Bài giảng các phương pháp phân tích công cụ

PHẦN 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
CHƯƠNG 1: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH ĐO QUANG
I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHUNG CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP PHÂN
TÍCH ĐO QUANG
Theo nguyên tắc chung, để xác định một chất bất kì, ta có thể tìm cách đo
một tính hiệu bất kì có quan hệ trực tiếp hoặc gián tiếp với chất đó. Phương pháp
phân tích đo quang có nhiệm vụ nghiên cứu cách xác định các chất dựa trên việc
đo đạc những tín hiệu bức xạ điện từ và tác dụng tương hỗ của bức xạ này với chất
nghiên cứu.
Các phương pháp phân tích đo quang cổ điển chỉ mới dựa trên quan hệ của
những ánh sáng khả kiến – VIS (tức là vùng bức xạ nhạy cảm với mắt người có
bước sóng 400 – 700 nm) với chất nghiên cứu nên vẫn thường được gọi là phương
pháp so màu. Ngày nay, phương pháp phân tích đo quang đã đực dùng để khảo sát
cả một vùng bức xạ điện từ rộng lớn từ tử ngoại (có vùng bước sóng từ 10 nm)
đến hồng ngoại (10
-2
cm), và có thể tới các vùng có bước sóng bé hơn nữa (như ở
các phương pháp phổ tia X và tia
γ
) hoặc các vùng có bước sóng lớn hơn nữa
(như ở các phương pháp cộng hưởng spin – electron – miền sóng viba – và cộng
hưởng từ hạt nhân)
1. ĐẶC TÍNH CỦA BỨC XẠ ĐIỆN TỪ
Như đã biết, ánh sáng có thể được mô tả theo tính chất sóng và theo tính
chất hạt. Khi mô tả tính chất sóng của ánh sáng ta thường dùng các thuật ngữ
bước sóng và tần số . Bức xạ điện từ mô tả theo tính chất sóng có thể được hình
dung như một tổ hợp của một trường dao động điện E và một từ trường M vuông
góc với nhau và chuyển động với một vận tốc không đổi ở một môi trường nhất
1
định. Trong chân không thì vận tốc này chính là vận tốc của ánh sáng. Có thể hình
dung tính chất sóng của ánh sáng như hình bên dưới.

Bước sóng
λ
là khoảng cách giữa hai đỉnh sóng kề nhau. Bước sóng có thể
được biểu diễn bằng số centimet, nhưng với các bước sóng bé người ta hay dùng
đơn vị nanomet (nm, 1nm = 10
-9
m hay 10
-7
cm) hoặc đơn vị angstrom,
0 0
10 8
A(1A 1/10nm 10 m 10 cm)
− −
= = =
Tần số
ν
là số lần đếm được đỉnh sóng đi qua một khoảng không gian nhất
định trong một đơn vị thời gian khi quan sát viên ngồi ở một vị trí nào đó. Đơn vị
của tần số là hec (Hz) biểu thị số pic đi qua mỗi giây. Giữa bước sóng và tần số có
mối quan hệ sau đây :
Bước sóng
λ
(cm/pic) x tần số
ν
(pic/s) = vận tốc (cm/s)
Như vậy bước sóng và tần số tỉ lệ nghịch nhau.
Ngoài bước sóng
λ
và tần số
ν

người ta còn dùng một đơn vị khác nhau là
số sóng. Đây là số nghịch đảo của bước sóng (1/
λ
) được biểu diễn bằng đơn vị
nghịch đảo của centimet (cm
-1
). Như vậy số sóng tỉ lệ thuận với tần số và được kí
hiệu là
ν
.
Tính chất hạt của ánh sáng được mô tả dưới dạng những đơn vị năng lượng
mang tên photon. Năng lượng của một photon gắn liền với một sóng điện từ tỉ lệ
thuận với tần số của sóng. Nếu kí hiệu năng lượng là E thì ta có hệ thức :
2
Hình 1: Tính chất sóng của ánh sáng
E h= ν
Trong đó h là hằng số tỉ lệ (hằng số Planck) có giá trị bằng 6,63.10
-34
J.s
hoặc 6,63.10
-27
ec-s
Như vậy, năng lượng biểu thị hằng số jun hoặc ec đối với mỗi photon. Mỗi
mol photon được gọi là là Einstein có năng lượng bằng Nhv trong đó N là số
Avogadro. Đương nhiên cách biểu thị này phải dựa trên giả thiết là mọi photo đều
phải có cùng tần số và các photon này được gọi là “đơn sắc” (vì chúng có cùng
bước sóng nên mới có cùng tần số).
Tương tác của bức xạ điện từ với một chất có thể được thể hiện một cách
đại cương ở hai quá trình: quá trình hấp thụ, trong trường hợp bức xạ điện từ tới từ
nguồn bị chất nghiên cứu hấp thụ và cường độ bức xạ sẽ bị giảm đi, và quá trình

