Quang phổ khối lượng(MS)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM – KỸ THUẬT TP.HCM
KHOA CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC – THỰC PHẨM
MÔN HỌC: PHÂN TÍCH THỰC PHẨM
Đề tài:
“Quang phổ khối lượng”
Giảng viên hướng dẫn: Th.s Lê Hoàng Du
Nhóm thực hiện:
STT Họ tên sinh viên MSSV
1 Đặng Thanh Bình 12116006
2 Phạm Thị Minh Hiền 12116028
3 Trần Thị Minh Châu 12116009
4 Hoàng Thị Hồng 12116031
TP. Hồ Chí Minh
Mục lục
PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH QUANG PHỔ KHỐI LƯỢNG(MS)
1. Giới thiệu
1.1 Sơ lượt lịch sử phát triển của phương pháp phổ khối lượng
Phương pháp phổ khối lượng, viết tắt là MS(mass Spectrometry) là
một phương pháp phân tích công cụ quan trọng để phân tích thành phần và
cấu trúc của các hợp chất vô cơ và hữu cơ. Lịch sử phát triển của phương
pháp được bắt đầu từ cuối thế kỷ XX. Goldstein(1886) và Wein(1898) đã chỉ
ra rằng một chùm tia ion dương có thể tách biệt ra khỏi nhau nhờ tác dụng
của điện trường và từ trường. Thompson(1913) đã chỉ ra là khí nenon tự
nhiên gồm hai loại có khối lượng nguyên tử khác nhau(isotop) là 20 và
22(g/mol). Năm 1919, Aston đã chế tạo được thiết bị nghiên cứu isotop qua
đó đo được khối lượng của chúng. Về sau Thompson đã chế tạo được thiết
bị ghi nhận các ion trên giấy ảnh. Vào những năm 30 của thế kỷ XX(Frank
1926, Condon 1928) đã chế tạo máy phổ khối lượng hoàn thiện hơn đo các
ion theo tỷ số m/e. Trong thời kỳ này người ta đã thu được các thành công
trong lĩnh vực nghiên cứu isotop. Smythe(1934) đã thu được 1mg
39

K trong
7 giờ phân tích. Oliphant (1934) đã tách và thu gom được 10
-8
g của liti
isotop tinh khiết, Nier (1940) đã tách ra được
235
U và
238
U. Alvaerez và
Cornog (1939) đã thu được
3
He trong tự nhiên. Thompson cũng là người sử
dụng máy phổ khối lượng trong phân tích hóa học, xác định khối lượng
nguyên tử hay phân tử. Conrad(1930) đã đưa ra thông báo đầu tiên về
nghiên cứu phổ khối lượng các hợp chất hữu cơ. Tiếp theo là sự phát triển
nhanh chóng trong lĩnh vực này.
Năm 1940 phố khối lượng được dùng vào việc phát hiện dầu mỏ và
những năm 1950 được sử dụng phân tích các mẫu hocmon và steroit. Sự kết
hợp sắc ký khí khối phổ (GC/MS) được thực hiện vào những năm 1960 còn
sự kết hợp sắc ký lỏng khối phổ(LC/MS) được tiến hành vào những năm
1970. Đồng thời phát triền 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 tứ cực, khối phổ kế thời gian bay(TOF), kỹ
thuật xác định các chất có phân tử khối lớn (MALDI),…và nhiều kỹ thuật
mới khác. Phạm vi ứng dụng của phương pháp phổ khối lượng rất rộng lớn
đặc biệt có ý nghĩa quan trọng với ngành hóa học hữu cơ, hóa sinh và ngành
hóa học vô cơ, nguyên tố đồng vị, vì vậy các sách và tải liệu về phổ khối
lượng được phân thành hai loại: “Phổ khối lượng của hợp chất hữu cơ và
hóa sinh” và “Phổ khối lượng của các nguyên tố và hợp chất vô cơ”.
1.2 Đặc điểm của phương pháp

