Khối phổ, phương pháp khối phổ, kỹ thuật khối phổ hay phương pháp phổ khối lượng (tiếng anh là Mass spectrometry, viết tắt là MS) là một kỹ thuật phân tích được sử dụng để đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion. Các kết quả được trình bày dưới dạng một phổ khối lượng, một biểu đồ cường độ là một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Khối phổ được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau và được áp dụng cho các mẫu tinh khiết cũng như các hỗn hợp phức tạp.
Phổ khối lượng là một dạng biểu đồ của tín hiệu ion như một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Những quang phổ này được sử dụng để xác định dấu hiệu nguyên tố (elemental) hoặc đồng vị (isotopic)của một mẫu, khối lượng của các hạt và của phân tử (molecules), đồng thời làm sáng tỏ đặc điểm nhận dạng hoặc cấu trúc hóa học của các phân tử và các hợp chất hóa học khác.
Trong quy trình MS điển hình, mẫu vật có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí, được ion hóa, ví dụ như bằng cách bắn phá mẫu vật bằng một chùm electron. Điều này có thể khiến một số phân tử của mẫu bị vỡ thành các mảnh tích điện dương hoặc đơn giản là trở nên tích điện dương mà không bị phân mảnh. Các ion phân mảnh này sau đó được tách ra theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng, bằng cách gia tốc chúng và đặt chúng vào một điện trường hoặc từ trường: các ion có cùng tỷ lệ khối lượng trên điện tích sẽ trải qua cùng một lượng lệch hướng. Các ion được phát hiện bởi một cơ chế có khả năng phát hiện các hạt mang điện, chẳng hạn như hệ số nhân điện tử (electron multiplier). Kết quả được hiển thị dưới dạng phổ cường độ tín hiệu của các ion được phát hiện như một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Các nguyên tử (atoms) hoặc phân tử trong mẫu có thể được xác định bằng cách tương quan các khối lượng toàn bộ phân tử với các khối lượng đã xác định hoặc thông qua một mẫu phân mảnh đặc trưng.
1. Lịch sử của máy đo khối phổ
Năm 1886, Eugen Goldstein quan sát thấy các tia phóng điện (gas discharges) dưới áp suất thấp đi ra khỏi cực dương và đi qua các kênh trong một cực âm đục lỗ, ngược với hướng của các tia âm cực (cathode rays) mang điện tích âm (đi từ cực âm sang cực dương). Goldstein gọi những tia cực dương tích điện dương (anode rays) là "Kanal Strahlen"; bản dịch tiêu chuẩn của thuật ngữ này sang tiếng Anh là “canal rays”.
Wilhelm Wien phát hiện ra rằng điện trường hoặc từ trường mạnh làm chệch hướng các tia kênh và vào năm 1899, ông đã chế tạo một thiết bị có điện trường và từ trường vuông góc phân tách các tia dương theo tỷ lệ điện tích trên khối lượng của chúng (Q/m). Wien nhận thấy rằng tỷ lệ điện tích trên khối lượng phụ thuộc vào bản chất của chất khí trong ống phóng điện. Nhà khoa học người Anh JJ Thomson sau đó đã cải tiến công trình của Wien bằng cách giảm áp suất để tạo ra khối phổ.
Khái niệm “quang phổ” (spectrograph) đã trở thành một phần quan trọng trong từ điển khoa học quốc tế vào năm 1884. Các thiết bị đo phổ ban đầu để đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion được gọi là máy quang phổ khối (mass spectrographs) bao gồm các dụng cụ ghi lại phổ các giá trị khối lượng trên một tấm ảnh. Máy quang phổ khối lượng cho phép chùm ion được hướng lên màn hình photpho. Cấu hình khối phổ được sử dụng trong các thiết bị ban đầu khi người ta muốn nhanh chóng quan sát được ảnh hưởng của các điều chỉnh. Khi thiết bị đã được điều chỉnh thích hợp, một tấm ảnh được đưa vào và để lộ ra. Thuật ngữ khối phổ tiếp tục được sử dụng mặc dù sự chiếu sáng trực tiếp của màn hình photpho đã được thay thế bằng các phép đo gián tiếp với máy hiện sóng hay dao động ký (oscilloscope). Việc sử dụng thuật ngữ quang phổ khối hiện nay không được khuyến khích do có khả năng nhầm lẫn với quang phổ ánh sáng. Khối phổ thường được viết tắt là mass-spec hoặc đơn giản là MS.
Lịch sử của máy đo khối phổ
Các kỹ thuật khối phổ hiện đại được Arthur Jeffrey Dempster và FW Aston nghĩ ra lần lượt vào năm 1918 và 1919.
Khối phổ kế được gọi là Calutron, được Ernest O. Lawrence phát triển và được sử dụng để tách các đồng vị của uranium trong “Dự án Manhattan”. Máy quang phổ khối lượng Calutron được sử dụng để làm giàu uranium tại nhà máy Oak Ridge, Tennessee Y-12 được thành lập trong Thế chiến II.
Năm 1989, một nửa giải Nobel Vật lý được trao cho Hans Dehmelt và Wolfgang Paul vì sự phát triển của kỹ thuật bẫy ion trong những năm 1950 và 1960.
Năm 2002, giải Nobel Hóa học được trao cho John Bennett Fenn vì sự phát triển của ion hóa tia điện (ESI) và Koichi Tanaka cho sự phát triển của quá trình giải hấp laser mềm (soft laser desorption - SLD) và ứng dụng của chúng trong việc ion hóa các đại phân tử sinh học, đặc biệt là protein.
