá 18

1.2.2.1 Phương pháp va chạm electron 1 9 1.2.2.2 Phương pháp ion hoá hoá họ c ■ 19

1.2.2.3 Phương pháp ion hoá trường 21

1.2.2.4 Phương pháp ion hoá photon 21

1.2.2.5 Phương pháp bắn phá ion 22

1.2.2.6 Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh 23

1.2.3 Tách các ion theo số khối 23

1.2.3.1 Khối phổ kế hội tụ ñơn 24

1.2.3.2 Khối phổ kế hội tụ kép 25

1.2.3.3 Phổ kế tử cự c 25

1.2.3.4 Khối phổ kế thời gian bay 27

1.2.3.5 Khối phố kế giải hap laser * 30

1.2.4 ð êtectơ 31

1.2.5 Phổ khối lượng 33

1.2.6 ðộ phân giải của máy khối phổ 36

1.3 Phương pháp kết họp sắc ký - khối phổ 38

1.3.1 Phương pháp kết hợp sắc ký khí khối phổ .38

1.3.2 Phương pháp sắc ký lỏng khối phổ

1.3.2.1 Bộ kết nối nạp chất iỏng trực tiế p 41

1.3.2.2 Bộ kết nối băng chuyền 41

3

1.3.2.3 Bộ kết nối phun nhiệt 42

1.3.2.4 Bộ kết nối bắn phá nguyên tử nhanh dòng liên tụ c 42

1.3.2.5 Bộ kết nối phun ñiện 43

1.4 Phổ khối phân giải cao 45

1.5 Phân loại các ion và ý nghĩa của chúng 48

1.5.1 Ion phân t ử 48

1.5.2 Ion ñồng v ị 49

1.5.3 Ion metastabil 53

1.5.4 Ion mảnh của phân tử 53

1.6 ứng dụn g 55

1.6.1 ứ ng dụng trong hóa vô cơ-ñịa chất 56

1.6.2 ứn g dụng trong hóa học hữu cơ và hóa dược 56

1.6.3 ứ ng dụng trong hóa học dầu mỏ 59

1.6.4 Phương pháp phổ khối phân tích ñịnh lượng 60

Chương 2 Phổ khối của các họp chất hữu CO’ 2.1 Cơ chế phân mảnh phân tử 61

2.1.1 Cơ chế tách ankyl 61

2.1.2 Cơ chế tách olefin 61

2.1.3 Cơ chế tách anlyl 62

2.1.4 Cơ chế tách ion tropyli 62

, 2.1.5 Cơ chế tách oni 62

2.1.6 Cơ chế tách Retro-Diels-Alder 62

2.1.7 Chuyển vị McLafferty , 63

2.1.8 Chuyển vị g ố c 63

2.1.9 Chuyển vị ancol 63

2.1.10 Cộng họp Retro 64

2.1.11 Chuyển vị on i 64

2.1.12 Chuyển vị ion lưỡng cực 65

2.1.13 Sắp xếp lại phân tử 65

2.2 Phổ khối của hidrocacbon 6 6 2.2.1 Hidrocacbon bão hoà 6 6 2.2.2 A nken 71

2.2.3 Ankin 73

2.2.4 Ankylbenzen 74

2.2.5 Hệ vòng thơm ngưng t ụ 77

2.2.6 Phân tích phố khối lượng của hiñrocacbon dầu m ỏ 79

2.2.6.1 Phổ khối của phân ñoạn dầu mỏ 79

2.2.6.2 Phân tích phổ khối của dầu m ỏ 81

2.2.6.3 Phương pháp phân tích loại nhóm 82

2.3 Phổ khối của ancol, phenol và ete 84

2.3.1 A ncol 84

2.3.1.1 Ancol bậc 1 84

2.3.1.2 Ancol bậc 2 85

2.3.1.3 Ancol bậc 3 87

2.3.1.4 Poliol 88

2.3.1.5 Ancol vòng 90

2.3.1:6 Ancol thơm 91

2.3.2 Phenol 93

2.3.3 E te 95

2.3.3.1 Ete mạch thẳng 95

2.3.3.2 Ete th ơ m , 97

2.3.3.3 Epoxit 99

2.3.3A Axetal RiCH(OR2) 2 99

2.4 Phổ khối của anñehit và xeton 101

2.4.1 Anñehit 101

2.4.2 X eton 103

2.4.2.1 Xeton mạch thẳng 103

2.4.2.2 Xeton vòng ,.i, 104

2.4.2.3 Xeton thơm 106

2.4.2A Xeton ña vòng 107

2.5 Phổ khối của axit cacboxylic và dẫn xuất 110

2.5.1 Axit mạch thẳng bão hoà 110

2.5.2 Axit cacboxylic thơm 112

2.5.3 Este 113

2.5.3.1 Este của axit mạch thẳng bão h o à 113

2.5.3.2 Este của axit thơm 116

2.5.3.3 Lacton 118

2.6 Phổ khối của amin 118

2.6.1 Amin mạch thẳng 118

2.6.2 Amin vòng 120