phát xạ, trong trường hợp chất nghiên cứu cũng phát ra bức xạ điện từ và vì vậy sẽ
làm tăng cường độ bức xạ phát ra từ nguồn.
Quá trình hấp thụ thường xảy ra khi phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái
năng lượng điện từ thấp nhất (trạng thái cơ bản) nên có khả năng hấp thụ năng
lượng của bức xạ điện từ. Còn khi chất nghiên cứu lại chứa những phân tử ở trạng
thái kích thích thì những phân tử này có thể trở lại trạng thái cơ bản và khi đó sẽ
phát ra bức xạ điện từ khiến cho cường độ bức xạ điện từ tăng lên trong quá trình
phát xạ.
2. PHỔ ĐIỆN TỪ
Phổ điện từ bao gồm khoảng lớn các bước sóng từ < 0,05
0
A
(bức xạ tia X)
đến > 300 mm (sóng vô tuyến). trong phạm vi ứng dụng phổ biến ở các phòng thí
nghiệm người ta thường chỉ nghiên cứu phổ điện từ bắt đầu từ miền tử ngoại gần
(có bước sóng trong khoảng 180 – 350 nm) qua miền khả kiến (có bước sóng
trong khoảng 350 – 770 nm) đến miền hồng ngoại gần (770 – 2500 nm). Chỉ trong
những trường hợp cá biệt và tùy khả năng thực tế về cơ sở vật chất cũng như tùy
yêu cầu khoa học mà người ta mới có thể áp dụng các phương pháp phổ ở các
3
miền tia
γ
, tia X hoặc ở các miền vi ba và sóng vô tuyến. Dưới đây giới thiệu cụ
thể về các miền phổ điện từ
Về nguyên tắc thì việc phân tích ở miền phổ nào cũng có quá trình thực
hiện tương tự nhau nhưng các phương pháp thực nghiệm thì có thể khác nhau rất
nhiều và nội dung thông tin thu được cũng rất khác nhau.
3. PHỔ HỒNG NGOẠI - INFRARED SPECTROSCOPY
3.1. Sơ lược về phổ hồng ngoại:
Vùng bức xạ hồng ngoại (IR) là một vùng phổ bức xạ điện từ rộng nằm giữa

vùng nhìn thấy và vùng vi ba; vùng này có thể chia thành 3 vùng nhỏ:
- Near-IR 400-10 cm
-1
(1000- 25 μm)
- Mid-IR 4000 - 400 cm
-1
(25- 2,5μm)
- Far-IR 14000- 4000 cm
-1
(2,5 – 0,8μm)
Vùng này cung cấp cho ta những thông tin quan trọng về các dao động của các
phân tử, từ đó cho biết các thông tin liên quan đến cấu trúc của các phân tử đó.
4
Thông thường đơn vị của bước sóng được sử dụng trong phổ hồng ngoại là µm
( 1 µm = 10
- 4
cm) và thay cho tần số (Hz), người ta sử dụng đơn vị là số sóng:

Phổ hấp thụ hồng ngoại là phổ dao động quay khi hấp thụ bức xạ hồng ngoại
thì cả chuyển động dao động và chuyển động quay của phân tử đều bị kích thích.
Khi phân tích quang phổ hồng ngoại, ngoài việc xem xét tần số vân phổ còn
phải chú ý tới cường độ và hình dạng của vân phổ. Phổ hồng ngoại thường được
ghi dưới dạng đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của phần trăm truyền qua
(100.I/I
0
) vào số sóng (
υ
). Sự hấp thụ của các nhóm nguyên tử được thể hiện bởi
những vân phổ với các đỉnh phổ ở các số sóng xác định gọi là tần số.
Để có thể hấp thụ bức xạ hồng ngoại, phân tử đó phải đáp ứng các yêu cầu sau:

