Phương pháp khối phổ

Mass Spectrometry 

Khối phổ là gì?

Phương pháp khối phổ (Mass Spectrometry) là phương pháp nghiên cứu các chất, bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó.

Phương pháp phổ khối là một kỹ thuật đo trực tiếp tỷ số khối lượng và diện tích của ion (m/e) được tạo thành trong pha khí của nguyên tử của mẫu. Tỷ số này được hiển thị bằng đơn vị khối lượng của nguyên tử (atomic mass unit) hoặc bằng Dalton. 1 amu = 1 Da và bằng khối lượng của nguyên tủ hydro.

Các phân tử chất nghiên cứu phải ở dạng khí hoặc hơi, được ion hoá bằng các phương pháp thích hợp (va chạm điện tử, trường điện từ, ion hoá học, chiếu xạ bằng photon…).

Tuỳ theo loại điện tích của ion đem nghiên cứu mà người ta phân biệt máy khối phổ ion dương hoặc ion âm.

Cấu tạo máy khối phổ

Khối phổ kế là một thiết bị dùng phương pháp phổ khối, 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 khác nhau và lưu lại thông tin dựa vào việc đo đạc cường độ dòng ion.

Bất kỳ máy khối phổ nào cũng có bốn khối chức năng sau đây:

-   Hệ thống nạp mẫu.

-   Buồng Ion hóa.

-   Bộ phân tích.

-   Bộ thu tín hiệu.

Trong 4 khối chức năng trên khối nào cũng quan trọng nhưng quan trọng nhất là khối là bộ phận phân ly các ion có khối lượng khác nhau thành từng thành phần.

Theo bộ phận phân tích người ta chia các máy khối phổ thành 4 loại sau đây:

-   Bộ phân tích từ.

-   Bộ phân tích tứ cực (Trip quatrupod)

-   Bộ phân tích theo thời gian bay (Q-TOF).

-   Bộ phân tích cộng hưởng ion cyclotron.

Các tín năng chủ yếu của máy phụ thuộc chính vào bộ phân tích. Trong các loại máy 3 loại máy đầu là phổ biến nhất.

Theo tính năng bộ thu tín hiệu người ta chia máy khối phổ ra làm 2 loại:

-   Máy khối phổ ghi bằng kính ảnh: Tín hiệu phổ được ghi bằng kính ảnh ở dạng vạch có độ đen khác hau. Các máy khối phổ đầu tiên thuộc loại này.

-   Máy khối phổ kế: các tín hiệu của chùm ion được đưa vào máy tính, qua máy tính tín hiệu sẽ được đưa ra dưới dạng bảng hoặc đồ thị thích hợp. ngày nay các máy phân tích phổ thường dùng lọa này.

Quy trình cơ bản của phương pháp Mass Spectrometry

Sơ đồ khối cở bản của một thiết bị Mass Spectrometry

Hệ thống nạp mẫu (same enters chamber)

Chuyển các mẫu cần phân tích vào nguồn ion hóa của máy khối phổ. Có 2 phương pháp nạp mẫu chính tỳ thuộc vào máy phân tích:

-         Mẫu nạp dạng khí: áp dụng đối với các chất khí, chất lỏng (dể bay hơi).

-         Nạp mẫu trực tiếp: áp dụng với các chất rắng, tinh thể, …

Mẫu có thể được đốt nóng tới 200 – 3000C bởi nhiệt từ sợi đốt (heater vaporizes sample), ở áp suất thấp do đó có thể làm bay hơi cả những chất có khối lượng phân tử lớn tới 1000 nếu nó không chứa các nhóm phân cực, hoặc có khối lượng phân tử tới 300 nếu là những phân tử phân cực vừa phải.

Khối lượng mẫu chỉ cần vài microgram. Trong trường hợp đặc biệt, mẫu có thể được đưa thẳng vào buồng ion hóa không qua khối làm bay hơi. Khi đó chỉ cần vài nanogram hoặc picogram.