5

2.6.3 Amin thơ m 121

2.7 Phổ khối của hợp chất nitro 122

2.8 Phổ khối của hợp chất nitrin và isothioxianat 125

2.9 Phổ khối của hợp chất azo, azometin và oxim 127

2.9.1 Hợp chất azo 127

2.9.2 Hợp chất azom etin 127

2.9.3 Họp chất oxim 128

2.10 Phổ khối của hợp chất hidrazon, semicacbazon và fomazan 129

2.10.1 Hidrazon và semicacbazon 129

2.10.2 Fomazan : 131

2.11 Phổ khối của hợp chất halogen và thiol 133

2.11.1 Hợp chất halogen 133

2.11.2 Họp chấtthiol (mecaptan) 137

2.11.3 Thioete 138

2.11.4 Sunfoxit và sunfon 139

2.12 Họp chất dị vòng 140

2.12.1 Furan, piron và dẫn x u ất 140

2.12.2 Thiophen và dẫn xuất 146

2.12.3 Pirol và dẫn xuất 152

2.12.4 Inñol và dẫn xuất 154

2.12.5 Piriñin và quinolin 158

2.12.5.1 Pìriñin 158

2.12.5.2 Quinolin 160

2.12.5.3 Phổ khối của các hợp chất ña dị tố 162

2.13 Phổ khối của các hợp chất thiên nhiên 170

2.13.1 Axit amin 170

2.13.2 Polipeptit 172

2.13.3 Steroit ; 174

2.13.3.1 Steroit chứa nhóm hiñroxyl 174

2.13.3.2 Steroit chứa nhóm am in 175

2.13.3.3 Steroit chứa nhóm am it 179

2.13.3.4 Steroit chứa nhóm xetan và thioxetan 181

2.13.4 Terpen 182

2.13.5 Phổ khối của một số ancaloit dị vòng 192

2.13.5.1 Ancaloit tropanoit 192

2.13.5.2 Phổ khối của ankaloit chứa vòng piriñin, nicotin và anabazin 194

2.13.5.3 Ancaloit quinoliñin 197

2.13.5.4 Ancaloit quinolin và isoquinolin 498

2.13.5.5 Ancaloit chứa vòng inñol 198

2.13.6 Phổ khối của cacbohiñrat 199

2.14 Phổ khối của các họp chất cơ nguyên tố 204

Chương 3 Phương pháp phân tích phổ khối lượng 3.1 Một vài ví dụ về giải thích phổ khối 208

3.2 Bài tập phổ khối lư ợ n g 216

3.3 Trả lời bài tập 257

Phụ lục 1 266

Phụ lục 2 269

Phụ lục 3 310

Phụ lục 4 i 313

Phụ lục 5 315

Phụ lục 6 322

Phụ lục 7 323

Tài liệu tham khảo 326

7

Chương 1 PHƯƠNG PHÁP PHỐ KHỐ LƯỢNG

Mở ñầu: Sơ lược lịch sử phát triển của phương pháp phổ khối lượng

Phương pháp phổ khối lượng, viết tắt MS (Mass spectrometry), là một phương pháp phân tích công cụ quan trọng ñể phân tích thành phần và cấu trúc của các hợp chất vô cơ

và hữu cơ Lịch sử phát triển của phương pháp ñược bắt ñầu từ cuối thế kỷ XX Goldstein (1886) và Wein (1898) ñã chỉ ra rằng một chùm tia ion dương có thể tách biệt ra khỏi nhau dưới tác dụng của một ñiện trường và từ trường Thompson (1913) ñã chỉ ra là khí neon tự nhiên gồm hai loại có khối lượng nguyên tử khác nhau (isotop) là 20 và 22 (g/mol) Năm

1919, Aston ñã chế tạo ñược thiết bị nghiên cứu isotop qua ñó ño ñược khối lượng của

những năm 30 của thế kỷ XX (Frank 1926, Condon 1928) ñã chế tạo ra máy phổ khối lượng hoàn thiện hơn ño các ion theo tỷ số m/e Trong thời kỳ này người ta ñã thu ñược

trong tự nhiên Thompson cũng là người sử dụng máy phổ khối lượng trong phân tích hoá học, xác ñịnh khối lượng nguyên tử và phân tử Conrad (1930) ñã ñưa ra thông báo ñầu tiên về nghiên cứu phổ khối lượng các hợp chất hữu cơ Tiếp theo là sự phát triển nhanh chỏng trong lĩnh vực này