+ Độ dài sóng chính xác của bức xạ: một phân tử hấp thụ bức xạ hồng ngoại
chỉ khi nào tần số dao động tự nhiên của một phần phân tử (tức là các nguyên tử
hay các nhóm nguyên tử tạo thành phân tử đó) cũng là tần số của bức xạ tới.
+ Một phân tử chỉ hấp thụ bức xạ hồng ngoại khi nào sự hấp thụ đó gây nên
sự biến thiên momen lưỡng cực của chúng. Khi phân tử lưỡng cực được giữ trong
một điện trường, trường đó sẽ tác dụng các lực lên các điện tích trong phân tử -
Các điện tích ngược nhau sẽ chịu các lực theo chiều ngược nhau, điều đó dẫn đến
sự tách biệt 2 cực tăng hoặc giảm. Vì điện trường của bức xạ hồng ngoại làm thay
đổi độ phân cực của chúng một cách tuần hoàn, khoảng cách giữa các nguyên tử
tích điện của phân tử cũng thay đổi một cách tuần hoàn. Khi các nguyên tử tích
điện này dao động, chúng hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Nếu vận tốc dao động của
các nguyên tử tích điện trong phân tử lớn, sự hấp thụ bức xạ mạnh và sẽ có đám
phổ hấp thụ mạnh, ngược lại nếu vận tốc dao động của các nguyên tử tích điện
trong phân tử nhỏ, đám phổ hấp thụ hồng ngoại yếu. Theo điều kiện này thì các
phần tử có 2 nguyên tử giống nhau sẽ không xuất hiện phổ dao động. Ví dụ O
2
, N
2
v.v… không xuất hiện phổ hấp thụ hồng ngoại.
5
3.2. Ứng dụng của phổ hồng ngoại:
Trong hóa hữu cơ phổ IR dung nhận biết các nhóm chức có trong phân tử.
Trước khi ghi phổ hồng ngoại, nói chung ta đã có thể có nhiều thông tin về hợp
chất hoặc hỗn hợp cần nghiên cứu, như: trạng thái vật lý, độ tan, điểm nóng chảy.
Nếu có thể thì cần biết chắc mẫu là chất nguyên chất hay hỗn hợp. Sau khi ghi phổ
hồng ngoại, nếu chất nghiên cứu là hợp chất hữu cơ thì trước tiên nghiên cứu vùng
dao động co giãn của H để xác định xem mẫu thuộc loại hợp chất nào vòng thơm
hay mạch thẳng… Sau đó nghiên cứu các vùng tần số nhóm để xác định phân tử
có hay không có các nhóm chức. Nhưng trong nhiều trường hợp việc đọc phổ (giải
phổ) và tìm các tần số đặc trưng không đủ để nhận biết một cách toàn diện về chất

nghiên cứu.
Trong hóa phân tích phổ IR ứng dụng để phân tích định lượng.
3.3. Kỹ thuật thực nghiệm:
3.3.1. Nguyên lý máy đo phổ hồng ngoại
Hình 2 trình bày sơ đồ nguyên lý một máy đo phổ hồng ngoại kiểu hai
chùm tia. Nguồn bức xạ (1) phát ra chùm tia hồng ngoại với mọi tần số trong vùng
cần đo. Chùm tia này được tách thành hai phần: đi qua mẫu (2) và đi qua môi
trường đo (dung môi chẳng hạn (2’)) rồi đến bộ tạo đơn sắc (3). Bộ tạo đơn sắc
tách từng tần số để đưa qua bộ phận “phân tích” gọi là detector (4). Detector sẽ so
sánh cường độ hai chùm tia (một đi qua mẫu và một đi qua môi trường đo) để cho
ra những tính hiệu điện có cường độ tỷ lệ với phần bức xạ bị hấp thụ bởi mẫu, bút
tự ghi (5) được chỉ huy bởi tín hiệu điện do detector cung cấp sẽ ghi lại sự hấp thụ
bức xạ của mẫu (thường dưới dạng đường cong sự phụ thuộc phần trăm bức xạ
truyền qua vào số sóng, cm
-1
) (6).

6
*
(1)
(2)
(2')
(3)
(4)
(5)
(6)
Hình 2. Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại hai chùm tia.
Nếu mẫu là chất lỏng hay là dung dịch nó được chứa trong dụng cụ gọi là
cuvet. Cuvet này có một “cửa sổ” để cho chùm tia hồng ngoại đi qua. Cửa sổ này
làm từ vật liệu trong suốt đối với vùng hồng ngoại nguyên cứu. Các chất thường