Phương pháp khối phổ là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách
đo chính xác khối lượng phân tử chất đó. Chất nghiên cứu trước tiên
được chuyển thành trạng thái hơi sau đó được đưa vào nghiên cứu trong
bộ phận phân tích của máy khối phổ kế. Tuỳ theo loại điện tích của ion
đem nghiên cứu mà người ta phân biệt máy khối phổ ion dương hoặc ion
âm. Loại máy khối phổ làm việc với ion dương cho nhiều thông tin hơn
về ion nghiên cứu nên được dùng phổ biến hơn.
Người ta có thể dùng phương pháp khối phổ để nghiên cứu tất cả các
nguyên tố hay hợp chất có thể biến thành dạng khí hay hơi.
Đối với hợp chất vô cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường được
dùng để nghiên cứu hành phần đồng vị hoặc để xác định vết các chất nghiên
cứu.
Đối với hợp chất hữu cơ, phương pháp phân tích khối phổ thường
được dùng trong quá trình đồng nhất chất hoặc phân tích cấu trúc.
Ngoài ra, phương pháp này cùng dùng để:
− Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối
lượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó
− Xác định kết cấu chất đồng vị của các thành phần trong hợp
chất
− Xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng
phần tách riêng của nó
− Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng 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.
Một khối phổ kế là một thiết bị dùng cho 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. Một
khối phổ kế thông thường gồm 3 phần: phần nguồn ion, phần phân
tích khối lượng, và phần đo đạc.
Các hóa chất khác nhau thì có khối lượng phân tử khác nhau.
Dựa vào đó, khối phổ kế sẽ xác định chất hóa học nào có nằm trong
mẫu. Ví dụ, muối NaCl hấp thụ năng lượng (năng lượng hấp thụ tùy
theo nguồn ion, ví dụ MALDI năng lượng là tia laser) tách ra thành
các phân tử tích điện, gọi là ion), trong giai đoạn đầu của phương
pháp phổ khối. Các ion Na+, Cl- có trọng lượng nguyên tử khác biệt.
Do chúng tích điện, nghĩa là đường đi của chúng có thể được điều
khiển bằng điện trường hoặc từ trường. Các ion được đưa vào buồng
gia tốc và đi qua một khe vào miếng kim loại. Một từ trường được đưa
vào buồng đó. Từ trường sẽ tác động vào mỗi ion với cùng một lực và
làm trệch hướng chúng về phía đầu đo. Ion nhẹ hơn sẽ bị lệnh nhiều
hơn ion nặng vì theo định luật chuyển động của Newton gia tốc tỉ lệ
nghịch với khối lượng của phân tử. Đầu đo sẽ xác định xem ion bị
lệnh bao nhiêu, và từ giá trị đo này, tỉ lệ khối lượng-trên-điện tích của
ion có thể được tính toán. Từ đó, có thể xác đinh được thành phần hóa
học của một mẫu gốc. Trên thực tế thì hai ion Na
+
và Cl
-
sẽ không
được đo trong cùng một lần, vì các máy đo chỉ có thể nhận ra ion điện
tích dương hoặc điện tích âm nên nếu máy khối phổ kế được điều
chỉnh để đo các ion điện tích dương thì chỉ có ion Na+ là được nhận ra
bởi máy. .Một trong những tính năng lớn của khối phổ lượng là có thể
tìm thấy cấu tạo không gian của phân tử ví dụ phân tử C
7

H
14
O
2
có thể
là acid hoặc ester Và khả năng phát hiện ra hợp chất với độ nhậy
cực cao từ 10
−6
dến 10
−12
gram.
2. Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng
2.1 Nguyên tắc chung
Cơ sở của phương pháp phổ khối lượng đối với các hợp chất hữu cơ là
sự bắn phá các phân tử hợp chất hữu cơ trung hòa thành các ion phân tử
mang điện tích dương hoặc phá vỡ thành các mảnh ion, các gốc theo sơ đồ
sau bằng các phần tử mang năng lượng cao:
ABCD + e → ABCD
+
+ 2e
Hoặc ABCD
++
+ 3e
Hoặc ABCD
−
Sự hình thành các ion mang điện tích +1 chiếm hơn 95% còn lại các ion
mang điện tích +2 hoặc ion âm(-). Năng lượng bắn phá các phân tử thành ion phân
tử khoảng 10eV. Nhưng với năng lượng cao thì từ ion phân tử có thể phá vỡ thành
các mảnh ion dương(+), hoặc các ion gốc , hoặc phân tử trung hòa nhỏ hơn:
ABCD + e → ABC

•
+ D
+
hoặc AB
•
+ CD
+
hoặc A
+
+ BCD
hoặc A + BCD
+
•
 …………
Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo chất, phương pháp bắn phá và năng
lượng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa.
Ion phân tử và các ion mảnh là các phần tử có khối lượng. Nếu gọi khối
lượng của một ion là m và điện tích của nó là e thì tỷ số z=m/e được gọi là số khối.
Hiển nhiên các ion có khối lượng m, 2m, 3m,… và điện tích tương ứng bằng e, 2e,
3e,… có số khối z bằng nhau: z = m/e =2m/2e =3m/3e = …
Ion phân tử có số khối ký hiệu là M
•
+
2.2 Quá trình ion hóa
Phương trình phản ứng phổ khối như trên đã cho:
M + e
−
(nhanh) → M
+
•

+ 2e
+
(chậm)
Từ phương trình này thấy rằng electron va chạm phải có năng lượng
đủ lớn thì phản ứng mới xảy ra. Ion phân tử dao động M
+
•
đươc tạo ra có thể
có một sự thay đổi nhỏ về động năng. Electron với năng lượng 10eV có tốc
độ chuyển động là 1.88×10
8
cm/s, tính theo phương trình:
T = mv
2
(eV)
Năng lượng này đủ lớn để xảy ra phản ứng trên. Khi electron đi qua
phân tử có độ lớn 2Å với tốc độ thì thời gian hết:
t = 2 × 10
-8
cm = 1×10
-16
(s)
1.88×10
8
cm/s
Nguyên tử trong phân tử dao động, nhưng đã biết thời gian để biết hoàn
thành một dao động là 10
−
14
s do đó có thể thấy rằng có các quá trình va