Buồn ion hóa (Ion source)

Ion hóa bằng va chạm điện tử (Electron Impact Ionization)

Mẫu sau khi hóa hơi được phóng vào buồng ion hóa qua khe a và bị bắn phá bởi chùm electron b (electron source). Sự bắn phá này sẽ làm tách một điện tử ra khỏi phân tử nghiên cứu làm cho phân tử biến thành ion dương, được gọi là ion phân tử (cation gốc hay ion gốc).

Hình mô tả nguyên lý ion hóa

Các ion dương chuyển động hướng về các bản gia tốc c và d (ions acceletate). Còn ion âm thì bị hút về phía thành sau của buồng ion hóa (vì ở đó tích điện dương so với phía trước của buồng ion hóa).

Các ion dương đi qua các bản c và d được gia tốc dưới tác dụng của hiệu điện thế khoảng 8 kV rồi rời khỏi buồng ion hóa từ khe g. Tốc độ gia tốc được điều chỉnh bằng cách thay đổi điện áp đặt lên các bản cực gia tốc.

Để đảm bảo chuyển động tự do cho các ion, ở buồng ion hóa cũng như ở bộ phân tích người ta phải hút chân không tới ~ 10^-7 mmHg.

Ion hóa bằng trường điện từ (Feld Ionization)

Ion hóa bằng trường điện từ  (FI) là một phương pháp sử dụng các điện trường rất mạnh để tạo ra các ion từ phân tử.

Tại buồng ion hóa đặt người ta tạo ra điện trường mạnh bằng cách đặt lên các “mũi nhọn” là bộ phận phát từ trường dưới dạng dây dẫn mãnh hay các lưỡi mãnh, một điện thế, cho một trường điện từ có điện từ cỡ 10⁷ – 10¹⁰ V/cm. Dưới tác dụng của điện trường mạnh như trên các phân tử khí đi qua sẽ bị bứt ra các điện tử.

Ion hóa bằng điện trường mạnh thì điện tử bức ra khỏi phân tử vẫn ở trạng thái cơ bản cho nên đỉnh phổ thu được gọi là nét phổ (rất sắc nét và chính xác).

Hình mô tả nguyên lý ion hóa bằng trường điện từ

Bộ phân tích (Analyzer)

Được coi là quả tim của máy khối phổ có nhiệm vụ tách các ion có trị số m/z khác nhau thành từng phần riêng biệt.

Bộ phân tích từ:

Các mảnh ion trong buồng ion hóa chuyển vào bộ phận tách chủ yếu là các ion mang điện tích dương (+).

Tỉ số khối được tính bằng công thức m/e

+ m: là khối lượng ion.

+ e: điện tích ion.

Trong quá trình tách có cả các phân tử trung hòa, ion âm (-), ion dương (+),… nhưng người ta chỉ chú ý tách ion (+) bằng cách cho dòng ion đi qua một nam châm hình ống, khi đi qua nam châm này các mảnh ion chuyển động theo hình vòng cung với bán kính khác nhau tùy theo số khối.

Hình mô tả nguyên lý lọc ion dùng từ trường

Hình học hóa nguyên lý lọc ion dùng từ trường 

Dưới tác dụng của tù trường các ion chuyển động theo một quỹ đạo tròn với bán kính r phụ thuộc vào các tham số sau:

V: Hiệu điện thế giữa 2 bản gia tốc c và d ở buồng ion

m: Khố lượng của ion

e: Điện tích của ion

H: Cường độ từ trường

Bán kính r của bộ phân tích cố định -> thay đổi cường độ từ trường sẽ làm cho các ion có tỉ số m/e khác nhau lần lược di qua khe h để tới Detector.

Với cách phân tách này chúng ta dể dàng phân biệt được các ion với khối lượng khác nhau. Trên khối phổ ta sẽ ghi nhận được tín hiệu tương ứng với từng tỉ số m/e khác nhau.