làm cửa sổ đó thường là: NaCl, CaF
2
, AgCl…Bộ tạo đơn sắc (3) trước đây thường
dùng lăng kính chế tạo từ NaCl, LiF hoặc CaF
2
. Ngày nay người ta thay bằng cách
tử nhiễu xạ để tăng độ phân giải và dễ bảo quản.
Các máy phổ hồng ngoại thế hệ mới được chế tạo theo kiểu biến đổi Furiê
(Fourier) (Fourier Transformation Infrared Spectrophotometer = FTIR
Spectrophotometer).
Ở máy đo hồng ngoại biến đổi Fourier người ta không dùng bộ tạo đơn sắc
mà dùng bộ tạo giao thoa (giao thoa kế) gồm từ một gương cố định, gương di
động và bộ phận chia chùm sáng. Bức xạ hồng ngoại sau khi ra khỏi giao thoa kế
sẽ đi qua mẫu rồi đến detector. Detector ghi nhận sự biến đổi cường độ của bức xạ
theo quãng đường d mà gương di động thực hiện được rồi chuyển thành tín hiệu
điện. Khi đó thu được tín hiệu dưới dạng hàm của điện thế V theo quãng đường, V
= f(d). Computer sẽ thực hiện phép biến đổi Fourier để chuyển hàm V = f(d) thành
hàm của cường độ bức xạ I theo nghịch đão của quãng đường d (tức d
-1
).

V = f(d) I = f(d
-1
)
7
Biến đổi Fourier
FT

Vì d
-1

chính là số sóng
υ
, do đó thực chất ta đã có hàm sự phụ thuộc của cường độ
bức xạ vào số sóng. Bút tự ghi sẽ cho ra phổ có dạng giống như các phổ thu được
từ máy phổ thế hệ cũ.

o
2
3
5
4
1
6
7
8
Hình 3. Sơ đồ nguyên lý máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier.
1-Nguồn sáng, 2-Gương cố định, 3-Gương di động, 4-Bộ phận chia chùm sang,
5-Mẫu, 6-Detector, 7-Computer, 8-Bút tự ghi.
Máy phổ hồng ngoại biến đổi Fourier có ưu điểm hơn hẳn máy phổ hồng
ngoại thường; việc dùng giao thoa kế cho phép làm khe sáng rộng hơn do đó
lượng ánh sáng thu được trên giao thoa kế sẽ lớn hơn nhiều so với trên bộ tạo đơn
sắc ở máy phổ thế hệ cũ; Nhờ nguyên lý hoạt động mới mày phổ hồng ngoại biến
đổi Fourier giảm được nhiễu, làm tăng tín hiệu. Do sử dụng computer nên việc đo
phổ được tự động hóa ở mức độ cao, ngoài ra phổ còn được lưu trữ và đối chiếu
với các phổ của các chất có trong thư viện của máy.
8
Trong quá trình làm việc, thang tần số của máy phổ hồng ngoại có thể bị xê
dịch. Vì vậy, cần phải thường xuyên kiểm tra, điều chỉnh bằng cách sử dụng các
chất chuẩn như polistiren, amoniac hoặc hơi nước.
 Một số loại máy đo phổ hồng ngoại:

Model: FT- IR 4200 Model: Resolution Pro
Hãng sản xuất Jasco-Nhật Nhà sản xuất Varian Mỹ
3.3.2. Chuẩn bị mẫu đo phổ hồng ngoại
Người ta có thể đo phổ các chất ở thể hơi, thể lỏng tinh khiết, trong dung dịch
hoặc trạng thái rắn.
Ở thể hơi: hơi được đưa vào một ống đặc biệt có chiều dài khoảng 10 cm, hai
đầu ống được bịt bằng tấm NaCl.
Ở thể lỏng tinh khiết: một giọt nhỏ chất lỏng được ép giữa hai tấm NaCl
phẳng để có một màng mỏng bề dày 0,01 – 0,1 mm.
Trong dung dịch: hòa tan chất nghiên cứu vào dung môi thích hợp. Đưa dung
dịch vào cuvet với bề dày 0,1 – 1mm có cửa sổ bằng NaCl. Cuvet thứ hai giống
hệt cuvet thứ nhất nhưng chứa dung môi nguyên chất. Khi chọn dung môi cần lưu
ý một số điểm sau đây: mọi dung môi đều hấp thụ bức xạ hồng ngoại. Nhờ so sánh
hai chùm tia đi qua dung dịch và qua dung môi người ta có thể loại được vân hấp
thụ của dung môi. Nhưng khi dung môi hấp thụ trên 65% bức xạ chiếu vào nó thì
không thể ghi được phổ hồng ngoại và không còn đủ lượng bức xạ cần thiết.
Những dung môi thường được dùng là: CCl
4
, CHCl
3
, CS
2
Cũng cần phải kể đến
độ dày của cuvet. Chẳng hạn ở cuvet với bề dày 0.1 mm được coi là trong suốt từ
9
4000-820 cm
-1
, và 720-650 cm
-1