2. Các bộ phận, cấu tạo của khối phổ kế là gì?
Một khối phổ kế bao gồm ba thành phần: một nguồn ion (ion source), một bộ phân tích khối lượng (mass analyzer) và một máy dò (detector). Bộ ion hóa chuyển một phần mẫu thành các ion. Có rất nhiều kỹ thuật ion hóa khác nhau, tùy thuộc vào pha (rắn, lỏng, khí) của mẫu và hiệu quả của các cơ chế ion hóa khác nhau đối với các loài chưa biết. Hệ thống chiết tách loại bỏ các ion khỏi mẫu, sau đó được nhắm mục tiêu qua máy phân tích khối lượng và vào máy dò. Sự khác biệt về khối lượng của các mảnh cho phép máy phân tích khối lượng sắp xếp các ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Máy dò đo giá trị của một đại lượng chỉ thị và do đó cung cấp dữ liệu để tính toán độ phong phú của mỗi ion có mặt. Một số máy dò cũng cung cấp thông tin không gian như một tấm đa kênh.
Các bộ phận, cấu tạo của khối phổ kế
Ví dụ về nguyên lý hoạt động của máy đo khối phổ
Sau đây mô tả hoạt động của máy phân tích khối lượng phổ kế. Xem xét một mẫu natri clorua (muối ăn). Trong nguồn ion, mẫu được hóa hơi (vaporized) và bị ion hóa (ionized) thành các ion natri (Na+) và clorua (Cl-). Nguyên tử và ion natri là đồng vị (monoisotopic), có khối lượng khoảng 23 u. Nguyên tử và ion clorua có hai đồng vị bền với khối lượng xấp xỉ 35 u (ở mức dồi dào tự nhiên khoảng 75 phần trăm) và xấp xỉ 37 u (ở mức tự nhiên khoảng 25%). Bộ phận phân tích của máy quang phổ có chứa điện trường và từ trường, tác dụng lực lên các ion di chuyển qua các trường này. Tốc độ của một hạt mang điện có thể tăng hoặc giảm khi đi qua điện trường và hướng của nó có thể bị thay đổi bởi từ trường. Độ lớn của độ lệch quỹ đạo chuyển động của ion phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng trên điện tích của nó. Các ion nhẹ hơn bị lệch hướng bởi lực từ nhiều hơn các ion nặng hơn (dựa trên định luật chuyển động thứ hai của Newton, F = ma). Các dòng ion đã được sắp xếp đi từ máy phân tích đến máy dò, ghi lại mức độ phong phú tương đối của từng loại ion. Thông tin này được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố hóa học của mẫu ban đầu (nghĩa là cả natri và clo đều có trong mẫu) và thành phần đồng vị của các thành phần của nó (tỷ lệ 35 Cl đến 37 Cl).
3. Các kỹ thuật ion hóa
Nguồn ion (ion source) là một phần của khối phổ kế ion hóa vật liệu được phân tích (chất phân tích). Các ion sau đó được vận chuyển bằng từ trường hoặc điện trường đến máy phân tích khối lượng.
Kỹ thuật ion hóa là chìa khóa để xác định loại mẫu nào có thể được phân tích bằng phương pháp khối phổ. Sự ion hóa electron và sự ion hóa hóa học được sử dụng cho các chất khí và chất bay hơi. Trong các nguồn ion hóa hóa học, chất phân tích bị ion hóa bởi các phản ứng ion hóa học - phân tử trong quá trình va chạm trong nguồn. Hai kỹ thuật thường được sử dụng với các mẫu sinh học lỏng và rắn bao gồm ion hóa tia điện (do John Fenn phát minh) và giải hấp thụ hay ion hóa laser hỗ trợ ma trận (matrix-assisted laser desorption/ionization - MALDI), ban đầu được phát triển như một kỹ thuật tương tự "Giải hấp laser mềm (SLD)" của K. Tanaka mà M. Karas và F. Hillenkamp đã được trao giải Nobel và là MALDI của M. Karas và F. Hillenkamp).
a. Ion hóa cứng (Hard ionization) và ion hóa mềm (Soft ionization)
Trong khối phổ, ion hóa đề cập đến việc tạo ra các ion pha khí thích hợp để phân giải trong máy phân tích khối lượng hoặc bộ lọc khối lượng. Sự ion hóa xảy ra trong nguồn ion. Có một số nguồn ion có sẵn; mỗi loại đều có ưu và nhược điểm đối với các ứng dụng cụ thể. Ví dụ, ion hóa điện tử (electron ionization - EI) tạo ra mức độ phân mảnh cao, tạo ra phổ khối lượng chi tiết cao mà khi phân tích khéo léo có thể cung cấp thông tin quan trọng để làm sáng tỏ cấu trúc hay đặc tính và tạo điều kiện xác định các hợp chất chưa biết bằng cách so sánh với các thư viện phổ khối thu được trong các điều kiện hoạt động giống nhau. Tuy nhiên, EI không thích hợp để ghép nối với HPLC, tức là LC-MS, vì ở áp suất khí quyển, các dây tóc được sử dụng để tạo ra các điện tử bị đốt cháy nhanh chóng. Do đó, EI chủ yếu được kết hợp với GC, tức là GC-MS, trong đó toàn bộ hệ thống ở dưới chân không cao.