Năm 1940 phổ khối ñược sử dụng vào việc phát hiện dầu mỏ và những năm 1950 ñược sử dụng phân tích các mẫu hocmon và steroit Sự kết hợp sắc ký khí khối phổ (GC/MS) ñược thực hiện vào những năm 1960 còn sự kết hợp sắc ký lỏng khối phổ (LC/MS) ñược tiến hành vào những năm 1970 ðồng thời phát triển 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 kế tứ cực, khối phổ kế thời gian bay (TOF), kỹ thuật xác ñịnh các chất có phân tử khối lớn (M ALDI) và nhiều kỹ thuật mới khác Phạm

vi ứng dụng của phương pháp phổ khối lượng rất rộng lớn ñăc biệt có ý nghĩa quan trọng với ngành hoá học hữu cơ, hoá sinh và ngành hoá học vô cơ, nguyên tố ñồng vị, vì vậy các sách và tài liệu về phổ khối lượng ñược phân thành hai loại: “Phổ khối của các hợp chất hữu cơ và hoá sinh” và “Phổ khối của các nguyên tố và hợp chất vô cơ”

1.1 c ơ SỞ CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỎ KHỐI LƯỢNG

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

Nhưng với nặng lượng cao thì từ ion phân tử có thể phả vỡ thành các mảnh ion dương (+),

hoặc các ion gốc, các gốc, hoặc phân tử trung hoà nhỏ hơn:

ABCD + e — -*- ABC • + D+

AB+ CD A+ + BCD

z = m/e = 2m/2e = 3m/3e =

Ion phân tử có số khối ký hiệu là M • Quá trình ion hoá có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như:

• Phương pháp va chạm electron

• Phương pháp ion hoá hoá học

• Phương pháp ion hóa photon

• Phương pháp ion hoá trường

• Phương pháp bắn phá ion

• Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh

9

Tuỳ thuộc vào mỗi phương pháp mà năng lượng bắn phá thay ñổi Ví dụ phương pháp va chạm electron ñể tạo ra ion phân tử cần năng lượng 10-15eV, còn tạo ra ion mảnh

cần 70eV, trong khi ñó phương pháp ion hóa hóa học hay ion hóa photon cần năng lượng

10-15eV

1.1.2 Quá trình ion hoá

Phương trình phản ứng phổ khối như trên ñã cho:

Năng lượng này ñủ lớn ñể xảy ra phản ứng trên Khi electron ñi qua phân tử có ñộ

Nguyên tử trong phân tử dao ñộng, nhưng ñã biết thời gian ñể hoàn thành một dao

khoảng cách giữa các nguyên tử chưa thay ñổi ñồng thời cũng có quá trình xảy ra khi

khoảng cách nguyên tử thay ñổi như theo nguyên lý Franck-Condon

2

Chuyển dịch hạt nhân Chuyển dịch hạt nhân Chuyển dịch hỉ

Hình 1.1 ðường cong thế năng của sựphân li và ion hoả:

IP - thế ion hoả; D(AB) - năng lượng phân li A-B; AP - thế xuất hiện

Chuyển dịch hạt nhân

Giản ựồ thế năng (hình 1.1) chỉ ra theo chiều thẳng ựứng, khoảng cách di-ch là vị trắ thay ựổi của hạt nhân nguyên tử trong phân tử dao ựộng Bước chuyển v Ỗ=0ỞỪ vỢ=0 ựược

gọi là bước chuyển ựoạn nhiệt (không truyền nhiệt) và tương ứng với thế ion hoá IP

(Ionization Potential) của phân tử đáy của ựường cong kắch thắch tương ứng với sự hình

thành ion AB+ Ờ cực ựại trên của ựường cong thế năng kắch thắch tương ứng với sự hình

thành ion A+ + B (hay A + B+) phụ thuộc vào ựường cong thế năng ở phắa trên

Thế xuất hiện và thế ion hoá

Ớ Thế ion hoá là năng lượng cần thiết biến phân tử trung hoà thành ion phân tử,

Thế ion hoá (IP) là trường họp ựặc biệt của thế xuất hiện, trong ựó sự ion hóa không dẫn ựến sự phân ly

AB -Ừ AỖ + B+ + e Năng lượng nhiệt ựộng của quá trình trên ựược tắnh như sau:

A P ( A +) = A H r = A H t ( A +) + À H f( B * ) - =

= I P ( A * ) + A H ^ A * ) + A H f ( B Ỗ) - A H f ( A B ) = I P ( A #) + D ( A - B )