, nhưng ở cuvet với bề dày 1 mm nó hấp thụ đáng
kể ở 1600-1550, 1270-1200 và 1020-960 cm
-1
. Cửa sổ của cuvet thường làm bằng
NaCl do đó hạn chế việc nghiên cứu các dung dịch nước. Người ta cũng có thể
khắc phục bằng cách dùng cửa sổ làm từ CaF
2
hoặc AgCl.
Ở thể rắn: nghiền mẫu nhỏ rồi sau đó trộn mẫu với dầu parafin (Nujol) hoặc
trộn mẫu với bột KBr rồi ép (phương pháp ép KBr). Theo phương pháp ép KBr,
mẫu được trộn với bột KBr khan, nghiền nhỏ, cho vào cối ép thành một màng
mỏng có chiều dày 0,1mm rồi đặt vào cuvet để ghi. Lượng mẫu cần 2-5g.
3.4. HẤP THỤ HỒNG NGOẠI CỦA CÁC HỢP CHẤT HỮU CƠ
3.4.1. Tần số đặc trưng nhóm
Theo quan niệm dao động nhóm, những nhóm nguyên tử giống nhau trong
các phân tử có cấu tạo khác nhau sẽ có những dao động định vị thể hiện ở những
khoảng tần số giống nhau. Những tần số ứng với các dao động nhóm rất có ích
trong việc nhận ra các nhóm nguyên tử trong phân tử vì vậy được gọi là tần đặc
trưng nhóm.
Hầu hết các nhóm nguyên tử trong các hợp chất hữu cơ hấp thụ ở vùng 4000-
650 cm
-1
.
Vùng phổ từ 1500 – 4000 cm-1 chứa các vân hấp thụ của hầu hết các nhóm
chức như OH, NH, C=O, C=N, C=C… nên được gọi là vùng nhóm chức. Vùng
phổ dưới 1500 cm
-1
phức tạp hơn và thường dùng để nhận dạng toàn phân tử hơn
là xác định các nhóm chức của nó. Ở vùng này có các dao động biến dạng của các
liên kết đơn C-H, C-C…và các dao động hóa trị của các liên kết đơn C-C, C-N,

C-O… tương tác mạnh giữa các dao động dẫn đến kết quả là rất nhiều dao động
“khung” là đặc trưng cho chuyển động của cả đoạn phân tử chứ không thuộc riêng
một nhóm nguyên tử nào. Vì thế vùng phổ dưới 1500cm
-1
được gọi là vùng “vân
ngón tay”.

10
Biểu đồ tương quan về tần số hấp thụ hồng ngoại của một số nhóm chức (phần
tô đen ứng với các tần số tương đối xác định)
11
3.4.2. Ví dụ phổ hồng ngoại của một số hợp chất hữu cơ
Phổ hồng ngoại của oct-1-ene:
12
Phổ hồng ngoại của phenylacetylene
13
Phổ hồng ngoại của m-cresol
14
Phổ hồng ngoại của N-methylaniline
15
CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ
MASS SPECTRUM
I. PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ
Khối phổ là một công cụ phân tích được sử dụng để đo khối lượng phân tử
của một mẫu. Đối với những mẫu lớn như phân tử sinh học, khối lượng phân tử có
thể đo được để trong độ chính xác 0,01% tổng khối lượng phân tử của các ví dụ
mẫu trong vòng có 4 Dalton (Da: đơn vị cacbon), đơn vị khối lượng nguyên tử
(amu) cho một mẫu của 40.000 Da. Điều này là đủ để cho phép thay đổi khối
lượng nhỏ được phát hiện, ví dụ: sự thay thế của axit amin một nhóm khác.
Đối với các phân tử hữu cơ nhỏ khối lượng phân tử có thể đo được để trong

một độ chính xác của 5 ppm hoặc ít hơn, mà thường là đủ để xác nhận công thức
phân tử của hợp chất là một, và cũng là một yêu cầu tiêu chuẩn để công bố trên
một tạp chí hóa học
Kết cấu thông tin có thể được tạo ra bằng cách sử dụng một số loại quang
phổ kế khối lượng, thường là những người có nhiều phân tích được biết đến như
quang phổ kế khối song song. Điều này đạt được bằng cách phân mảnh các mẫu
trong các dụng cụ và phân tích các sản phẩm tạo ra. Thủ tục này rất hữu ích cho sự
giải thích cấu trúc của các hợp chất hữu cơ và cho peptide hoặc trình tự
oligonucleotide.
II. KHỐI PHỔ KẾ
Khối phổ kế là thiết bị chuyên dùng dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng trên điện
tích ion
Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, bao gồm:
• 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)
16
• 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.