Kỹ thuật ion hóa
Kỹ thuật ion hóa cứng (Hard ionization) là quá trình truyền một lượng lớn năng lượng dư trong phân tử chủ thể dẫn đến mức độ phân mảnh lớn (tức là sự đứt gãy có hệ thống của các liên kết có tác dụng loại bỏ năng lượng dư thừa, khôi phục sự ổn định cho ion tạo thành). Các ion kết quả có xu hướng có m/z thấp hơn khối lượng phân tử (trừ trường hợp chuyển proton và không bao gồm các đỉnh đồng vị). Ví dụ phổ biến nhất của ion hóa cứng là ion hóa điện tử (EI).
Kỹ thuật ion hóa mềm (Soft ionization) đề cập đến các quá trình truyền ít năng lượng dư vào phân tử chủ thể và do đó dẫn đến phân mảnh nhỏ. Ví dụ bao gồm bắn phá nguyên tử nhanh (fast atom bombardment - FAB), ion hóa hóa học (chemical ionization - CI), ion hóa hóa học áp suất khí quyển (atmospheric-pressure chemical ionization - APCI), quang hóa áp suất khí quyển (atmospheric-pressure photoionization - APPI), ion hóa tia điện (electrospray ionization - ESI), ion hóa tia điện cực giải hấp (desorption electrospray ionization - DESI) và laser hỗ trợ ma trận khử hấp thụ/ion hóa (matrix-assisted laser desorption/ionization - MALDI).
b. Plasma kết hợp cảm ứng (Inductively coupled plasma)
Nguồn plasma được ghép nối cảm ứng (Inductively coupled plasma - ICP) được sử dụng chủ yếu để phân tích cation của một loạt các loại mẫu. Trong nguồn này, một plasma nhìn chung là trung hòa về điện, nhưng có một phần đáng kể các nguyên tử của nó bị ion hóa bởi nhiệt độ cao, được sử dụng để nguyên tử hóa các phân tử mẫu đã đưa vào và tách thêm các điện tử bên ngoài khỏi các nguyên tử đó. Plasma thường được tạo ra từ khí argon, vì năng lượng ion hóa đầu tiên của nguyên tử argon cao hơn năng lượng ion hóa đầu tiên của bất kỳ nguyên tố nào khác ngoại trừ He, F và Ne, nhưng thấp hơn năng lượng ion hóa thứ hai của tất cả ngoại trừ các kim loại điện dương nhất. Quá trình đốt nóng đạt được nhờ dòng điện tần số vô tuyến chạy qua một cuộn dây bao quanh plasma.
c. Khối phổ quang hóa (Photoionization mass spectrometry)
Quang hóa (Photoionization) có thể được sử dụng trong các thí nghiệm tìm cách sử dụng khối phổ như một phương tiện để giải quyết các cơ chế động học hóa học và sự phân nhánh của sản phẩm đồng phân. Trong những trường hợp như vậy, một photon năng lượng cao, tia X hoặc tia UV, được sử dụng để phân ly các phân tử khí ổn định trong khí mang He hoặc Ar. Trong các trường hợp sử dụng nguồn sáng synctron, năng lượng photon có thể điều chỉnh được có thể được sử dụng để thu được đường cong hiệu quả quang hóa có thể được sử dụng cùng với tỷ lệ điện tích m/z cho các dạng ion và phân tử vân tay. Gần đây, quá trình quang hóa áp suất khí quyển (APPI) đã được phát triển để ion hóa các phân tử chủ yếu là nước thải của hệ thống LC-MS.
d. Ion hóa môi trường xung quanh (Ambient ionization)
Một số ứng dụng cho quá trình ion hóa môi trường xung quanh bao gồm các ứng dụng môi trường cũng như các ứng dụng lâm sàng. Trong các kỹ thuật này, các ion hình thành trong một nguồn ion bên ngoài khối phổ kế. Việc lấy mẫu trở nên dễ dàng vì các mẫu không cần phải tách hoặc chuẩn bị trước đó. Một số ví dụ về kỹ thuật ion hóa môi trường xung quanh là DESI, SESI, LAESI, ion hóa hóa học áp suất khí quyển giải hấp (desorption atmospheric-pressure chemical ionization - DAPCI) và quang hóa học áp suất khí quyển giải hấp (desorption atmospheric pressure photoionization - DAPPI) trong số những kỹ thuật khác.
e. Các kỹ thuật ion hóa khác
Những người khác bao gồm phóng điện phát sáng (glow discharge), giải hấp trường (field desorption - FD), bắn phá nguyên tử nhanh (FAB), nhiệt khí quyển, giải hấp thụ / ion hóa trên silicon (thermospray, desorption/ionization on silicon - DIOS), Phân tích trực tiếp trong thời gian thực (Direct Analysis in Real Time - DART), ion hóa hóa học áp suất khí quyển (APCI), phổ khối lượng ion thứ cấp (secondary ion mass spectrometry - SIMS), ion hóa tia lửa (spark ionization) và ion hóa nhiệt (thermal ionization - TIMS).
