Bài giảng Phổ khối (Mass spectrometry)

PHỔ KHỐI
(MASS SPECTROMETRY)

BM. HPT-KN
PGS. TS Vĩnh Định
1


PHỔ KHỐI
Nội dung
1. Lịch sử - ứng dụng
2. Nguyên tắc

3. Máy phân khối tích phổ khối
3.1. Bộ phận nạp mẫu
3.2. Nguồn ion hố
3.3. Bộ phận phân tích khối
3.4. Bộ phận phát hiện

4. Sự phân mãnh ion
5. Biện giải phổ khối
2


PHỔ KHỐI
1. Lịch sử - ứng dụng
• 1886: E. GOLDSTEIN phát hiện ion mang điện tích
dƣơng
• 1912: J.J. THOMSON, giải Nobel 1906:
- thu đƣợc phổ khối đầu tiên của O2, N2 , CO, CO2,
COCl2.

- Phát hiện phân mãnh ion bền.
- mơ tả tỉ lệ khối trên điện tích m/z

• 1919: F.W. ASTON gỉai Nobel 1922: tạo máy phân
tích phổ khối (MS) đầu tiên
3


PHỔ KHỐI
1. Lịch sử - ứng dụng

• 1930: R. CONRARD áp dụng MS vào hố hữu cơ
• 1940: A.O. NIER phân lập đƣợc uranium-235
• 1952: R.A. MARCUS giải thích sự phân mãnh ion từ
phân tử; giải Nobel 1992
• 1953: W. PAUL mơ tả bộ phân tích tứ cực và bẫy ion.
Giải Nobel 1989.
• 1966: M.S.B. MUNSON & FIELD phát hiện sự ion
hóa hóa học cho phép phân tích phân tử có số khối
đến 500
4


PHỔ KHỐI
1. Lịch sử - ứng dụng

• 1972: J.H. BEYNON chỉ ra cách nhận biết ion bền và
ý tƣởng về MS độ phân giải cao
• 1981: M. BARBER mơ tả nguồn ion hóa kiểu FAB,

cho phép phân tích những đại phân tử (M= 10.000)
• 1984: J.F.J. TODD & cs. sáng lập cty Finnigan, tạo
nguồn ion hóa bằng bẫy ion (ion trappe)
• 1985: F.H.HILLENKAMP & M. KARAS phát hiện
nguồn ion hóa MALDI (Matrix Assisted Laser
Desorption Ionisation)
5


PHỔ KHỐI
1. Lịch sử - ứng dụng

• 1988: J.B. FENN phát triển sự ion hóa phun điện tử
(ESI), giải Nobel 2002.

6


PHỔ KHỐI
2. Nguyên tắc

A
Z

X

7


PHỔ KHỐI

2. Nguyên tắc
Theo thuyết lƣợng tử:
• mỗi electron trong nguyên tử đều có số lƣợng tử (n, l, m,
s) khác nhau.
• mỗi hạt nhân nguyên tử (gồm proton và neutron) đều có
số spin khác nhau
Số lƣợng
tử của các
electron

A
Z

X

n
1

2

l
s
s
p

m
0
0

+1/2

+1/2

Số e
-1/2
2
-1/2

-1

+1/2

-1/2

0

+1/2

-1/2

+1

+1/2

-1/2

s

8
8

PHỔ KHỐI
2. Nguyên tắc
Điện tích Khối lƣợng

A
Z

X

Proton

+1

1*

Electron

-1

0

Neutron

0

1*

* 1.67x10-27kg

- Số khối (A) của nguyên tử là tổng số khối của nucleon
(nghiã là tổng số proton và neutron trong nguyên tử tính
theo 1/12 đvc = 1.67x10-27kg).
- Số proton (Z) bằng với số điện tử
Đồng vị là nguyên tố khác số neutron, do đó khác số khối A.
1H có 1 proton, 1 electron, 0 neutron (A = 1); I * = ½
2D có 1 proton, 1 electron, 1 neutron (A = 2); I * = 1
(I *: spin hạt nhân - NMR)
9


PHỔ KHỐI
Đồng vị là nguyên tố khác số neutron, do đó khác số khối A.
12C có 6 proton, 6 electron, 6 neutron (A = 12); I* = 0
13C có 6 proton, 6 electron, 7 neutron (A = 13); I* = ½
(* I: spin hạt nhân - NMR)

- Đa số các nguyên tố đều có các đồng vị khác nhau hiện
diện trong tự nhiên. Tuỳ thuộc vào thời gian phân rã hạt
nhân (nuclear decay) của đồng vị đó mà ta thƣờng gọi là
đồng vị “bền” hay “không bền”

- Tỷ lệ xuất hiện tự nhiên (abundance) của các nguyên tố
đồng vị đƣợc tính theo %:
+ 13C tỷ lệ xuất hiện tự nhiên là 1,1% so với 12C là
98,9%.
+ 1H tỷ lệ xuất hiện tự nhiên là 99,985% so với 2D
là 0,015%
10

PHỔ KHỐI
- Nguyên tử khối trung bình:

Mr(Cu) = (63*69) + (65*31)/100

64
29

Cu

= 63,62

11


PHỔ KHỐI
Nguyên tố

Nguyên tử khối

Hạt nhân

Khối lƣợng

Mr(C) = (12*98,9) + (13*1,1)/100
= 12,011
Mr(H) = (1*99,985) + (2*0,015)/100

= 1,0079

12


PHỔ KHỐI

Nguyên
tố

Tỉ lệ tự nhiên
%

C 12

98,90

C 13

1,1

N 14

99,63

N 15

0,37

O 16

99,76

O 18

0,20

Br 79

50,69

Br 81

49,31

Cl 35

75,77

Cl 37

24,23

Fe 54

5,80

Fe 56

91,72

Fe 57

2,2

S 32

95,02

S 34

4,21

Si 28

92,23

Si 29

4,67

Si 30

3,10

13


2. Nguyên tắc

PHỔ KHỐI

2.1. Sự ion hóa hợp chất hữu cơ nhƣ thế nào?
 Dƣới tác động của điện trƣờng 70 eV trong máy phân
tích khối phổ, các electron sẽ bắn phá hợp chất hữu cơ
đƣợc đƣa vào để tạo thành những ion phân tử, ion phân
mãnh. Dựa trên phân tích những ion này cho phép xác
định số khối của phân tử.
 Sự bẻ gãy các liên kết hóa học của phân tử tạo thành
các ion phân mãnh.
 Dƣới tác động của từ trƣờng (hoặc điện trƣờng), các
ion phân mãnh sẽ tách ra theo tỉ lệ số khối trên điện tích
(m/z)
14


2. Nguyên tắc

PHỔ KHỐI

2.1. Sự ion hóa hợp chất hữu cơ nhƣ thế nào?
 Những ion phân mãnh có tỉ lệ m/z phù hợp sẽ di chuyển
đƣợc đến detector (bộ phân tích khối) và ghi thành phổ.
 Dựa trên sự phân tích phổ khối này sẽ cho thơng tin về
số khối của phân tử (giống nhƣ trị chơi ráp hình LEGO).

pages.usherbrooke.ca/bcm-514-bl/6a.html.

15

2. Nguyên tắc

PHỔ KHỐI

2.2. Máy phân tích khối phổ là gì ?
- Máy phân tích khối phổ (Mass Spectrometer - MS) đo
lƣờng trực tiếp tỉ lệ khối lượng theo thế điện tích (ký hiệu
là m/z) của những ion trong pha khí của chất phân tích

CH3

O
N

C7H7NO2

O

M = 137
137

- Đơn giản hơn: máy đo khối lƣợng phân tử của 1 chất
(với độ đúng 0,01%).
16


PHỔ KHỐI
2.3. Máy khối phổ hoạt động nhƣ thế nào ?
Những ion của chất phân tích sinh ra từ nguồn ion
hoá đƣợc gia tốc và đƣợc tách ra bởi bộ phận phân

tích khối trƣớc khi đến bộ phận phát hiện. Tất cả
q trình này xảy ra trong một buồng có hệ thống
bơm chân không sâu đạt từ 10-3 đến 10-6 Pa (1 Pa =
9,8.10-6 atm).
Phân tử

Tách ra
theo m/z

e- có động năng
70 eV bắn phá *
Từ trƣờng /
điện trƣờng

Ion phân tử
Bẻ gãy các
liên kết

Các ion phân mảnh

Khối phổ đồ

* 1eV = 1,6.10-19 J
17


2. Ngun tắc

PHỔ KHỐI

2.4. Cung cấp thơng tin gì ?
Thơng tin từ khối phổ đồ cho phép:

- Định tính chất (dựa vào khối lƣợng của
ion phân tử, dựa vào khối lƣợng của các ion phân
mảnh).
- Định lƣợng (dùng chất chuẩn nội hay
chuẩn ngoại) với giới hạn phát hiện từ picomol
(10-12 M) đến femtomol (10-15 M).

18


PHỔ KHỐI
2. Nguyên tắc
2.5. Hình dạng phổ nhƣ thế nào ?
Khối phổ đồ thu đƣợc chỉ ra sự tƣơng quan giữa số
lượng các ion có giá trị m/z (đến đƣợc bộ phận phát
hiện, tính theo %) theo giá trị m/z.
• Trục hồnh: biểu
thị tỉ lệ m/z của
những ion phân
mãnh.

• Trục tung: biểu thị
sự “dồi dào” (hay
mật độ tƣơng đối)
của những ion.

CH3

O
N

O

137

19


PHỔ KHỐI
2. Nguyên tắc
2.5. Hình dạng phổ nhƣ thế nào ?
Vì đa số các ion đều mang điện tích +1 sau q trình
ion hóa, nên tỉ lệ m/z tƣơng đƣơng với m (do đó
thƣờng gọi là phổ khối).
• Pic cơ bản: là pic có
cƣờng độ 100%
• Cƣờng độ của các
pic khác tính theo
chiều cao so với pic
cơ bản.

• Đơn vị: amu (atomic
mass unit), dalton =
1,0078 uma

CH3

O
N

137

20

O