11

D(A-B): năng lượng phân li

Như vậy có thể tính ñược thế ion hoá của các quá trình hoặc năng lượng hình thành của ion

Hình 1.2a Quì tắc Stevenson

Qui tắc Stevenson: Trong sự ion hoá ñiện tích dương sẽ nằm ở mảnh có thế ion hoá

thấp [hình 1.2a, phản ứng (1) ñược ưu tiên] Hình 1.2b chỉ ra sơ ñồ AP và IP

Ví dụ 1 Tính năng lượng hình thành CH3+ trong phản ứng sau:

AHí<H‘) = 52,1 kcal/mol AHt(CH4)= 17,9kcal/mol

Biết AHt<CH3> 3 3 ,2 kcal/mol

1.1.3 Tính khuynh hướng của phản ứng

1 Chng minh c u to ion

Giá trị AP trong trường hợp phổ khối lượng có liên quan ñến cấu tạo của ion xuất

hướng:

13

CH3OH + e

♦ C H30 + + H" + 2e m/e 31

2 La chn gia hai khuynh hng phá v phân t

+

R-(1)

Bảng 1.1 Thế ion hoả, nhiệt hình thành của một so ion

Theo phương pháp nhiệt ñộng thì có thể tính hiệu số nhiệt phản ứng của phản ứng (3)

Nhiệt hình thành AHf{CN') có thể tính từ IP(CN'):

IP(CN') = AHr = 355,5 kcal/mol = AHf(CN+) - AH((CN‘)355,5 = 425 - AHf(CN')

Rút ra AH|{CN') = 425 - 355,5 = 69,5 kcal/mol

• Từ phương trình (4) ở trên có thể viết:

AP 3 AHr = AHf(CN+) + AHfCCjH;') - A H t^H jC N ) thay giá trị vào:

• Từ phương trình (3):

A P = A H r = A H , ( C N ‘) + A H f ( C 3 H 5 +) - A H f C C 3 H 5 C N )

AP = 12,7 eV = 12,7 X 23,1 kcal/mol = 293 kcal/mol

258 - A ll,< c?iụ c\!') 43

15

Rút ra: AHf(C3H5CN+) = 258 + 43 = 301 kcal/mol.

Kết quả tìm ñược:

ÀHf(CN’) = 69,5 kcal/mol AHf(C 3 H 5 *) = 69 kcal/mol ÀHf(C 3 H 5 +) = 266,5 kcal/mol AHf(CN+) = 450 kcal/mol AHKCsHsCN^ = 301 kcal/mol

3 Xác ñ$nh năng l'ng phân ly liên k)t

HOH

Hình 1.3 Sơ ñồ thế xuất hiện và thế ion hỏa của H 2 O

biết: AP(OH+)=18,8eV; IP(OH’)=13,5eV

D(OH-H) + IP(OH') = 18,8eV

D(OH-H) =18,8-13,5 = 5,3eV

* BÍỠHyH) *ẻSỉỹ'x 23,1 kcal/mol = 122,43 kcal/mol.

1.2 CO SO KỸ THUẶT CỦA THIÉT BỊ KHỐI PHỐ

Phương pháp phổ khối lượng là một phương pháp phân tích quan trọng, nó cung cấp các thông tin về phân tích ñịnh tính, ñịnh lượng các nguyên tố và thành phần của các hợp

chất vô cơ cũng như hữu cơ Thiết bị phổ khối ñầu tiên ñược chế tạo bởi J.Thompson

tạo từ năm 1932

Sơ ñồ chung của một thiết bị khối phổ như sau:

Hình 1.4 Sơ ñồ chung của thiết bị khối phổ

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

• Buồng hoá khí mẫu

• Buồng ion hoá

• 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

1.2.1 Nạp mẫu và hoá khí mẫu

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

• Mầu khí: mẫu dạng khí ñược nạp trực tiếp vào máy qua manomet thủy ngân (khoảng 3ml) rồi ñưa vào bình chứa (khoảng 3-51) qua lỗ van Thể tích khí giãn

nở trong bình nhờ tăng nhiệt ñộ (khoảng 150-200°C)

• Mầu lỏng: mẫu lỏng ñược nạp vào máy theo một số cách khác nhau như qua micropipet hoặc thiết bị ñặc biệt Dưới áp suất thấp (nhờ bơm hút chân không)

• Mau rắn: mẫu rắn ñược nạp vào buồng hoá khí, dưới áp suất thấp biến thành

Mầu sau khi biến thành dạng khí ñựng ở bình chứa ñi sang buồng ion hoá qua một lỗ nhỏ có ñường kính 0,013-0,050mm (bằng vàng)

Hình 1.5 và 1.6 là sơ ñồ thiết bị nạp mẫu và hóa khí của máy khối phổ.