chạm của electron với phân tử khi khoảng cách giữa các nguyên tử chưa
thay đổi đồng thời cũng có quá trình xảy ra khi khoảng cách nguyên tử thay
đổi như theo nguyên lý Frank – Condon.
Thế xuất hiện và thế ion hóa:
• Thế ion hóa là năng lượng cần thiết biến phân tử trung hòa
thành ion phân tử, ký hiệu là IP
AB → AB
•
+
(IP)
• Thế xuất hiện là năng lượng cần thiết biến phân tử trung hòa
thành các ion, ion gốc hay phân tử nhỏ hơn, ký hiệu là AP.
AB → AB
•
+
(IP) → A
+
+B
•
AP
Thế xuất hiện (AP) của ion là năng lượng tối thiểu cần thiết để
sinh ra ion và phần tử trung hòa kèm theo từ phân tử, ion hay
gốc ban đầu.
Thế ion hóa(IP) là trường hợp đặc biệt của thế xuất hiện, trong
đó sự ion hóa không dẫn đến sự phân ly.
2.3 Tính khuynh hướng của phản ứng
Giá trị AP trong trường hợp phổ khối lượng có liên quan đến cấu tạo
của ion xuất hiện. Ví dụ: Trong phản ứng ion hóa phân tử CH
3
OH có thể

xảy ra cho m/e 31 theo hai hướng:
CH3OH + e => CH
3
O
+
+H
•
+ 2e hoặc tạo thành CH2=O
+
H + H
•
+ 2e
Do ∆H(CH
3
O
+
)>∆H(CH
2
=
+
OH) nên CH
2
=
+
OH được ưu tiên hình thành.
2.4 Cơ sở kỹ thuật của thiết bị khối phổ
Phương pháp phổ khối lượng là một phương pháp phân tích quan
trọng, nó cung cấp thông tin về phân tích định tính, định lượng các nguyên
tố và thành phần của các hợp chất vô cơ cũng như hữu cơ. Thiết bị phổ khối
đầu tiên được chế tạo bởi J.Thompson vào năm 1912 và W.Aston 1919

nhưng thiết bị hoàn thiện hơn được chế tạo từ năm 1912.
Từ sơ đồ trên thấy các thiết bị khối phổ gồm các bộ phận chính là:
• Buồng hóa khí mẫu.
• Buồng ion hóa.
• 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
Nạp mẫu
Ion hóa
Bom hút
Xử lý số liệu
Detecto
Hóa khí mẫu
Phân tách ion
theo số khối
Các mẫu được nạp vào máy có thể ở ba dạng: mẫu khí, mẫu lỏng và mẫu
rắn.
− Mẫu khí: mẫu dạng khí được nạp trực tiếp vào máy qua manomet thủy
ngân(khoảng 3ml) rồi đưa vào bình chứa (khoảng 3-5l) qua lỗ van. Thể tích
khí giản nở trong bình nhờ tăng nhiệt độ(khoảng 150-200
o
C).
− Mẫu lỏng: mẫu được nạp vào máy theo một số cách khác nhau như qua
micropipet hoặc thiết bị đặc biệt. Dưới áp suất thấp(nhờ bơm hút chân
không) biến mẫu lỏng thành dạng khí(áp suất 10
-4
– 10
-6
mmHg).
− Mẫu rắn: mẫu rắn được náp vào buồng hóa khí, dưới áp suất thấp biến thành

trạng thái khí nhờ tăng nhiệt độ lò đốt(áp suất 10
-4
– 10
-6
mmHg, nhiệt độ
200
o
C).
Mẫu sau khi biến thành dạng khí đựng ở bình chứa đi sang buồng ion hóa
qua một lỗ nhỏ có đường kính 0.013 – 0.050mm(bằng vàng).
3.Các phương pháp ion hóa
Mẫu thử được biến thành các ion ở buồng ion hóa để đi vào hệ thống phân tích.
Hiện nay, có nhiều kỹ thuật để biến các phân tử trung hòa thành ion. Tùy từng
kỹ thuật, mức độ bị ion hóa của các phân tử có thể khác nhau, từ ion hóa mạnh cho
các chất dễ bay hơi và bền tới ion hóa nhẹ nhàng cho các phân tử lớn, khó bay hơi.
Phương pháp ion hóa được thực hiện theo hai loại:
-Ion hóa tướng khí: mẫu biến thành dạng hơi rồi đưa vào buồng ion hóa (va
chạm electron,photon,ion…) để biến các phân tử trung hoà thành các ion.
-Ion hóa theo kỹ thuật giải hấp(giải hấp trường, giải hấp 252Cf, bắn phá
nguyên tử hay ion hóa nhanh,giải hấp laser). Các ion được hình thành từ mẫu ở pha
ngưng kết.
Cách cổ điển nhất để ion hóa các chất là kỹ thuật bắn phá electron hay sau này
còn được gọi là ion hóa bằng electron (electron impact hay electron ionization, EI).
Người ta dùng một chùm electron để “bắn phá” phân tử mẫu ở trạng thái hơi. Điều
kiện chuẩn để thực hiện EI là 70 eV. Phổ EI thu được ở điều kiện này có thể dùng
để so sánh với phổ chuẩn để xác định các chất.
EI là phương pháp ion hóa mạnh, nhiều chất trong điều kiện này bị phân mảnh
đến mức không còn nhận thấy ion M+ nữa. Để có thể phát hiện được M+, nhiều kỹ
thuật ion hóa nhẹ nhàng hơn đã được áp dụng. Ion hóa hóa học (chemical
ionization, CI) là một trong những kỹ thuật sớm nhất được sử dụng. Nguyên tắc