III. VÍ DỤ VỀ CÁCH HOẠT ĐỘNG
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.
17
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.
Hình 4: Khối phổ của phân tử tử Kaempferol-rhamnose-rhamnose-glucose
(m/z 741)
18
CHƯƠNG 3: PHỔ CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE SPECTROSCOPY
(NMR)
Hơn năm mươi năm trở lại đây máy cộng hưởng từ hạt nhân (nuclear
magnetic resonance), thường gọi là NMR, đã trở thành công nghệ ưu việt cho việc
xác định cấu trúc của các hợp chất hữu cơ. Trong tất cả các phương pháp phổ
nghiệm, duy nhất NMR một loại công cụ phân tích đầy đủ và sự giải thích trọn
vẹn phổ như được mong đợi. Mặc dù số lượng lớn các mẫu cần thiết phải đo phổ
khối và cùng với các dụng cụ hiện đại có thể thu được các dữ liệu tốt từ mẫu có
trọng lượng ít hơn một milligram. Ngày nay máy quang phổ NMR hoạt động với
các tầng số 100, 200, 400, 500 và ngay cả 800 và 900MHz, tương ứng với cường
độ từ trường 2.3, 4.6, 9.4;…hay 18.8 T…Ứng dụng máy NMR để đo cấu trúc của

hợp chất hữu cơ cần máy 100 - 500 MHz.
I. MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN NMR
1. GIỚI THIỆU MÁY CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN
1.1. Hiện tượng cộng hưởng từ hạt nhân
Khi mẫu chất khảo sát có chứa những hạt nhân mang từ tính được
đặt vào giữa hai cực của một nam châm mạnh hạt nhân
1
H hoặc hạt nhân
13
C định
hướng song song cùng chiều hoặc ngược chiều với từ trường của nam châm. Nếu
hạt nhân này được chiếu bởi một bức xạ điện từ thích hợp, sẽ có sự hấp thu năng
lượng sẽ xảy ra và lúc đó spin trạng thái năng lượng thấp sẽ nhảy chuyển lên spin
trạng thái cao hơn. Khi có hiện tượng nhảy spin như thế, người ta nói là hạt nhân
đã có sự cộng hưởng với bức xạ chiếu vào, từ đó có tên gọi là cộng hưởng từ hạt
nhân.
1.2. Cấu tạo gồm có 6 bộ phận
+ Một nam châm
19
Hình 5: Máy cộng hưởng từ hạt nhân
+Máy chỉnh cường độ từ trường
+Máy phát sóng radio
+Máy thu ghi nhận sự hấp thu năng lượng song radio của mẫu chất khảo sát
+Máy ghi nhận cộng hưởng và chuyển thành đồ thị (phổ NMR)
1.3 Nguyên tắc hoạt động và kỹ thuật thực nghiệm
- Phần quan trọng nhất trong phổ kế NMR là nam châm từ (magnet), bộ
phận phát sóng radio (radio frequency, rf) và bộ phát hiện (detector). Hợp chất
được nghiên cứu được đựng trong ống đựng mẫu - ống thủy tinh dài khoảng 15 cm
và có đường kính khoảng 5 mm – đặt trong từ trường ngoài Bo. Bộ phận phát song
radio tạo ra rf và tín hiệu kích thích được phát hiện qua bộ phận thu (receiver), sau

khi khuếch đại (amplier) và chuyển qua mặt phẳng x-y, phổ NMR có thể ghi lại
(record) và tần số cộng hưởng có thể đo.
- Hai kỹ thuật thực nghiệm NMR có giá trị là CW và FT
+ CW là máy quét sóng liên tục (continuous wave) có nghĩa là trong
suốt quá trình đo phổ NMR tần số υ của rf thay đổi liên tục.
20
+ FT là máy biến đổi Fourier (Fourier transformation) trong đó sự kích
thích hạt nhân xuyên qua một xung động rf, một trường rf mạnh (~50 Watt) trong
khoảng thời gian ngắn (5 – 10 µs).
1.4. Phép đo phổ
Phổ CW bây giờ chỉ dung để đo phổ 1H với mẫu 50 mg hay nhiều
hơn đối với hỗn hợp phản ứng để xác định sơ bộ lượng sản phẩm. Phổ FT được
lấy dung với lượng mẫu ít hơn cũng như cho độ chính xác và độ phân giải cao,
thong thường đophổ 13C cần 50-100 mg bây giờ chỉ cần 1-10 mg. tuy vậy lúc đó
cần nhiều xung (pulse, scan) hơn, với phổ 1H cần ít hơn 0.1 mg nếu khối lượng
phân tử chất khảo sát lớn hơn vài trăm. Mẫu được làm tinh khiết (trên 95%) khan
và không chứa dung môi (chứa H) bằng cách hút chân không khoảng hơn một
ngày. Mẫu được hòa tan trong một dung môi, thích hợp nhất là các dung môi
không cho tín hiệu hoặc tín hiệu nằm ngoài vùng tín hiệu chất khảo sát NMR. Các
dung môi thường dungflaf CCl
4
, CDCl
3
, d
6
-DMSO [(CD
3
)
2
SO] và D