Bình chứa

lỏ n g và khí

Hình 1.6 Bộ phận nạp mẫu và hoả khí

1.2.2 lon hoá

Phương pháp ion hoá ñược thực hiện theo hai loại:

• lon hoá tướng khí: mẫu biến thành dạng hơi rồi ñưa vào buồng ion hoả (va chậm electron, photon, ion, )

• lon hoá theo kỹ thuật giải hấp (giải hấp trường, giải hấp 252Cf, bấn phánguyin-tử-hay ion hoá nhanh, giải hấp laser) Các ion ñược hình thành từ mẫu

Dưới ñây là một số phương pháp chính:

1.2.2.1 Ph+ng pháp va chm electron (electron impact)

lon hoá theo phương pháp va chạm electron là phương pháp phổ biến Dòng phân tử khí của mẫu ñi vào buồng ion hoá, va chạm với một dòng electron sinh ra từ một sợi ñốt

(catot) chuyển ñộng vuông góc với dòng phân tử khí Áp suất ở buồng ion hoá ñạt

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

nhỏ Thế ion hoá ban ñầu ñạt 6-14eV tạo ra ion phân tử, rồi 70eV ñể bắn phá tạo ra các ion

mảnh Sau ñó các ion hình thành ñược cho ñi qua một ñiện trường có thế 400-4000V ñế

tăng tốc ñộ chuyển ñộng, tốc ñộ chuyển ñộng của ion tỷ lệ với khối lượng của chúng mi,

VWW

lon

lon

Hình 1.7 Buồng ion hoả va chạm electron

1.2.2.2 Ph+ng pháp ion hoá hoá hc (chemical ionization)

lon hoá hoá học là cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc ion

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

lượng cao Mỗi phân tử dạng khí có thể tạo ra các ion dương khác nhau làm tác nhận trong

19

Bảng 1.2 Các tác nhân dạng khí và tác nhân ion dương thường dùng

lon hoá bằng dòng ion dương xảy ra theo hai bước sau:

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

AB + e' AB'- + CD

1.2.2.3 Ph+ng pháp ion hoá tr1ng (field ionization)

Sử dụng một ñiện trường mạnh ñể làm bật ra electron từ phân tử Khi ñặt phân tử vào

tương tự như ở các tấm tích ñiện Nếu bề mặt kim loại (anot) có hình dạng thích hợp (ñầu

electron ra khỏi phân tử, không ñòi hỏi năng lượng quá dư

Trong phương pháp ion hoá trường, nguồn ion ñược tạo ra nhờ một kim nhỏ có

Khe vào chính là catot, ngoài ra còn có khe hội tụ ñể tập trung nguồn ion

Nạp mẫu

Lỗ hổng- (anòt)

Khe hội tụ

Chùm ion ra

Hình 1.8 Sơ ñồ nguồn ỉon hoả

1.2.2.4 Ph+ng pháp ion hoá photon

Rất nhiều quá trình ion hoá ñòi hỏi năng lượng từ lOeV tương ứng với các photon cố bước sóng khoảng 83-15 5nm nằm trong vùng tử ngoại chân không do ñó có thể thực hiện

quá trình ion hoá va chạm photon Phổ khối ñạt ñược cũng tương tự phương pháp va chạm

21

electron Tuy nhiên do năng lượng nhỏ hơn của va chạm electron nên phổ này chủ yếu cho' ion phân tử và một số mảnh có số khối lớn tương tự phương pháp ion hoá trường (hình 1.9) Người ta cũng sử dụng nguồn laser làm nguồn ion hoá, ñó là một nguồn ñơn sắc (laser rubi) mang năng lượng cao.

b) lon hoá hoả học

Hình 1.9 Pho khối của các chất theo phương pháp ion hoá khác nhau

1.2.2.5 Ph+ng pháp b5n phá ion (ion bombardment)

Dòng ion bắn ra từ một khẩu súng ñi thẳng vào mẫu Khi dòng ion này ñập vào mặt mẫu thì các ion thứ cấp sinh ra Nếu như mẫu là nguyên tử ñơn thì các ion thứ cấp sẽ ñược

tách biệt và phát hiện Ion phân tử có thể phân ly thành ion dương và ion âm Phổ khối ion

thứ cap (SIMS=the Secondary Ion Mass spectrum) bao gồm các ion thứ cấp này bền vững