của phương pháp là trong buồng ion hóa, người ta đưa vào một chất khí khác
(được gọi là khí thử). Chất này sẽ bị ion hóa và các ion này sẽ tác động lên mẫu để
ion hóa mẫu tạo ra M+ hay các ion cộng tương ứng. Các khí thử thường dùng trong
CI là methan, isobutan hay ammonia. Quá trình ion hóa mẫu thử M với khí thử là
ammonia xảy ra như sau:
NH
3
+ e
-
→ NH
4
+
+ 2e
-
NH
4
+
+ M → NH
3
+ [M+H]
+
Phân tử proton hóa
NH
4
+
+ M → [M+NH
4
]
+
Ion cộng amoni

Với CI, phổ MS thu được có số lượng các ion ít hơn và cường độ các ion cao
hơn nên dễ xác định được phân tử lượng của mẫu.
EI và CI chỉ thích hợp với kỹ thuật đưa mẫu rắn (phân tích trực tiếp các mẫu
tinh khiết) và khí (như GC-MS). Với dạng mẫu lỏng như trong HPLC–MS, CE-
MS…các kỹ thuật ion hóa nhẹ nhàng ở áp suất thường như ion hóa phun điện
(electrospray ionization, ESI), ion hóa hóa học ở áp suất thường (atmospheric
pressure chemical ionization, APCI), ion hóa phun nhiệt (thermospray ionization,
TS hay TSP) thường được sử dụng. Các chất dễ bị phân hủy nhiệt, khó hay không
bay hơi cũng có thể áp dụng tốt bởi các kỹ thuật ion hóa này.
Với ESI, 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 bay hoiw
dung môi 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 ‘vỡ’ nhẹ nhàng hơn tạo ra ít phân mảnh và có cường độ lớn hơn. Với
các polymer (với M tới vài chục ngàn đơn vị khối), điện tích của các ion (z) sẽ >1
(có thể tới 20 hay hơn) do vậy vẫn có thể được phân tích trong thiết bị phổ với m/z
1000-2000.
APCI tạo ra các ion dương được proton hóa hay ion âm do loại bỏ khỏi phân tử.
Dung dịch mẫu được hóa hơi bởi nhiệt độ dưới dạng phun mù và đi vào trong vùng
plasma của các ion dung môi tạo bởi hồ quang ở áp suất khí quyển. Sự cho nhận
proton xảy ra giữa mẫu và dung môi tạo nên các ion của mẫu thử.
Trong TSP, dung dịch mẫu được bơm dưới áp suất tương đối cao qua 1 mao
quản được nung nóng bởi bằng nhiệt điện. Khi ra khỏi ống mao quản, dung môi
được hóa hơi hỗ trợ cho việc phun dung dịch thành các hạt mù rồi thành các ion
đẩy vào bộ phận phân tích khối. TSP có thể áp dụng cho những hệ thống có tốc độ
dòng cao (HPLC). Tuy nhiên, ngày nay kỹ thuật này phần lớn được thay thế bằng
ESI.
Ngoài những phương pháp ion hóa trên được sử dụng nhiều trong phân tích các
hợp chất phân tử nhỏ còn có nhiều kỹ thuật ion hóa khác sử dụng cho các đại phân
tử. Ví dụ, kỹ thuật bắn phá nhanh bằng nguyên tử (fast atom bombardment, FAB),

các kỹ thuật giải hấp trường (field desorption, FD), giải hấp laser (laser desorption,
LD) và một trong những kỹ thuật đang được sử dụng nhiều là kỹ thuật giải hấp
laser hỗ trợ bởi chất nền (matrix – assisted laser desorption ionization, MALDI).
Với MALDI, mẫu được trộn với dung dịch chất nền và được làm khô dung môi
trên phiến kim loại rồi đưa vào buồng ion hóa của máy phổ khối chứ không kết nối
trực tiếp được với hệ thống sắc ký.
Bảng 1:Một số phương pháp ion hóa trong phổ MS
Dạng ion hóa Nguồn ion
hóa
Áp suất
buồng mẫu
Phạm vi ứng dụng
Ion hóa bằng dòng
electron (Electron
ionization-EI)
50-70eV 10
-4
-10
-6

torr
Sự phân mảnh mạnh
cho phép xác định cấu
trúc;GC/MS
Ion hóa hóa
học(Chemical
ionization-CI)
Ion khí 1 torr Xác định khối lượng
phân tử;GC/MS
Ion hóa phản hấp

phụ(Desorption
ionization-DI)
10
-5
-10
-6

torr
Khối lượng phân tử và
cấu trúc của các hợp
chất không bay hơi có
khối lượng phân tử
cao trong pha ngưng
tụ
Bắn phá nguyên tử
nhanh (Fast atom
bombardment-FAB)
Ar hoặc các
nguyên tử
trung hòa
khác có
năng lượng
cao
Sự phản hấp phụ
laser và ion hóa phản
hấp phụ laser mạng
lưới[Laser
desorption(LDI) và
matrix-assisted
LDI(MALDI)]