4. Lựa chọn các công cụ phân tích khối phổ
Máy phân tích khối lượng tách các ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Hai định luật sau đây chi phối động lực học của các hạt mang điện trong điện trường và từ trường trong chân không.
a. Công thức tính toán
Định luật lực Lorentz:
F = Q (E + v.B)
Định luật chuyển động thứ hai của Newton trong trường hợp phi tương đối tính, tức là chỉ có giá trị ở vận tốc ion thấp hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng
F = m.a
Lập biểu thức trên cho lực tác dụng lên ion thu được:
(m/Q).a =E + v.B
Trong đó:
- F: lực tác dụng lên ion;
- m: khối lượng của ion, a là gia tốc;
- Q: điện tích ion;
- E: điện trường;
- v.B: tích chéo véc tơ của vận tốc ion và từ trường;
Phương trình vi phân này là phương trình chuyển động cổ điển của các hạt mang điện. Cùng với các điều kiện ban đầu của hạt, nó hoàn toàn xác định chuyển động của hạt trong không gian và thời gian theo m/Q. Vì vậy, khối phổ kế có thể được coi là "khối phổ kế tích điện". Khi trình bày dữ liệu, người ta thường sử dụng m/z không thứ nguyên (officially), trong đó z là số điện tích cơ bản (e) trên ion (z = Q/e). Đại lượng này, mặc dù nó được gọi một cách không chính thức là tỷ số khối lượng trên điện tích, nhưng nói chính xác hơn là tỷ số giữa số khối lượng và số điện tích z.
Có nhiều loại máy phân tích khối lượng, sử dụng trường tĩnh hoặc trường động, từ trường hoặc điện trường, nhưng tất cả đều hoạt động theo phương trình vi phân ở trên. Mỗi loại máy phân tích đều có điểm mạnh và điểm yếu. Nhiều máy đo khối phổ sử dụng hai hoặc nhiều máy phân tích khối lượng cho phép đo khối phổ song song - tandem mass spectrometry (MS/MS). Ngoài các máy phân tích khối lượng phổ biến hơn được liệt kê dưới đây, còn có các máy khác được thiết kế cho các tình huống đặc biệt.
Có một số đặc điểm quan trọng của máy phân tích. Khả năng phân giải khối lượng là thước đo khả năng phân biệt hai cực đại có m/z hơi khác nhau. Độ chính xác khối lượng là tỷ số giữa sai số đo m/z so với m/z thực. Độ chính xác khối lượng thường được đo bằng đơn vị khối lượng ppm hoặc mili. Phạm vi khối lượng là phạm vi m/z có thể phân tích được bằng một máy phân tích nhất định. Dải động tuyến tính là dải mà tín hiệu ion tuyến tính với nồng độ chất phân tích. Tốc độ đề cập đến khung thời gian của thí nghiệm và cuối cùng được sử dụng để xác định số lượng quang phổ trên một đơn vị thời gian có thể được tạo ra.
b. Công cụ phân tích
Máy phân tích khối lượng trường khu vực sử dụng một điện trường tĩnh hoặc từ trường để ảnh hưởng đến đường đi hoặc vận tốc của các hạt mang điện theo một cách nào đó. Như được trình bày ở trên, các thiết bị đo uốn cong quỹ đạo của các ion khi chúng đi qua máy phân tích khối lượng, theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng, làm chệch hướng các ion nhẹ hơn và chuyển động nhanh hơn. Máy phân tích có thể được sử dụng để chọn một phạm vi hẹp của m/z hoặc để quét qua một phạm vi m/z để lập danh mục các ion có mặt.
c. Máy phân tích thời gian bay (Time-of-flight)
Máy phân tích thời gian bay (time-of-flight / TOF) sử dụng điện trường để tăng tốc các ion thông qua cùng một điện thế và sau đó đo thời gian chúng đi đến máy dò. Nếu tất cả các hạt đều có điện tích như nhau thì động năng của chúng sẽ giống nhau và vận tốc của chúng chỉ phụ thuộc vào khối lượng của chúng. Các ion có khối lượng nhỏ hơn sẽ đến đầu dò trước. Tuy nhiên, trong thực tế, ngay cả các hạt có cùng m/z cũng có thể đến tại các thời điểm khác nhau tại máy dò, bởi vì chúng có vận tốc ban đầu khác nhau. Vận tốc ban đầu thường không phụ thuộc vào khối lượng của ion TOF - MS và sẽ biến thành sự khác biệt trong vận tốc cuối cùng. Do đó, các ion có cùng tỷ lệ m/z sẽ đến máy dò vào nhiều thời điểm khác nhau, điều này sẽ mở rộng các đỉnh hiển thị trên biểu đồ đếm so với m/z, nhưng nói chung sẽ không thay đổi vị trí trung tâm của các pic, vì vận tốc bắt đầu trung bình của các ion so với các ion được phân tích khác thường có tâm là 0. Để khắc phục sự cố này, lấy nét trễ thời gian/trích xuất trễ đã được kết hợp với TOF-MS.
d. Máy sử dụng bộ lọc khối lượng tứ cực (Quadrupole mass filter)
Máy phân tích khối lượng tứ cực (Quadrupole mass analyzers) sử dụng điện trường dao động để ổn định hoặc làm mất ổn định có chọn lọc đường đi của các ion đi qua trường tứ cực tần số vô tuyến (radio frequency - RF) được tạo ra giữa bốn thanh song song. Chỉ các ion trong một phạm vi tỷ lệ khối lượng/điện tích nhất định mới được truyền qua hệ thống bất cứ lúc nào, nhưng những thay đổi đối với điện thế trên thanh cho phép một loạt các giá trị m/z được quét nhanh chóng, liên tục hoặc liên tiếp hoa bia rời rạc. Máy phân tích khối lượng tứ cực hoạt động như một bộ lọc chọn lọc khối lượng và có liên quan chặt chẽ với bẫy ion tứ cực, đặc biệt là bẫy ion tứ cực tuyến tính ngoại trừ việc nó được thiết kế để truyền các ion chưa được đánh dấu thay vì thu thập các ion bị mắc kẹt và vì lý do đó được gọi là tứ cực truyền dẫn. Máy phân tích khối lượng tứ cực được tăng cường từ tính bao gồm việc bổ sung từ trường, đặt theo hướng trục hoặc theo phương ngang. Loại thiết bị mới này dẫn đến việc nâng cao hiệu suất bổ sung về độ phân giải hoặc độ nhạy tùy thuộc vào độ lớn và hướng của từ trường được áp dụng. Một biến thể phổ biến của tứ cực truyền qua là khối phổ ba tứ cực (triple quadrupole mass spectrometer).
