CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG
4.3. QUÁ TRÌNH ION HÓA
Quá trình ion hóa là quá trình bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử mang điện tích dương bằng các phần tử mang năng lượng cao.
143
Để dễ hình dung ta xét quá trình ion hóa phân tử CH4. CH4 + e → CH4+• + 2e
Biểu diễn quá trình ion hóa qua sơ đồ sau:
Dựa vào nhiệt động lực học thì có thể giải thích quá trình này thông qua các giá trị năng lượng ở hình dưới đây.
Hình 4.2. Sơ đồ cho thấy mức năng lượng tương đối của các hạt, ion liên quan đến quá trình ion hóa metan và mất H• từ ion phân tử.
Sự bắn phá này sẽ làm tách một điện tử ra khỏi phân tử khảo sát làm cho phân tử biến thành ion dương, được gọi là ion phân tử. Ion phân tử là ion dương và thường chứa electron tự do, nên thường được gọi là ion phân tử còn gọi là cation gốc hay ion gốc.
Trong kĩ thuật, có rất nhiều phương pháp ion hóa khác nhau. Dưới đây là một số phương pháp ion hóa thường dùng.
4.3.1. Phương pháp ion hóa bằng bắn phá electron (Electron Impact, EI)
Đây là phương pháp ion hóa phổ biến nhất. Các hợp chất hữu cơ thường bị ion hóa bởi nguồn năng lượng nhỏ hơn 15 eV, do vậy nguồn năng lượng do điện tử trong các buồng ion hóa tạo ra thường lớn hơn 50 eV sẽ làm gãy các liên kết hóa trị trong phân tử. Trong thực nghiệm, mẫu phân tích ở trạng thái hơi sẽ bị các electron có mức năng lượng cao (thường 70 eV) phát ra từ cathode trong buồng ion hóa bắn phá làm mất electron tạo nên ion gốc phân tử Phân tử chất nghiên cứu có thể bị bắn phá tạo ra nhiều mảnh ion có khối lượng nhỏ hơn ion phân tử. Dựa vào các mảnh ion này người ta cũng có thể dự đoán được cấu tạo của phân tử hợp chất hữu cơ. Điển hình giúp ta dễ hình dung như quá trình ion hóa phân tử metan ở trên.
144
4.3.2. Phương pháp ion hóa hóa học (Chemical Ionization, CI)
Một vấn đề với khối phổ EI là, đối với các phân tử dễ vỡ, năng lượng của điện tử bắn phá có thể mạnh đến mức khiến nó phân mảnh hoàn toàn, làm mất tất cả dấu vết của ion phân tử.
Một số thông tin hữu ích có thể thu được từ các mẫu phân mảnh, nhưng nói chung sẽ hữu ích hơn nếu nhằm mục đích đo khối lượng tất cả các phân tử trong một mảnh. Điều này có thể đạt được bằng cách sử dụng bất kỳ kỹ thuật nào trong số các kỹ thuật khác, trong đó phổ biến nhất là ion hóa hóa học (CI) và ion hóa phun điện (ESI).
Sự ion hóa hóa học đạt được bằng cách trộn thêm một chất khí như amoniac với chất nghiên cứu trong máy quang phổ. Sự bắn phá của NH3 với các điện tử dẫn đến sự hình thành một số NH4+ bằng cách chuyển proton, và phản ứng của ion này với chất nghiên cứu nên một tiểu phân mang điện và có thể ghi nhận được.
Một chất khí hay được sử dụng trong kĩ thuật này là methane. Các ion thường được sinh ra bởi một lượng lớn khí methane trong buồng ion hóa. Sự va chạm electron sinh ra CH4+ và CH3+, các ion này tiếp tục phản ứng với methane tạo thành CH5+ và C2H5+:
CH4+ + CH4 → CH5+ + CH3
CH3+ + CH4 → C2H5+ + H2
Các ion mới sinh ra này này sẽ tác động lên phân tử chất nghiên cứu tạo thành các ion phân tử:
MH + C2H5+ → MH2+ + C2H4
MH + C2H5+ → M+ + C2H6
Với phương pháp ion hóa hóa học, khối phổ thu được có số lượng các ion ít hơn và cường độ các ion cao hơn nên dễ xác định được khối lượng phân tử của mẫu.
4.3.3. Phương pháp ion hóa phun điện (ElectroSpray Ionization, ESI)
Đây cũng là một phương pháp ion hóa khá phổ biến được ứng dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, phân cực, có khối lượng phân tử lớn. Phương pháp này có khả năng tạo thành những ion đa điện tích và được xem là kỹ thuật ion hóa êm dịu.
Trong phương pháp ion hóa phun điện, 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 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 bắn phá nhẹ nhàng hơn tạo ra ít phân mảnh và có cường độ lớn hơn.
Ngoài các phương pháp ion hóa trên, các phương pháp ion hóa nhẹ nhàng khác như ion hóa hóa học ở áp suất thường (Atmospheric Pressure Chemical Ionization, APCI), ion hóa phun nhiệt (ThermoSpray ionization, TS hay TSP) cũng thường được sử dụng. Các chất dễ bị phân hủy nhiệt, khó hay không bay hơi cũng có thể áp dụng tốt bởi các phương pháp ion hóa này.
Ngoài ra còn có nhiều phương pháp ion hóa khác sử dụng cho các đại phân tử. Ví dụ, phương pháp bắn phá nhanh bằng nguyên tử (Fast Atom Bombardment, FAB), giải hấp trường (Field Desorption, FD), giải hấp laser (Laser Desorption, LD) và một trong những phương pháp đang được sử dụng nhiều là giải hấp laser hỗ trợ bởi chất nền (Matrix – Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI).
145