2
O, sự lựa
chọn dung môi được xác định bởi độ tan của chất cần khảo sát. Dung dịch được
cho hoàn toàn vào ống tròn, đường kính khoảng 5 mm, chiều cao dung dịch
khoảng 2-3 cm. Dung dịch phải không chứa tạp chất thuận từ và chất không tan,
cũng như không nhớt, nếu không phổ cho độ phân giải kém. Sau đó cho TMS
(tetramethylsilan) vào dung dịch làm chất chuẩn có độ dịch chuyển hóa học bằng
0. Ống dung dịch được cho vào máy NMR nằm trong cuộn xoắn giữa hai cực nam
châm. Cuộn xoắn nối với bộ phận phát rf và bộ phận nhận. Nam châm được bật
lên đến mức đồng nhất cao nhất có thể và ống đựng dung dịch được quay khoảng
30 vòng/giây xung quanh trục thẳng đứng để cải thiện hiệu quả đồng nhất. Phổ
được lấy dung các thiết bị kiểm soát với các núm xoay tiếp xúc với thiết bị CW
hay gắn với máy tính đối với máy FT sau đó phổ có thể chỉnh sữa và in.
2. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NMR
2.1 Tần số máy
Nếu năng lượng giữa các trạng thái spin thấp, trạng thái m = -1/2 sẽ ưu tiên
được chiếm và theo điều kiện của tần số Bohr, ∆E = hv = 2µ
z
B
o
= γhB
o
21
Hoặc tầng số vô tuyến:
υ = γB
o
/2π
Ví dụ với cường độ từ trường B
o
= 11.7 Tesla ứng với máy NMR 500MHz thường

sử dụng; với các proton γH = 2.675 x 10
8
T
-1
S
-1
Ta có: υ = 2.675 x 10
8
x 11.7/(2x3.14) = 500 x 10
6
Hz = 500MHz
Tần số υ là tần số Larmor, đó cũng chính là tần số quay của nhân quanh trục từ
trường B
o
ứng với một nhân xác định.
Bảng υ (MHz) - B
o
(Tesla)
Bo 1.4 1.9 2.3 4.7 7.1 11.7 14.1
υ
1
H 60 80 100 200 300 500 600
υ (
13
C) 15.1 20.1 25.1 50.3 75.5 125.7 151
2.2 Độ dịch chuyển hóa học
Trên phổ đồ, tại một vị trí mà một hạt nhân hấp thu năng lượng để có hiện
tượng cộng hưởng được gọi là độ dịch chuyển hóa học.
Phổ NMR được chia theo đơn vị delta (δ). Một đơn vị delta bằng 1 phần
một triệu (ppm) của tần số hoạt động máy NMR.

Độ dịch chuyển hóa học được tính theo công thức :
δ (ppm) = (Độ dịch chuyển hóa học quan sát, tính từ TMS (Hz)/(tần số máy)
Như vậy độ dịch chuyển hóa học không thay đổi ứng với các máy NMR có
tần số hoạt động khác nhau. Máy NMR có tần số lớn sẽ cho các peak xa nhau dễ
khảo sát hơn.
Độ dịch chuyển hóa học của phổ
1
H: 0 – 14 ppm
Độ dịch chuển hóa học của phổ
13
C: 0 – 220 ppm
22
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dịch chuyển hóa học: liên kết hydro, nhiệt độ,
dung môi, tần số máy,…
2.3 Hằng số ghép cặp
Giả sử có n số proton tương đương Ha ở kề bên m số proton tương đương
Hb thì hai proton này ghép từ nhau và trên phổ
1
H-NMR thấy proton H
a
cho tín
hiệu là mũi đa, có tất cả m+1 mũi; proton H
b
cho tín hiệu mũi đa, có tất cả n+1
mũi (theo quy tắc n+1 trình bày sau). Do hai proton này ghép từ nhau nên khoảng
cách giữa các mũi đa trong các tín hiệu của hai loại proton này sẽ bằng nhau.
Khoảng cáh này gọi là hằng số ghép (coupling constant), ký hiệu J đơn vị Hz.
Cách biểu diễn 2 proton Ha, Hb ghép từ với nhau là J
ab
Ví dụ: với phân tử ethylacetate: CH