Bộ phân tích tứ cực:

Bao gồm 4 cực bằng kim loại (đường kính khoảng 1cm và dài khoảng 15 – 20cm) đặt song song và sát nhau, có một khoảng không giữa 4 cực để cho các ion bay qua (hình 2.18). Có một điện điện thế một chiều và tín hiệu xoay chiều cao tần áp vào các cặp điện cực đối diện, tạo ra một trường lọc tĩnh điện.

Các ion chuyển động theo hướng trục z và dao động đi về 2 hướng x, y vuông góc với hướng đi. Đa số các ion sẽ va đập vào các cực khi giao động chỉ một số ít ion thỏa mãn điều kiện mới qua các thanh này tới đầu dò tại thời điểm tức thời. Bộ lọc khối tứ cực có thể phân tách đến 2.400 amu (đơn vị khối lượng nguyên tử) trong một giây.

Điều kiện:

            + m: khối lượng ion

            + U: điện thế gia tốc

            + ro: nữa khoảng cách hai cực đối diện.

            + f: tần số dao động.

Bộ phân tích tứ cực

Bộ thu tín hiệu (Detector)

Bộ nhân eletron

Các ion ra khỏi bộ phận phân tích có cường độ rất nhỏ cỡ vài nano ampe (nA) nên cần được khuếch đại để bộ thu tín hiệu có thể thu được, một trong những thiết bị này là một máy nhân electron nó tạo ra các ion thứ cấp khi có ion ban đầu đập vào bề mặt kim loại.

Tác đọng của ion lên bề mặt các chất bán dẫn tạo ra các electron, tiếp tục tăng tốc và va chạm với các bán dẫn khác tạo ra nhiều electron. Các electron thu được và số lượng của chúng tỉ lệ thuận với cường độ tín hiệu tại Detector.

Cường độ tín hiệu thu được khoảng 10⁶ cường độ tín hiệu ban đầu.

Nguyên lý hoạt động bộ nhân electron

Bộ nhân quang

Bộ thu quang này kết hợp các thiết bị dò ion và photon, loại đầu thu này hoạt động bằng cách chuyển đổi ion thành electron và sau đó thành photon. Loại đầu thu này thu được cả ion (-) và ion (+). Các ion (+) thì được gia tốc về các dynode (-) và các ion (-) thì được gia tốc về dynode (+) và phát ra các electron thứ cấp .

Các electron thứ cấp (secondary electron) được phát ra sau đó được gia tốc về phía màn phát quang (phosphorescent screen) và phát ra các photon. Các photon này được thu nhận bở bộ phận thu quang (photomultiplier tube) đặt phía sau màn phát quang các tín hiệu quang này sẽ được chuyển đổi thành tín hiệu điện và đồng thời được khuếch đại từ 10⁴ đến 10⁵ lần.  

Mặc dù bộ thu quang tương đối phức tạp hơn vì nó đòi hỏi nhiều công đoạn chuyển đổi nhưng tuổi thọ của chúng dài hơn tuổi thọ của các bộ thu electron, ngăn ngừa ô nhiễm môi trường vì bộ phận quang được đóng  trong vỏ thủy tinh hút chân không. Thời gian đáp ứng nhanh hơn độ nhạy lớn hơn. Trên các thiết bị phân tích phổ hiện đại gần đây kỹ thuật này được sử dụng rất rộng rãi.

Nguyên lý hoạt động bộ nhân quang

Ứng dụng phương pháp khối phổ

Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào phổ khối lượng của phân tử hợp chất hay từng thành phần riêng của nó.

Xác định cấu trúc của một hợp chất nào đó bằng cách nghiên cứu các thành phần riêng lẻ của nó.

Định lượng lượng chất trong một mẫu khi kết hợp các phương pháp khác (phương pháp phổ khối vốn không phải là định lượng).

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

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

Trong y học đặc biệt dùng để phân tích protein.