Máy sử dụng bộ lọc khối lượng tứ cực (Quadrupole mass filter)
“Bộ ba phần tư - triple quad” có ba giai đoạn tứ cực liên tiếp, giai đoạn đầu tiên hoạt động như một bộ lọc khối lượng để truyền một ion đến cụ thể cho tứ cực thứ hai là một buồng va chạm, trong đó ion đó có thể bị vỡ thành các mảnh. Tứ cực thứ ba cũng hoạt động như một bộ lọc khối lượng, để truyền một ion mảnh cụ thể đến máy dò. Nếu một tứ cực được tạo ra để quay vòng nhanh chóng và lặp lại thông qua một loạt các cài đặt bộ lọc khối lượng, thì phổ đầy đủ có thể được báo cáo. Tương tự như vậy, một bộ ba phần tư có thể được tạo ra để thực hiện các kiểu quét khác nhau, đặc trưng của phép đo khối phổ song song.
e. Máy bẫy ion tứ cực ba chiều (Three-dimensional quadrupole ion trap)
Bẫy ion tứ cực (quadrupole ion trap) hoạt động dựa trên các nguyên tắc vật lý tương tự như máy phân tích khối lượng tứ cực, nhưng các ion bị giữ lại và đẩy ra tuần tự. Các ion bị mắc kẹt trong trường RF chủ yếu là tứ cực, trong không gian được xác định bởi điện cực vòng (thường được kết nối với điện thế RF chính) giữa hai điện cực endcap (thường được kết nối với điện thế DC hoặc AC phụ). Mẫu được ion hóa bên trong (ví dụ với tia điện tử hoặc tia laze) hoặc bên ngoài, trong trường hợp đó, các ion thường được đưa vào qua một lỗ trong điện cực endcap.
Có nhiều phương pháp cô lập và phân tách khối lượng/điện tích nhưng được sử dụng phổ biến nhất là chế độ không ổn định khối lượng trong đó thế RF được tăng cường để quỹ đạo của các ion có khối lượng a > b ổn định trong khi các ion có khối lượng b trở nên không ổn định và được đẩy trục z lên một máy dò. Ngoài ra còn có các phương pháp phân tích không phá hủy.
Các ion cũng có thể được đẩy ra bằng phương pháp kích thích cộng hưởng, theo đó một điện áp kích thích dao động bổ sung được áp dụng cho các điện cực đầu cuối và biên độ điện áp bẫy hoặc tần số điện áp kích thích được thay đổi để đưa các ion vào điều kiện cộng hưởng theo thứ tự khối lượng của chúng/tỷ lệ phí.
f. Máy khối phổ bẫy ion hình trụ (Cylindrical ion trap)
Máy khối phổ bẫy ion hình trụ (cylindrical ion trap mass spectrometer - CIT) là một dẫn xuất của bẫy ion tứ cực trong đó các điện cực được hình thành từ các vòng phẳng chứ không phải điện cực hình hypebol. Kiến trúc có lợi cho việc thu nhỏ bởi vì khi kích thước của một cái bẫy giảm xuống, hình dạng của điện trường gần tâm của cái bẫy, vùng mà các ion bị giữ lại, sẽ tạo thành một hình dạng tương tự như hình dạng của một cái bẫy hypebol.
g. Bẫy ion tứ cực tuyến tính (Linear quadrupole ion trap)
Bẫy ion tứ cực tuyến tính tương tự như bẫy ion tứ cực, nhưng nó bẫy các ion trong trường tứ cực hai chiều, thay vì trường tứ cực ba chiều như trong bẫy ion tứ cực 3D. LTQ của Thermo Fisher "tứ cực bẫy tuyến tính" là một ví dụ về bẫy ion tuyến tính.
Bẫy ion hình xuyến có thể được hình dung như một tứ cực tuyến tính cong xung quanh và được kết nối ở các đầu hoặc như một mặt cắt của bẫy ion 3D xoay trên cạnh để tạo thành bẫy hình xuyến, hình bánh rán. Bẫy có thể lưu trữ một lượng lớn các ion bằng cách phân phối chúng khắp cấu trúc bẫy dạng vòng. Bẫy hình xuyến này là một cấu hình cho phép tăng khả năng thu nhỏ của máy phân tích khối lượng bẫy ion. Ngoài ra, tất cả các ion được lưu trữ trong cùng một trường bẫy và được đẩy ra cùng nhau, đơn giản hóa việc phát hiện có thể phức tạp với cấu hình mảng do sự khác nhau trong việc căn chỉnh máy dò và gia công các mảng.