3
CH
2
COOCH
3
.
Trên phổ 1H-NMR cho 3 peak (3 nhóm tín hiệu). Nếu khuếch đại các peak thu
được các peak rõ hơn. 3 tín hiệu là Quarlet, singlet, triplet là 3 tín hiệu của CH
3
,
CH
2
, CH
3
. Độ dịch chuyển hóa học của các mũi đa được thể hiện chi tiết trên phổ
đồ:
23
Độ dịch chuyển hóa học của các peak đối với phổ 1
H
NMR của Ethylacetate
như sau:
peak 1 2 3 4 5 6 7 8
δ
(ppm)
4.0899 4.0757 4.0614 4.0471 1.9907 1.2211 1.2068 1.1925
Từ bảng số liệu ta tính được: vị trí peak và hằng số ghép cặp
J = (δ
n
– δ
n-1

) x υ
+ Tại triplet peak 6, 7, 8, peak 7 được chọn làm tín hiệu với δ = 1.2068 (ppm) làm
tròn với hai số lẻ δ = 1.21 ppm
Hằng số ghép cặp J = (δ6-δ7) x 500 = (δ7-δ8) x 500 = 7.15 làm tròn với một số lẻ
J = 7.1 Hz cường độ các peak trong nhóm theo %Int = 1:2:1
+ Tại singlet peak 5 được chọ làm tín hiệu với δ = 1.9907 làm tròn với hai số lẻ δ
= 1.99 ppm
+ Tại quarlet (1,2,3,4) vị trí chính giữa 1-4 hoặc 2-3 được chọn làm peak với δ =
(f1+f4)/2 = (f2+f3)/2 = 4.0685 ppm làm tròn với hai số lẻ δ = 4.07 ppm
Hằng số ghép cặp J = (δ1-δ2) x 500 = (δ2-δ3) x 500 = 7.15Hz làm tròn một chữ số
lẻ J = 7.1 Hz
Cường độ tương đối của các peak trong nhóm theo %Int = 8.4 : 24.8 : 25 : 8.6
Đối với phổ proton NMR của ethylacetate biểu diễn trong các bài báo cáo , bài
viết như sau:
1
H NMR (500 MHz, CDCl
3
) δ 1.21 (3H,t, J=7.1 Hz, CH
3
CH
2
-), 1.99
(3H,s,CH
3
CO
2
-), 4.07 (2H,q,J=7.1 Hz, CH
3
CH
2

-).
II. PHÂN LOẠI
24
1.NMR 1D
Hình ảnh phổ được biểu diễn trên một trục nằm ngang có đơn vị là ppm lấy TMS
làm mốc tại δ = 0 ppm ở phía phải của phổ đồ.
1.1 Phổ
1
H NMR
Phổ
1
H NMR dùng để xác định có bao nhiêu nhóm H trong hợp chất cần khảo sát,
dựa vào độ dịch chuyển hóa học có thể đoán được H được gắn vào vị trí nào của
chất khảo sát. Ngoài ra kết hợp với phổ khối có thể đếm chính xác số H có trong
hợp chất. Đối với phổ
1
H NMR peak dung môi CDCl
3
có độ dịch chuyển hóa học
là 7.26 ppm.
Độ dịch chuyển hóa học của một số nhóm có chưa H trong phổ
1
H NMR như sau:
Nhóm chất CH3,
CH2,CH
bảo hòa
CH3, CH2,
CH bất bảo
hòa có O
C=C Vòng thơm C=O

δ (ppm) 0 - 3 3 – 4.5 4.5 – 6.5 6.5 – 8.5 8.5 – 10
1.2 Phổ
13
C NMR kết hợp phổ DEPT 135, DEPT 90
Phổ 13C NMR cho chúng ta biết số loại C và xác định số C cũng như vị trí của các
C trên cấu trúc hợp chất khảo sát.
Trong số 3 loại cacbon thì -CH
3
, -CH
2
cho peak có cường độ mạnh hơn –CH.
Độ dịch chuyển hóa học của cacbon thường lớn hơn 15-20 lần so với độ dịch
chuyển của proton bởi vì nguyên tử cacbon gần với hydrogen gắn vào nó hơn là
gần một nhóm che chắn (hoặc giảm chắn khác).
Độ dịch chuyển hóa học của các loại C trong phổ 13 C NMR thường nằm trong
các khoảng được trình bày như sau:
Nhóm C CH,CH
2
,CH
3
bảo CH,CH
2
,CH
3
C=C C=O
25