CHUONG 4 TỔNG QUAN KHỐI PHỔ

KHỐI PHỔ
Mass Spectrometry


Khối phổ (MS) là gì?
 Phổ khối lượng, viết tắt là MS (Mass
Spectrometry) là phương pháp phân tích được
ứng dụng rông rãi hiện nay trong hóa học.
 Thiết bị xác định phổ khối lượng (hay còn gọi là
Khối phổ kế) được chế tạo lần đầu tiên vào
năm 1912 (J. Thompson, Anh) nhưng đến năm
1939 mới được hoàn thiện (F.W Aston).


• Nguyên tắc:
Khi cho các phân tử ở trạng thái khí va chạm với 1 dòng
electron có năng lượng cao thì các phân tử sẽ bật ra 1 hay 2
electron và nó trở thành các ion có điện tích +1 (chiếm tỷ lệ
lớn) và +2.
ABC + e → ABC+* + 2e (1)
ABC + e → ABC+2 + 3e (2)
Nếu các ion phân tử tiếp tục va chạm với dòng electron có
năng lượng lớn thì chúng sẽ bị phá vỡ thành nhiều mảnh Ion,
thành các gốc hoặc các phân tử trung hòa khác nhau, được gọi
là quá trình phân mảnh (Framentation), như sau:
ABC+* → A+ + BC*
ABC+* → AB+ + C*
AB+ → A+ + B
• Năng lượng của quá trình phân mảnh khoảng 30 – 100 eV, cao
hơn năng lượng Ion hóa phân tử 8 – 15 eV.

Kỹ thuật cung cấp thông tin về:
1. Khối lượng và công thức phân tử 1 hợp chất
2. MS cùng với NMR và IR cho phép nghiên cứu cấu trúc phân

tử
3. Thành phần định tính và định lượng của một hỗn hợp.
4. Máy MS chuyển các Phân tử thành các ion ở thể khí và tách
chúng theo tỷ số m/z và ghi lại cường độ từng ion, cho một
phổ khối.
5. Phân tích được mẫu rất nhỏ, dạng rắn, lỏng, khí của các chất
PTL nhỏ cỡ (một số Da) tới các protein (cỡ trên 300 000 Da).
6. (Dalton (Da) = amu)


Khối phổ (MS) là gì?

Nguyên lý cơ bản là

• sự tạo thành các ion,
• các ion này được tách hay lọc theo

tỷ lệ m/z (khối lượng/điện tích) của chúng,
• và được phát hiện.


Các thành phần một máy MS
Nạp mẫu
R

Chân không cao

L

Tránh ion PT va chạm với các

phân tử trong không khí

K

Detector
ion

PT khối

Cường độ tín
hiệu
Signal Intensity

Nguồn ion

Phổ Khối

Xử

lý và lưu dữ
liệu
m/z

1. Nguồn ion hoá
 Biến đổi chất phân tích, tạo thành các ion phân
tử (molecule) và các ion mảnh (fragment)
 Hai kỹ thuật chính hay dùng:
• Bắn phá electron (Electron Impact - EI): tạo
ion dùng chùm electron năng lượng cao:
phương pháp “cứng”
• Ion hoá hoá học (chemical ionization -CI)
tạo ion thông qua phản ứng với các ion
thuốc thử: phương pháp “mềm”


1.1. Bắn phá electron (EI)

• Ví dụ: Electron bắn phá methanol:
tạo cation gốc methanol, một ion phân tử:
CH3OH + 1 e-  CH3OH+. + 2 e• Chỉ một số (~0.01%) phân tử chất PT (M) được
ion hoá
• Phần lớn các ion phân tử bị phá thành các mảnh
nhỏ hơn (cation, gốc, phân tử trung hoà nhỏ
hơn)


1.1. Bắn phá electron (EI)

Sợi đốt

+

PT

khối

+

Khu vực
Chùm electron

Gia tốc ion


Bắn phá / ion hoá

e-

Chỉ các mảnh tích
điện được phát hiện

Phân mảnh
70 eV

••

[Mảnh Con]

M+•

M

Mẫu

2e
-

Cation gốc
/ Ion phân tử
[Mẹ]

F1+ +
Mảnh
cation

F1•
Mảnh
gốc

F1+• +
Mảnh
cation gốc

NF1
Mảnh
trung hoà

F2+ + F2•
Mảnh
cation

Các LK dễ gãy

Gốc

là các LK yếu nhất, tạo các mảnh bền


Phổ MS của
pentobarbital,
bắn phá
bằng electron

Pic cơ bản

Khối lượng phân tử =226
Pic Molecular
ion phân tử
ion peak M+.

• Ion phân tử M+., có m/z 226, mất gần hết.
• Tạo thành các mảnh m/z 197, 156, 141, 112, 98, 69, and 55,
• Các pic này là dấu vết các mảnh trong cấu trúc của phân tử M.
• Pic lớn nhất trên phổ MS là pic cơ bả n (coi như có cường độ 100%) . Cường độ pic khác tính theo
% của pic cơ bản.