Photon năng
lượng cao
Ion hóa phun mù
electron[Electrospray
(ES) ionization]
Điện
trường;ion
trong dung
dịch
Áp suất khí
quyển hoặc
áp suất
giảm
HPCL/MS and
CE/MS
Ion hóa hóa học áp
suất khí
quyển[Atmospheric
pressure chemical
ionization(APCI)]
Sự phóng
điện
vành;ion ở
dạng khí
Áp suất khí
quyển
HPLC/MS
− Một số phương pháp chính:
+ Phương pháp va chạm electron
+ Phương pháp ion hóa học

+ Phương pháp ion hóa trường
+ Phương pháp ion hóa photon
+ Phương pháp bắn phá ion.
+ Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh.
3.1.Phương pháp va chạm electron (Electron Impact-EI)
a.Nguyên tắc:
Ion hóa theo phương pháp va chạm eclectron là phương pháp phổ biến.
Dòng phân tử khí của mẫu đi vào buồng ion hóa,va chạm với một dòng
electron sinh ra từ một sợi đốt(catot) chuyển động vuông góc với dòng phân tử
khí.Áp suất ở buồng ion hóa đạt 0,005torr và nhiệt độ 200+ 0.25
0
C.
Sự xuất hiện dòng electron: Năng lượng được cung cấp để nung nóng dây tóc
kim loại(vonfram hoặc reni), làm phát ra những điện tử. Những điện tử này được
tăng tốc qua một điện trường có điện thế khoảng 70eV trước khi đi vào buồng chứa
mẫu.
Các electron là các phần tử mang năng lượng, va chạm với các phân tử trung
hòa làm bật ra electron và phá vở phân tử thành các mảnh ion, mảnh gốc hay phân
tử trung hòa nhỏ. Thế ion hóa ban đầu đạt 6- 14eV tạo ra ion phân tử, rồi 70eV để
bắn phá tạo ra các ion mảnh. Sau đó các ion hình thành được cho đi qua một điện
trường có thế 400- 4000V để tăng tốc độ chuyển động, tốc độ chuyển động của ion
tỷ lệ với khối lượng của chúng m
1
, m
2
, m
3
,…Điện thế này được gọi là thế tăng tốc,
ký hiệu là U. Mối quan hệ giữa thế tăng tốc U, khối lượng m, diện tích e và tốc độ
chuyển động v của ion đươc thể hiện qua phương trình sau:

eU=(1/2)m
1
v
1
2
=(1/2)m
2
v
2
2
=(1/2)m
3
v
3
2
=…
Hình 1: Buồng ion hóa va chạm electron
Hình 2: Sơ đồ EI điển hình

Hình 3:Ảnh hưởng của năng lượng ion hóa đến hiệu suất ion hóa
b.Ưu-Nhược điểm của phương pháp:
Ưu điểm : Cho biết khối lượng phân tử của các mẫu phân tích, cấu trúc hóa học
của của phân tử mẫu thông qua thông tin cung cấp bởi các mảnh.
Nhược điểm : Không áo dụng cho những chất không bền nhiệt hoặc không bay
hơi, không phân biệt được các đồng phân.
3.2.Phương pháp ion hóa học (Chemical Ionization-CI)
a.Nguyên tắc:
Ion hóa hóa học là cho dòng phân tử khí va chạm với một dòng ion dương hoặc
ion âm để biến các phân tử trung hòa thành ion phân tử hay ion mảnh.
Trong kỹ thuật CI ngoài mẫu và khí mang, còn một lượng lớn khí thử đưa vào

buồng ion hóa. Lượng khí thử rất lớn so với mẫu hầu như các điện tử phát ra từ dây
tóc đều va chạm vào khí thử tạo ion khí thử.
Các ion khí thử va chạm, phản ứng với các phân tử mẫu tạo ra các ion mẫu.
Các ion dương này được hình thành từ các phân tử dạng khí H
2
, CH
4
, H
2
O,
CH
3
OH, i-C
4
H
10
, NH
3
…qua sự ion hóa như bắn phá chúng bằng một dòng electron
mang năng lượng cao. Mỗi phân tử dạng khí có thể tạo ra các ion dương khác nhau
làm tác nhân trong ion hóa hóa học
Bảng 2: Các tác nhân dạng khí và tác nhân ion dương thường dùng
Phân tử khí Tác nhân ion dương
H
2
CH
4
H
2
O