Giống như bẫy hình xuyến, bẫy tuyến tính và bẫy ion tứ cực 3D là những máy phân tích khối lượng thu nhỏ phổ biến nhất do độ nhạy cao, khả năng chịu áp suất mTorr và khả năng đo khối phổ song song của máy phân tích (ví dụ như quét ion sản phẩm).
h. Máy Orbitrap
Máy orbitrap tương tự như máy quang phổ khối cộng hưởng cyclotron ion biến đổi Fourier. Các ion bị giữ lại tĩnh điện trong một quỹ đạo xung quanh một điện cực trung tâm, hình trục chính. Điện cực hạn chế các ion để chúng quay quanh điện cực trung tâm và dao động qua lại dọc theo trục dài của điện cực trung tâm. Dao động này tạo ra một dòng điện hình ảnh trong các tấm dò được thiết bị ghi lại. Các tần số của các dòng hình ảnh này phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion. Khối phổ thu được bằng phép biến đổi Fourier của các dòng ảnh ghi được. Orbitraps có độ chính xác khối lượng cao, độ nhạy cao và dải động tốt.
i. Cộng hưởng cyclotron ion biến đổi Fourier
Phép đo khối phổ biến đổi Fourier (Fourier-transform mass spectrometry - FTMS), hay chính xác hơn là MS cộng hưởng cyclotron ion biến đổi Fourier (Fourier-transform ion cyclotron resonance), đo khối lượng bằng cách phát hiện dòng hình ảnh được tạo ra bởi các ion cyclotron khi có từ trường. Thay vì đo độ lệch của các ion bằng một máy dò, chẳng hạn như bộ nhân điện tử, các ion được đưa vào bẫy Penning (bẫy ion điện tĩnh/từ tính) nơi chúng tạo thành một phần của mạch điện một cách hiệu quả. Các máy dò tại các vị trí cố định trong không gian đo tín hiệu điện của các ion đi qua gần chúng theo thời gian, tạo ra một tín hiệu tuần hoàn. Vì tần số chu kỳ của một ion được xác định bởi tỷ lệ khối lượng trên điện tích của nó, điều này có thể giải mã bằng cách thực hiện biến đổi Fourier trên tín hiệu. FTMS có ưu điểm là độ nhạy cao (vì mỗi ion được "đếm" nhiều hơn một lần) và độ phân giải cao hơn nhiều và do đó chính xác.
Cộng hưởng cyclotron ion (Ion cyclotron resonance - ICR) là một kỹ thuật phân tích khối lượng cũ hơn tương tự như FTMS ngoại trừ việc các ion được phát hiện bằng máy dò truyền thống. Các ion bị mắc kẹt trong bẫy Penning bị kích thích bởi điện trường RF cho đến khi chúng tác động vào thành bẫy, nơi đặt máy dò. Các ion có khối lượng khác nhau được phân giải theo thời gian tác động.
5. Máy dò khối phổ (Detector)
Yếu tố cuối cùng của khối phổ kế là máy dò (detectors). Máy dò ghi lại điện tích được tạo ra hoặc dòng điện được tạo ra khi một ion đi qua hoặc chạm vào bề mặt. Trong một thiết bị quét, tín hiệu được tạo ra trong máy dò trong quá trình quét so với vị trí của thiết bị trong quá trình quét (ở mức m/Q) sẽ tạo ra phổ khối, bản ghi của các ion dưới dạng hàm của m/Q.
Máy dò khối phổ (Detector)
Thông thường, một số loại nhân electron được sử dụng, mặc dù các máy dò khác bao gồm cốc Faraday và máy dò ion-to-photon cũng được sử dụng. Bởi vì số lượng ion rời khỏi máy phân tích khối lượng tại một thời điểm cụ thể thường khá nhỏ, nên thường cần phải khuếch đại đáng kể để thu được tín hiệu. Máy dò tấm vi kênh được sử dụng phổ biến trong các thiết bị thương mại hiện đại. Trong FTMS và Orbitraps, máy dò bao gồm một cặp bề mặt kim loại trong vùng bẫy ion/máy phân tích khối lượng mà các ion chỉ đi qua gần khi chúng dao động. Không tạo ra dòng điện một chiều, chỉ tạo ra dòng điện xoay chiều yếu trong đoạn mạch giữa các điện cực. Các máy dò cảm ứng khác cũng đã được sử dụng.
6. Khối phổ song song (Tandem mass spectrometry)
Khối phổ song song là một khối phổ có khả năng tạo nhiều vòng khối phổ, thường được phân tách bằng một số dạng phân mảnh phân tử. Ví dụ như một máy phân tích khối lượng có thể cô lập một peptit từ nhiều peptit đi vào máy đo khối phổ. Sau đó, máy phân tích khối lượng thứ hai sẽ ổn định các ion peptit trong khi chúng va chạm với chất khí, khiến chúng bị phân mảnh bởi sự phân ly do va chạm (collision-induced dissociation - CID). Sau đó, máy phân tích khối lượng thứ ba sẽ phân loại các mảnh được tạo ra từ các peptit. Tandem MS cũng có thể được thực hiện trong một máy phân tích khối lượng đơn lẻ theo thời gian, như trong bẫy ion tứ cực. Có nhiều phương pháp khác nhau để phân mảnh các phân tử cho MS song song, bao gồm phân ly do va chạm (CID), phân ly bắt điện tử (electron capture dissociation - ECD), phân ly truyền điện tử (electron transfer dissociation - ETD), phân ly đa photon hồng ngoại (infrared multiphoton dissociation - IRMPD), phân ly bức xạ hồng ngoại vật đen (blackbody infrared radiative dissociation - BIRD), phân ly tách điện tử (electron-detachment dissociation - EDD) và phân ly cảm ứng bề mặt (surface-induced dissociation - SID). Một ứng dụng quan trọng sử dụng khối phổ song song là xác định protein.