ñối với sự phân ly và sự phá vỡ thành ion mảnh

Khẩu súng bắn ion sinh ra một chùm tia có ñường kính lmm và một năng lượng từ 300-3000eV ðường kính của chùm ion sẽ giảm dần xuống còn 0,1 mm

1.2.2.6 P h ư ơ n g p h á p b ắ n p h á n g u y ê n tử n h a n h (fast atom bombardment-FAB)

Thiết bị bắn phá nguyên tử nhanh chỉ ra ở hình 1.10 Một dòng khí acgon hay xenon ñược bắn ra từ khẩu súng ñập thẳng vào mẫu Khí acgon ñã ñược ion hoá bởi một sợi ñốt

nóng rồi ñược tăng tốc nhờ một trường tĩnh ñiện rồi hội tụ lại thành một chùm và bắn

thẳng vào mẫu Ion Ar+ cung cấp ñộng năng cao cũng như chịu một sự trao ñổi ñiện tích

với dung môi hoà tan mẫu hình thành các ion dung môi Dung môi như glixerin,

monothioglixerin, cacbowax, 2,4-ñipentylphenol hoà tan dễ dàng các hợp chất hữu cơ

nhưng không dễ bay hơi trong chân không Dòng khí argon bắn phá ñã ion hoá dung môi,

ví dụ glixerin (Gn), trước tiên một số phân tử glixerin ñược ion hóa, sau ñó ion glixerin

phản ứng với phân tử glixerin xung quanh cho sản phẩm (Gn + H)+ như ion phản ứng tương

tự phương pháp ion hoá hoá học Mầu chất va chạm với ion (Gn+ H)+ ñể sinh ra ion phân

bởi một hệ thấu kính và ñi thẳng ñến bộ phận phân tích khối lượng

Napmằu

Mẫu chất

=11111111

1 Y

=1111111111» Chùm nguyên tử

londương

lon thứ cấp

Sóng FAB

Khí acgon, xenon

Hình 1.10 Sơ ñồ mảy bẳn phả nguyên tử nhanh (FAB)

1.2.3 Tách các ion theo số khối

Các ion hình thành có khối lượng m và ñiện tích e, tỷ số z=m/e ñược gọi là số khối

Chúng sẽ ñược tách biệt ra khỏi nhau theo số khối nhờ bộ phận thiết bị riêng là một nam

sau:

• Thiết bị khối phổ hội tụ ñơn hoặc còn gọi là khối phổ hình quạt hay lệch từ (Single-Focusing Magnetic Deffection or Sector Mass Analyser)

23

• Thiết bị khối phổ TOF (Californium-252 Plasma Desorption TOF Mass Spectrometer).

• Thiết bị khối phổ thời gian bay (Time-of-Flight Analyser)

• Mỗi thiết bị có ưu ñiểm và ñặc ñiểm riêng

1.2.3.1 Kh7i ph8 k) h9i t: ñ+n

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

Gác ion trước khi ra khỏi buồng ion hoá dã ñược tăng tốc nhờ một ñiện trường có thế

các ion sẽ chuyển ñộng theo một hình vòng cung có bán kính r ðộ lớn của bán kính r bằng:

c , m H2r2

biểu thức trên thấy rõ các ion có số khối khác nhau sẽ ñược tách ra khỏi nhau do bán kính r

của vòng cung chuyển ñộng của chúng khác nhau và hứng trên kính ảnh Máy hội tụ ñơn

có ñộ phân giải thấp (1000-5000)

1.2.3.2 Khói ph8 k) h9i t: kép (double focusing)

ðể máy có ñộ phân giải cao (10.000-100.000) người ta ñã chế tạo bộ tách ion gồm một ñiện trường và một từ trường ñặt cạnh nhau (hình 1.12) Các ion trước khi ñi qua từ

trường hình quạt, sẽ ñi qua một ñiện trường tĩnh ñể tách biệt nhau một lần nữa

A / \

của nguồn ñiện một chiều (DC) Ngoài ra thế ñiện xoay chiều ñã ñược sử dụng cho cả hai

cặp Cả hai trường ñều không làm tăng tốc phần tử ñiện tích dương từ nguồn ñi ra Tuy

nhiên chúng làm cho các phần tử dao ñộng xung quanh trục trung tâm khi chuyển ñộng do

ñó chỉ có các ion có số khối nhất ñịnh mới ñến bộ phận thu góp ñược Do sự thay ñổi tần

số và thế cung cấp ñã làm cho các ion có số khối khác nhau lần lượt ñến bộ phận thu góp