CH
3
OH
i-C
4
H
10
NH
3
(CH
3
)
2
CO
H
3
+
CH
4
+•
, CH
3
+
, CH
5
+
, C
2
H
5

+
, C
3
H
7
+
H
+
, (H
2
O)
n
H
+
, (CH
3
OH)
n
C
4
H
9
+
,C
3
H
3
+
H
+

, (NH
3
)
n
(CH
3
)
2
CO
+•
Ion hóa bằng dòng ion dương xảy ra theo hai bước sau:
Bước 1: Phân tử trung hòa (ví dụ CH4) va chạm với dòng electron mang năng
lượng cao trở thành nguồn ion :
Bước 2: Các ion dương này mới va chạm với các phân tử mẫu ở dạng khí:
Ngoài các tác nhân ion dương, còn sử dụng các tác nhân ion âm trong quá
trình ion hóa. Sự hình thành ion âm cũng được thực hiện bằng phương pháp va
chạm electron với các phân tử dạng khí như H
2,
O
2,
N
2
O, ankyl halogenRX cho các
ion âm như H
-
,O
-•
,O
2-•
,NO

-
,OH
-
,X
-
,…
Sự ion hóa các phân tử trung hòa bằng tác nhân ion âm xảy ra theo sơ đồ sau:
b.Ưu-Nhược điểm của phương pháp:
Ưu điểm : Dùng CI khi phương pháp EI không cho thấy mủi ion phân tử. Năng
lượng ion hóa trong CI là rất nhỏ so với EI nên số phân mảnh tạo ra là ít. Xác suất
hình thành các ion mẹ là lớn nên thường dùng xác định trọng lượng phân tử.
Nhược điểm: Không áp dụng cho những hợp chất không bền nhiệt, hay không
bay hơi.
3.3.Phương pháp ion hóa trường (Field Ionization-FI)
Nguyên tắc:
Sử dụng một điện trường mạnh để làm bật ra electron từ phân tử. Khi đặt phân
tử vào giữa hai điện cực với một điện trường mạnh (10
7
-10
8
V/cm), nó chịu một lực
tĩnh điện tương tự như ở các tấm tích điện.Nếu bề mặt kim loại(anot)có hình dạng
thích hợp(đầu nhọn hay sợi mỏng)và dưới một chân không cao(10
-6
torr),lực này
đáp ứng để làm bật electron ra khỏi phân tử,không đòi hỏi năng lượng quá dư.
Trong phương pháp ion hóa trường,nguồn ion được tạo ra nhờ một kim loại nhỏ
có đường kính vài micromet làm anot ,gắn ngay phía trước khe vào buồng ion
hóa .Khe vào chính là catot,ngoài ra còn có khe hội tụ để tập trung nguồn ion.
Hình 4:Sơ đồ nguồn ion trong ion hóa trường

3.4.Phương pháp ion hóa photon
Rất nhiều quá trình ion hóa đòi hỏi năng lượng từ 10eV tương ứng với các
photon có bước sóng khoảng 83-155nm nằm trong vùng tử ngoại chân không do
đó có thể thực hiện quá trình ion hóa va chạm photon. Phổ khối đạt được cũng
tương tự phương pháp va chạm 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 hóa trường . Người ta cũng sử dụng nguồn laser làm
nguồn ion hóa, dó là một nguồn đơn sắc (laser rubi) mang năng lượng cao.
Hình 5:Sơ đồ ion hóa
3.5.Phương pháp bắn phá ion (ion bombartment)
Nguyên tắc:
Dòng ion bắn ra từ một khẩu súng đi thẳng vào mẫu.Khi dòng ion này đập vào
mẫu thì dòng ion thứ cấp sinh ra. Nếu như mẫu là các nguyên tử đơn thì các ion
thử cấp sẽ được tách biệt và phát hiện. Ion phân tử có thể phân ly thành ion dương
và ion âm. Phổ khối ion thứ cấp bao gồm các ion thứ cấp này bền vững đối với sự
phân ly và sự phá vỡ thành ion mảnh.
Khẩu súng bắn ion sinh ra một chùm tia có đường kính 1mm và một năng lượng
từ 300-3000eV. Đường kính của chùm ion sẽ giảm dần xuống còn 0,1 mm.
Hình 6: Nguyên tắc của phổ khối ion thứ cấp(SIMS)
3.6.Phương pháp bắn phá nguyên tử nhanh (Fast Atom Bombardment-FAB)
Thiết bị bắn phá nguyên tử nhanh: Một dòng khí acgon hay xenon được bắn ra
từ khẩu súng đập thẳng vào mẫu. Khí acgon đã được ion hóa bởi một sợi đốt nóng
rồi được tăng tốc nhờ một trường tĩnh điện rồi hội tụ lại thành một chùm và bắn
thẳng vào mẫu.Ion Ar
+
cung cấp động năng cao cũng như chịu một sự trao đổi điện
tích với dung môi hòa tan mẫu hình thành các ion dung môi. Dung môi như
glirexin, monothioglixerin, cacbowar, 2,4-đipentyphenol hòa tan dễ dàng các hợp
chất hữu cơ nhưng trong dễ bay hơi trong chân không. Dòng khí argon bắn phá đã
ion hóa dung môi, ví dụ như glixerin (Gn), trước tiên một số phân tử glixerin được