1.2. Ion hoá học (CI) – PHƯƠNG PHÁP mềm
• Tạo ít mảnh.
• Dùng thừa thuốc thử dạng khí như CH4.
• Chùm electrons (100–200 eV) chuyển CH4 thành các SP như CH5+

CH5+ là chất cho proton mạnh, phản ứng hoá học với
chất phân tích tạo ra phân tử proton hoá MH+, có nhiều trên phổ

MS ion hoá hoá học dùng methan

CH4  e  CH4.  2e
CH4.  CH4 

CH5  .CH 3

CH5  M  CH4  MH
(M+1) peak


Phổ ion hoá hoá học của
pentobarbital

Cường độ tương đối

Ion hoá
Hoá học

Pic của ion phân tử MH+ ở m/z 227 (M+1) là pic lớn thứ nhì.
Ít các pic của mảnh so với phổ EI


2. Bộ Phân tích Khối

• Trái tim của máy khối phổ, có nhiệm vụ tách
các ion có trị số m/z khác nhau thành từng phần
riêng biệt.
• Phân loại:
Bộ phân tích

Bộ phân tích
Bộ phân tích
Bộ phân tích

từ,
tứ cực (Quadrupole)
bãy ion tứ cực (Ion trap)
thời gian bay (TOF)

•Sau đây là bộ phân tích từ


m/z = B2r2e/2V
2.1 Bộ phân tích từ

Focusing slits
Accelerating
voltage V
Ionizing
voltage
Sample
inlet

Magnetic field
B

Where m = mass,
e = electron charge,
z = # of charges/ion
r = radius of curvature

r

Focused ion M+

Radius r

2 mV
B 2e z
Ion M+

Increase B

Detector
Low vacuum


Ion Beam

Magnetic Field

Detector


2.2 Bộ phân tích tứ cực
(Quadrupole)
• Một số ion có tỷ số m/z xác
định cộng hưởng với thế xoay
chiều xác định có thể đi thẳng qua
khoảng không đến detector. Trong

khi đó.
•Các ion khác không sẽ có quĩ đạo
không ổn định, va chạm với các
cực và bị giữ lại ở đó.
•Bằng cách thay đổi thế xoay chiều áp vào các cực, các ion có tỷ số m/z khác
nhau có thể vượt qua khoảng không để đến detector.


2.2 Bộ phân tích tứ cực Bẫy ion (Quadrupole Ion trap)

• Bẫy ion tứ cực hoạt động theo nguyên lý của bộ phân tích

khối tứ cực; chỉ có một điểm khác là các ion được lưu giữ
và đưa dần ra khỏi bẫy
• Bằng cách thay đổi thế xoay chiều áp vào các cực, các
ion có tỷ số m/z khác nhau có thể vượt qua khoảng không
để đến detector.


2.3 Bộ phân tích tứ cực Chập Ba
Q1

Q2

Q3

(Triple Quadrupole)

Detector

Ba bộ tứ cực nối tiếp nhau:
Ở Q1: Ở các ion được tách
Ở Q2: Với áp suất cao, các ion bị phân ly do va chạm với khí trơ có mặt
như nitơ, argon, heli. Bộ Q2 tạo ra phân ly do va chạm chúng bị phân
mảnh tiếp tạo ra các ion nhỏ hơn, ion con (daughter ions).
Ở Q3: làm nhiệm vụ tách các ion con


Độ phân giải của máy khối phổ
• Đó là khả năng của máy có thể phân biệt được 2 pic có
khối lượng gần nhau m1 và m2. Độ phân giải R là:
R = m 2 / (m 2 - m 1)
• Hai pic cạnh nhau đươc coi là đã tách riêng khi phần chồng lấp giữa
hai pic đó nhỏ hơn 10% pic nhỏ.

• Bộ phân tích từ hội tụ đơn có trị số R khoảng 5000.
• Cần có máy với độ phân giải cao hơn để phân biệt các
ion có khối lượng gần nhau.
• Ví dụ: để phân biệt 2 ion có m1= 280,2881 và m2= 280,2768
máy MS cần có R= 25 000


2.3 Bộ phân tích Thời gian bay (TOF: Time Of Flight)

Nguyên tắc:
• Dùng bộ phận gia tốc ion đẩy ion bay tới
detector, đo thời gian bay
• Thời gian bay được chuẩn hóa theo tỷ lệ
m/z

2.3 Bộ phân tích Thời gian bay (TOF: Time Of Flight)

Ưu điểm:
• Độ phân giải rất cao (>10.000)
• Độ chính xác rất cao ( 2- 5 mDa)
Ứng dụng:

• Xác định chất mới (xác định công thức)
• Yêu cầu xác định khối lượng chính xác
• Xác định được tạp
• Đo tỷ lệ các pic đồng vị


Xác định tạp


3. Detector
Nhân electron (electron multiplier):
Tác động của một ion lên bề mặt các
dynode khác để tạo ra các electron
ngày càng nhiều electron.
1  106 (hình bên)

Nhân quang (photomultiplier):
Các electron tạo ra theo cách trên va
chạm với một bề mặt phát quang
để tạo ra photon. Các photon này
được thu nhận và số lượng của
chúng tỷ lệ với cường độ tín hiệu

Trình bày dữ liệu

• Dạng TIC (Total Ion Chromatogram)
• Dạng SIM (Single Ion Monitoring)
• Dạng MRM (Multiple Reaction Monitoring)
m/z xác định

Tất cả

m/z xác định