25

Hình 1.13 Sơ ñồ nguyên lý của khối phổ kế tứ cực

Một tín hiệu tổ hợp ±(Ư+Vcoscot) gồm ñiện áp một chiều DC (U) và một ñiện áp tần

số cao AC (V) ñã ñược ñặt vào 4 thanh ñiện cực Ion ñược phát ra từ nguồn ñi qua giữa các

cực với tốc ñộ thấp dọc theo trục xuyên tâm (trục z) Khi các ion ñi vào trường tứ cực dao

một trường ñiện tần số cao Chỉ những dạo ñộng của các ion có tỷ số m/e ñăc^biệt không

tăng lên theo biên ñộ dao ñộng và có thể ñi qua tâm tứ cực dọc theo trục với sự dao ñộng

ồn ñịnh Còn những dao ñộng của các ion khác tăng biên ñộ dẫn ñến sự va ñập vào thành

các ñiện cực trước khi chúng có thể vượt qua ñược các ñiện cực ñi ñêtectơ

Tỷ số m/e ñược biểu diễn theo phương trình sau là phương trình tổng quát của máy phổ tứ cực:

Ở ñây K là hằng số; V là ñiện áp tần số cao; r là khoảng cách giữa hai ñiện cực ñối nhau; í là tần số dao ñộng, của ion

ðộ phân giải của phổ kế tứ cực thông thường chỉ ñạt từ 500-1000 ðể nâng cao khả năng phân giảỉ cùa phổ kế, một hệ thống gồm 2 - 3 bộ tứ cực ñược nối với nhau như hình

1.14 ðộ phân giải của loại phổ kế này có thể ñạt ñến 20.000 (hình 1.14)

N g u ồ n ion T ứ c ụ c 1 T ứ cự c 2 T ứ c ự c 3

1.2.3.4 Kh7i ph8 k) th1i gian bay (TOF-MS)

Trong khối phổ kế thời gian bay các ion ñược tách ra khỏi nhau dựa trên tốc ñộ chuyển ñộng khác nhau của các ion trong khoảng không gian từ buồng ion hoá ñến

ñêtectơ Các ion này có thế tăng tốc Ư sẽ có ñộng năng eư, ở ñây electron là ñiện tích của

Nếu chùm ion này chuyển ñộng một khoảng cách L, với thời gian chuyển ñộng T thì

T cũng phụ thuộc số khối và có giá trị:

L _ L.ml / 2

V ( 2 o ) ' 2 V 2 e

Từ phương trình trên thấy rằng với cùng một thế tăng tốc Ư, chuyển ñộng trên cùng một khoảng cách L thì các ion có số khối khác nhau sẽ chuyển; ñộng với thời gian khác

nhau, còn các ion có số k^iối giống nhau sẽ ñến ñêtectơ cùng một thời ñiểm và như vậy có

thể tách biệt các ion ra khỏi nhau theo số khối

Khoảng thời gian T ñược gọi là thời gian bay và phương pháp này ñược gọi là phổ kế thời gian bay

về lý thuyết có thể thu ñược các tín hiệu sắc nét cho mỗi loại ion có số khối giống nhau, nhưng thực tế không ñúng như vậy vì tất cả các ion này không có năng lượng giống

nhau, tốc ñộ chuyền ñộng ban ñầu của chúng khác nhau cả về hướng lẫn ñộ lớn, chúng

không ñược sinh ra ở cùng một thời ñiểm và có thế tăng tốc khác nhau Chính các yếu tố

này làm cho tín hiệu không sắc nét ðộ phân giải của phổ phụ thuộc vào bề rộng của tín

hiệu Neu T là thời gian bay của ion, ÀT ià bề rộng vạch phổ thì ñộ phân giải tính theo:

Vê kỹ thuật, phô kế thời gian bay có hai loại:

• Phổ kế thời gian bay thẳng (Linear TOF-MS)

• Phổ kế thời gian bay phản xạ (Reflection TOF-MS)

Hình 1.15 chỉ ra sơ ñồ phổ kế thời gian bay thẳng, ở ñây ion bay thẳng từ lưới ion hoá ñến ñêtectơ

Hình 1.16 chỉ ra sơ ñồ phổ kế thời gian bay phản xạ, ở ñây ion bay từ lưới ion hoá

ñêtectơ

Phố kế thời gian bay phản xạ (Reflection TOF-MS) có thời gian bay dài hơn phổ kế thời gian bay thẳng, do ñó nó có ñộ phân giải cao hơn (R>4000) so với ñộ phân giải của phổ kế thời gian bay thẳng (R-400-Ỉ-3000)

Phổ kế thời gian bay Q-q-TOF-MS (Bruker) có cấu tạo gồm một nguồn ion hóa phun electron (ESI), một bẫy ion lục cực thẳng, một bộ tách tứ cực, một bẫy ion tứ cực thẳng ñóng vai trò buồng va chạm ion và ñược nối thẳng góc với bộ phận tách ion TOF (hình 1.17)

b)