ion hóa, sau đó ion glixerin phản ứng với phân tử glixerin xung quanh cho sản
phẩm (G
n
+ H)
+
như ion phản ứng tương tự phương pháp ion hóa hóa học. Mẫu
chất va chạm với ion (G
n
+ H)
+
để sinh ra ion phân tử (M + H)
+
,(M - H)
+
và (M +
G + H)
+
được gọi là ion thứ cấp. Những ion này được tách ra bởi một hệ thấu kính
và đi thẳng đến bộ phận phân tích khối lượng.
Hình 7:Sơ đồ máy bắn phá nguyên tử nhanh (FAB)
Hình 8:Nguyên tắc của FAB
4.Tách các ion theo số khối
Các ion hình thành có khối lượng m và điện tích e, tỷ số z=m/e được gọi là số
khối. Chúng sẽ được tách biệt ra khỏi nhau theo số khối nhờ bộ phận thiết bị riêng
là một nam châm thử có từ trường hoặc kèm theo một điên trường nữa.
Nhiệm vụ của bộ phận phân tích khối là phân tách hỗn hợp các ion sinh ra bởi
bộ phận ion hóa thành từng loại riêng biệt theo m/z để đưa các ion này tới detector
để ghi nhận phổ. Có nhiều cơ chế để tách riêng các ion như sử dụng từ trường, điện
trường và vận tốc của các ion…Các bộ phận phân tích khối đang được sử dụng
trong phổ khối gồm có các loại sau: cung từ (magnetic sector), tứ cực

(quadrupole), bẫy ion (ion trap), thời gian bay (time of flight) và cộng hưởng bằng
gia tốc ion – biến đổi Fourier (Fourier transform ion cyclotron resonance, FT-ICR).
Kinh điển nhất trong các bộ phân tích khối là thiết bị sử dụng từ trường. Dưới
một từ trường mạnh, quỹ đạo các ion sẽ thay đổi và khác nhau phụ thuộc vào điện
tích và khối lượng ion. Thay đổi từ trường sẽ thay đổi quỹ đạo các ion, lần lượt đưa
chúng đi vào detector. Đây cũng là 1 trong 2 loại phân tích ion mạnh và có độ
chính xác cao nhất được dùng trong các máy khối phổ phân giải cao (HR-MS).
Bộ phân tích tứ cực gồm 4 thanh kim loại có tiết diện tròn hay hyperbol đặt
song song với nhau dài khoảng 100 - 200 mm. Một điện thế một chiều không đổi
được điều biến bởi điện thế tần số radio được áp lên tứ cực tạo nên một điện
trường trong tứ cực. Dưới tác động của điện trường, chỉ có những ion nhất định
bay dọc theo tứ cực đi tới detector. Các ion khác quỹ đạo bị lệch và va vào các
thanh tứ cực hoặc bay ra ngoài. Thay đổi dòng điện tần số radio trên tứ cực sẽ lần
lượt cho phép các ion khác nhau bay vào detector và được ghi nhận thành phổ.
Bẫy ion có cấu tạo gồm một điện cực vòng với mặt trong có dạng hyperbol và
hai điện cực chỏm nằm ở hai đầu trống của điện cực vòng cũng có dạng hyperbol.
Bằng cách thay đổi điện thế các điện cực, người ta có thể điều khiển được quỹ đạo
của các ion trong bẫy. Tuy nhiên, khác với tứ cực, các ion khi đi vào bẫy ion sẽ bị
giữ tại đó bởi điện trường nếu điện thế của điện cực vòng và 2 điện cực chỏm
không khác nhau. Thay đổi điện thế và tần số của điện cực vòng sẽ lần lượt quét
các ion ra khỏi bẫy đi tới detector để ghi nhận thành phổ. Thay đổi thế của hai điện
cực chỏm sẽ giữ lại một hay một vài ion nhất định trong bẫy (trong chế độ chọn lọc
ion) hay gia tốc các ion (trong chế độ MS nhiều lần).
Tứ cực và bẫy ion cho phép phân tích các chất có m/z tới 5000. Độ chính xác
khối của tứ cực và bẫy ion không cao (0,1 đơn vị khối) nhưng nhỏ gọn, đơn giản,
dễ sử dụng và rẻ tiền hơn nên được áp dụng nhiều trong các hệ LC-MS.
Một cách khác để tách các ion ra khỏi hỗn hợp là dựa vào vận tốc của các ion. Ở
cùng một mức năng lượng, vận tốc của ion phụ thuộc vào khối lượng của ion. Phân
tử càng nhẹ vận tốc càng lớn. Đo lường thời gian để ion từ điểm xuất phát bay tới
detector sẽ tính ra được khối lượng của ion. Do vậy, kỹ thuật này được gọi là xác