Khối phổ song song (Tandem mass spectrometry)
Phép đo khối phổ song song cho phép thực hiện nhiều chuỗi thí nghiệm khác nhau. Nhiều khối phổ kế thương mại được thiết kế để đẩy nhanh việc thực hiện các trình tự thông thường như theo dõi phản ứng đã chọn (selected reaction monitoring - SRM) và quét ion tiền chất. Trong SRM, máy phân tích đầu tiên chỉ cho phép một khối lượng đi qua và máy phân tích thứ hai giám sát nhiều ion mảnh do người dùng xác định. SRM thường được sử dụng nhất với các thiết bị quét trong đó sự kiện phân tích khối lượng thứ hai bị giới hạn chu kỳ nhiệm vụ. Các thí nghiệm này được sử dụng để tăng độ đặc hiệu của việc phát hiện các phân tử đã biết, đặc biệt là trong các nghiên cứu dược động học. Quét ion tiền chất đề cập đến việc theo dõi sự mất mát cụ thể từ ion tiền chất. Máy phân tích khối lượng thứ nhất và thứ hai quét qua phổ dưới dạng được phân vùng bởi người dùng xác định giá trị m/z. Thí nghiệm này được sử dụng để phát hiện các mô típ cụ thể trong các phân tử chưa biết.
Một loại phổ khối lượng song song khác được sử dụng để xác định niên đại cacbon phóng xạ là khối phổ gia tốc (accelerator mass spectrometry - AMS), sử dụng điện áp rất cao, thường là trong dải mega-volt, để tăng tốc các ion âm thành một loại khối phổ kế.
Cơ sở dữ liệu về thực thể hóa học và chuyển hóa của METLIN (METLIN Metabolite and Chemical Entity Database) là kho lưu trữ lớn nhất về dữ liệu khối phổ song song thực nghiệm thu được từ các tiêu chuẩn. Dữ liệu khối phổ song song trên hơn 850.000 tiêu chuẩn phân tử (tính đến ngày 24 tháng 8 năm 2020) được cung cấp để tạo điều kiện xác định các thực thể hóa học từ các thí nghiệm khối phổ song song. Ngoài việc xác định các phân tử đã biết, nó cũng hữu ích để xác định các ẩn số bằng cách sử dụng tìm kiếm/phân tích tính tương tự của nó. Tất cả dữ liệu khối phổ song song đều đến từ việc phân tích thực nghiệm các chất chuẩn ở nhiều năng lượng va chạm và ở cả chế độ ion hóa dương và âm.
7. Các cấu hình và kỹ thuật phổ biến của khối phổ
Khi một sự kết hợp cụ thể giữa nguồn, máy phân tích và máy dò trở thành thông thường trong thực tế, một từ viết tắt của hợp chất có thể phát sinh để chỉ định nó một cách ngắn gọn. Một ví dụ là MALDI-TOF, dùng để chỉ sự kết hợp của nguồn ion hóa/khử hấp thụ laser được ma trận hỗ trợ với máy phân tích khối lượng thời gian bay. Các ví dụ khác bao gồm khối phổ plasma kết hợp cảm ứng (ICP-MS), khối phổ gia tốc (AMS), khối phổ ion hóa nhiệt (TIMS) và khối phổ nguồn tia lửa (spark source mass spectrometry - SSMS).
Các cấu hình và kỹ thuật phổ biến của khối phổ
Một số ứng dụng nhất định của khối phổ đã phát triển các biệt danh mà mặc dù nói một cách chính xác thì dường như chỉ một ứng dụng rộng rãi, nhưng trên thực tế thay vào đó người ta dùng để chỉ một số cấu hình thiết bị cụ thể hoặc hạn chế. Một ví dụ về điều này là phép đo khối phổ tỷ lệ đồng vị (isotope-ratio mass spectrometry - IRMS), trong thực tế đề cập đến việc sử dụng một số hạn chế các máy phân tích khối lượng theo ngành; tên này được sử dụng để chỉ cả ứng dụng và công cụ được sử dụng cho ứng dụng.
8. Kỹ thuật phân tách kết hợp với khối phổ
Một cải tiến quan trọng đối với khả năng phân giải khối lượng và xác định khối lượng của phép đo khối phổ là sử dụng nó song song với các kỹ thuật sắc ký và phân tách khác, đặc biết phải kế đến các kỹ thuật sắc ký khối phổ.
a. Sắc ký khí khối phổ (Gas chromatography)
Một sự kết hợp phổ biến là sắc ký khí khối phổ (GC/MS hoặc GC-MS). Trong kỹ thuật này, một máy sắc ký khí được sử dụng để tách các hợp chất khác nhau. Dòng các hợp chất được phân tách này được đưa trực tuyến vào nguồn ion, một dây tóc kim loại có điện áp được đặt vào. Dây tóc này phát ra các điện tử làm ion hóa các hợp chất. Các ion sau đó có thể phân mảnh hơn nữa, tạo ra các mẫu có thể dự đoán được. Các ion và các mảnh còn nguyên vẹn đi vào máy phân tích của khối phổ và cuối cùng được phát hiện. Tuy nhiên, nhiệt độ cao (300°C) được sử dụng trong cổng phun GC-MS (và tủ sấy) có thể dẫn đến sự suy giảm nhiệt của các phân tử được đưa vào, do đó dẫn đến việc đo lường các sản phẩm suy thoái thay vì các phân tử thực tế được quan tâm.