Bộ phận thời gian bay-TOF

Hình 1.17 a) Sơ ñọ bộ bẫy ỉon lục cực và bộ tách Ìon tửcực cửa phổ kế Q-q-TOF-MS;

b) Sơ ñồ cẩu tạo khối pho kế Q-q-TOF-MS gồm bộ bẫy ỉon tứcực (Q) và bộ tách ion

thời gián bay hai dòng (TOF) ñặt vuông góc

Nguyên lý hoạt ñộng: Trên hình 1.17 cho thấy các ion ñược phun ra từ nguồn ion

hóa phun electron (ESI), ñi vào bộ bẫy ion lục cực Sau một khoảng thời gian tích tụ ion thích họp, các ion rời khỏi bẫy ion lục cực nhờ một xung thế tác ñộng lên tấm chắn cửa ra của lục cực làm giảm thế hiệu Khi ñó bẫy ion trở nên trống và sự tích tụ ion mới vào bẫy lục cực lại lặp lại Các ion có số khối m/e thích hợp ñược lựa chọn ñi qua bộ tách tứ cực vào bẫy tứ cực (buồng va chạm ion) Tại ñây các ion này va chạm với dòng khí nitơ và gây

ra sự phân mảnh ion (hình 1.17a), sau một khoảng thời gian nhất ñịnh các ion mảnh và ion ban ñầu còn lại rời khỏi buồng va chạm ion nhờ một xung thế ñiện tiếp theo ñể ñi vào bộ tách TOF ñược ñặt vuông góc với bộ phận bẫy ion và buồng va chạm ion nói trên (hình 1.17b) Cuối cùng ñi ñến ñêtectơ

'■ I

1.2.3.5 Kh7i ph8 k) giGi h p laser (MALDI-MS)

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

Khối phổ dùng nghiên cứu các phân tử sinh học cần phải giải quyết hai vấn ñề là ño khối lượng phân tử lớn tới hàng trăm ngàn ñơn vị dalton với ñộ phân giải cao, ñồng thời chất mẫu có áp suất bay hơi thấp, lại dễ dàng bị phá vỡ dưới ñiều kiện ion hóa thông thường Tuy nhiên hai vấn ñề này có thể thực hiện ñược trên thiết bị khối phổ MALDI- TOF

Nguyên tắc hoạt ñộng của MALDI-TOF-MS là phân tử sinh học hòa tan vào một loại hóa chất thích hợp, ví dụ axit cacboxylic, ñược gọi là khuôn chất mẫu (matrices), chất này hấp thụ bức xạ lazer, sau ñó phân tử sinh học hòa tan trong chất khuôn mẫu ñó ñược giải hấp, ñồng thời ion hóa tạo ra các ion dương, ñi vào tướng khí Nguồn ion này ñược phân tách và ghi nhận nhờ khối phổ kế TOF

Chất khuôn mẫu ñóng vai trò hấp thụ bức xạ lazer và cách ly các phân tử phân tích khỏỉ các chất khác, thường chọn là axit cacboxylic như axit nicotinic, axit

mạnh vùng ƯV và IR Chất khuôn mẫu thích họp tốt nhất cho mỗi mẫu ño thường tìm thấy qua thực nghiệm

Bức xạ lazer cũng cần lựa chọn thích hợp cho mẫu ño, ñó là các lazer xung hẹp, như lazer khí nitơ (337 nm), lazer Nd-YAG (355 và 266 n m )

Kỹ thuật MALDI ñã ñược sử dụng ñể nghiên cứu nhiều loại phân tử sinh học như protein, enzym, oligosaccarit

Hình 1.18 chỉ ra sơ ñồ hệ thống MALDI-RTOF, các ion sinh ra sau khi ñược giải hấp bằng lazer ñã ñi ñến hệ thống gương phản xạ rồi ñến bộ phận ñêtectơ của máy

bởi hệ thấu kính thẳng đến phận phân tích khối lượng

Napmằu

Mẫu chất

=11 111 111

1< /small> Y

=11 111 111 11< /small>»... số phương pháp chính:

1 .2. 2 .1 Ph+ng pháp va chm electron (electron impact)

lon hoá theo phương pháp va chạm electron phương pháp phổ biến Dịng phân tử khí mẫu vào... data-page= "17 ">

1 .2 CO SO KỸ THUẶT CỦA THIÉT BỊ KHỐI PHỐ

Phương pháp phổ khối lượng phương pháp phân tích quan trọng, cung cấp thơng tin phân tích định tính, định lượng nguyên tố thành phần hợp