định thời gian bay của ion (TOF). TOF có độ phân giải tương đối cao (tới 20.000),
với số khối chính xác hơn (tới 0,0001). Khoảng phân tích khối của TOF là không
giới hạn, rất hữu dụng cho việc phân tích các đại phân tử.
Một kỹ thuật mới để phân tích khối là cộng hưởng bằng gia tốc ion - biến đổi
Fourier (FT-ICR). Các ion được giữ trong một buồng cộng hưởng dưới một từ
trường mạnh ở bên và một điện trường theo hướng trục. Giống như trong cộng
hưởng từ hạt nhân, tất cả các ion trong buồn được kích thích bởi một xung tần số
radio băng rộng (10 KHz - 1 MHz). Các ion sẽ hấp thu năng lượng phù hợp để
cộng hưởng. Các ion cùng loại khi hấp thu năng lượng (cộng hưởng) chuyển động
đồng nhất tạo ra một tần số nhất định phụ thuộc vào m/z. Tất cả các tần số của các
ion tạo ra sẽ được ghi nhận dưới dạng các dao động cảm ứng tự do tắt dần theo
thời gian và sau đó được biến đổi Fourier để trở thành dạng phổ khối truyền thống.
FT-ICR có độ phân giải và độ chính xác khối rất cao (tới 1 ppm), khoảng phân tích
khối rộng (hiện nay là m/z tới 10.000). Độ nhạy của FT-ICR cũng rất cao, giới hạn
phát hiện có thể đạt tới mức attomole. Khi phối hợp với ESI, FT-ICR có thể phân
tích các protein tới 15.000 đơn vị khối.
Ngoài các kỹ thuật phân tích khối đã nêu trên, còn có các loại khác đã hoặc
đang được phát triển như bẫy quỹ đạo (orbital trap) hay dựa trên tính linh động của
ion (ion mobility) và các kỹ thuật lai hay kết hợp giữa các loại trên.
Có các loại thiết bị chính như sau:
• Thiết bị phối khổ hội tụ đơn hoặc còn gọi là khối phổ hình quạt hay lệch từ
•Thiết bị khối phổ hội tụ kép
• Thiết bị khối phổ tứ cực
• Thiết bị khối phổ TOF
• Thiết bị khối phổ thời gian bay
4. 1.Khối phổ kế hội tụ đơn:
Thông thường nhất là dùng thiết bị từ trường hình quạt(Sector-Field
Spectrometer)
Hình 9:Sơ đồ khối phổ kế hội tụ đơn
Các ion trước khi ra khỏi buồng ion đã được tăng tốc nhờ một điện trường có

thế U, sẽ đi qua một nam châm hình ống có từ trường H. Khi chuyển động trong từ
trường này, các ion sẽ chuyển động theo một hình vòng cung có bán kính r .Độ lớn
của bán kính r bằng :
r = [(2mU/e)
1/2
]/H
Suy ra: (m/e)=(H
2
r
2
)/2U
Như vậy với một giá trị U và H nhất định thì số khối m/e tỷ lệ với bán kính r.
Nhìn biểu thức trên thấy rõ các ion có số khối khác nhau sẽ được tách ra khỏi nhau
do bán kính r của vòng cung chuyển động của chúng khác nhau và hứng trên kính
ảnh. Máy hội tụ đơn có độ phân giải thấp (1000-5000).
Hình 10: Thiết bị khối phổ hội tụ đơn
4.2.Khối phổ kế hội tụ kép
Để máy có độ phân giải cao (10.000-100.000) người ta đã chế tạo bộ tách ion
gồm một điện trường và một từ trường đặt cạnh nhau. Các ion trước khi đi qua từ
trường hình quạt, sẽ đi qua một điện trường tĩnh để tách biệt nhau một lần nữa
Đối với bộ phân tách điện trường và từ trường cặp đôi định hướng các ion.
Chỉ cho phép các ion có cùng m/z và có cùng động năng vào đầu dò, do vậy mủi
khối phổ rất hẹp, độ phân giải cao.
Như các máy phân giải kém không thể phân biệt được CO
+
, C
2
H
4
+

, N
2+
nhưng
với máy có độ phân giãi cao có thể dể dàng phân biệt được CO
+
( 29,9949), N
2+

(28,0062), C
2
H
4
+
(28,0312)
Hình 11:Khối phổ kế hội tụ kép
4.3.Khối phổ kế tứ cực
Một bộ lọc khối tứ cực bao gồm bốn thanh kim loại song song sắp xếp như
trong hình. Hai thanh đối diện có điện thế dương ứng với +(U + V.cos (wt)) và hai
thanh khác có tiềm năng - (U + V.cos (wt)), trong đó U là một điện thế một chiều
và V.cos (wt) là một điện thế xoay chiều.
Điện thế đặt vào ảnh hưởng đến quỹ đạo bay của các ion trong không gian trung
tâm giữa bốn thanh.
Hình 12:Khối phổ kế tứ cực
Ứng với một thế DC và AC cho trước , chỉ có các ion có tỷ lệ m/z tương thích
mới có thể bay, di chuyển đến detector và được nhận biết. Các ion khác bị ném ra
khỏi quỷ đạo ban đầu của chúng.
Quang phổ khối lượng thu được bằng cách thay đổi thế của U và V hoặc giử U
và V nhưng lại thay đổi W. Như vậy các ion mang tỷ lệ m/z khác nhau sẽ lần lượt
đến detector và được ghi nhận.
Độ phân giải phổ kế tứ cực thông thường đạt từ 500- 1000, muốn nâng cao độ

phân giãi Rs có thể nối 2-3 tứ cực với nhau lúc đó có thể đạt 20.000.