Sắc ký khí khối phổ (GC-MS)
b. Sắc ký lỏng khối phổ (Liquid chromatography)
Tương tự như sắc ký khí khối phổ (GC-MS), sắc ký lỏng khối phổ (LC/MS hoặc LC-MS) tách các hợp chất bằng sắc ký trước khi chúng được đưa vào nguồn ion và khối phổ. Nó khác với GC-MS ở chỗ pha động là chất lỏng, thường là hỗn hợp của nước và dung môi hữu cơ, thay vì khí. Thông thường nhất, một nguồn ion hóa tia điện được sử dụng trong LC-MS. Các nguồn ion LC-MS phổ biến và có sẵn trên thị trường khác là ion hóa hóa học áp suất khí quyển và quang hóa áp suất khí quyển. Ngoài ra còn có một số kỹ thuật ion hóa mới được phát triển như phun tia laser.
c. Điện di mao quản khối phổ (Capillary electrophoresis-mass spectrometry)
Điện di mao quản khối phổ (CE-MS) là một kỹ thuật kết hợp quá trình phân tách chất lỏng của điện di mao quản với khối phổ. CE-MS thường được kết hợp với ion hóa tia điện.
d. Phép đo di động của ion (Ion mobility spectrometry-mass spectrometry)
Phép đo phổ khối lượng di động ion (IMS/MS hoặc IMMS) là một kỹ thuật trong đó các ion lần đầu tiên được phân tách theo thời gian trôi qua một số khí trung tính dưới một gradien điện thế áp dụng trước khi được đưa vào khối phổ. Thời gian trôi là một thước đo bán kính liên quan đến điện tích của ion. Chu kỳ hoạt động của IMS (thời gian diễn ra thí nghiệm) dài hơn hầu hết các kỹ thuật khối phổ, sao cho khối phổ kế có thể lấy mẫu dọc theo quá trình phân tách IMS. Điều này tạo ra dữ liệu về sự phân tách IMS và tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion theo cách tương tự như LC-MS.
Chu kỳ hoạt động của IMS là ngắn so với các phân tách sắc ký lỏng hoặc sắc ký khí và do đó có thể được kết hợp với các kỹ thuật này, tạo ra các phương thức ba như LC/IMS/MS.
9. Dữ liệu và phân tích khối phổ
a. Biểu diễn dữ liệu
Khối phổ tạo ra nhiều loại dữ liệu khác nhau. Biểu diễn dữ liệu phổ biến nhất là phổ khối lượng.
Một số loại dữ liệu khối phổ được biểu diễn tốt nhất dưới dạng sắc ký đồ khối lượng. Các loại sắc ký đồ bao gồm theo dõi ion đã chọn (selected ion monitoring - SIM), tổng dòng ion (total ion current - TIC) và theo dõi phản ứng đã chọn (SRM), trong số nhiều loại khác.
Các loại dữ liệu khối phổ khác cũng được biểu diễn dưới dạng bản đồ đường bao ba chiều. Ở dạng này, khối lượng để tích điện, m/z nằm trên trục x, cường độ của trục y và một tham số thực nghiệm bổ sung, chẳng hạn như thời gian, được ghi lại trên trục z.
b. Phân tích dữ liệu
Phân tích dữ liệu khối phổ là cụ thể cho loại thí nghiệm tạo ra dữ liệu. Các phân đoạn chung của dữ liệu là cơ bản để hiểu bất kỳ dữ liệu nào.
Phân tích dữ liệu khối phổ
Nhiều khối phổ kế hoạt động ở chế độ ion âm hoặc chế độ ion dương. Điều rất quan trọng là phải biết liệu các ion quan sát được mang điện tích âm hay dương. Điều này thường quan trọng trong việc xác định khối lượng trung hòa nhưng nó cũng chỉ ra điều gì đó về bản chất của các phân tử.
Các loại nguồn ion khác nhau dẫn đến các mảng phân mảnh khác nhau được tạo ra từ các phân tử ban đầu. Nguồn ion hóa điện tử tạo ra nhiều mảnh và phần lớn là các gốc mang điện đơn (1-) (số lẻ electron), trong khi nguồn tia điện tử thường tạo ra các ion bán phân tử không gốc mà thường xuyên mang điện tích. Phép đo khối phổ song song có chủ đích tạo ra các ion mảnh sau nguồn và có thể thay đổi đáng kể loại dữ liệu đạt được bởi một thí nghiệm.
Kiến thức về nguồn gốc của một mẫu có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về các phân tử thành phần của mẫu và sự phân mảnh của chúng. Một mẫu từ quá trình tổng hợp/sản xuất có thể sẽ chứa các tạp chất liên quan đến hóa học với thành phần mục tiêu. Một mẫu sinh học được chuẩn bị thô sơ có thể sẽ chứa một lượng muối nhất định, có thể tạo thành các chất cộng với các phân tử chất phân tích trong một số phép phân tích nhất định.
Kết quả cũng có thể phụ thuộc nhiều vào việc chuẩn bị mẫu và cách nó được đưa vào. Một ví dụ quan trọng là vấn đề ma trận nào được sử dụng cho đốm MALDI, vì phần lớn năng lượng của sự kiện khử hấp thụ/ion hóa được điều khiển bởi ma trận chứ không phải công suất laser. Đôi khi các mẫu được bổ sung natri hoặc một loại mang ion khác để tạo ra các sản phẩm cộng thêm chứ không phải là một loại proton.
Khối phổ có thể đo khối lượng mol, cấu trúc phân tử và độ tinh khiết của mẫu. Mỗi câu hỏi này yêu cầu một quy trình thí nghiệm khác nhau; do đó, định nghĩa đầy đủ về mục tiêu thử nghiệm là điều kiện tiên quyết để thu thập dữ liệu thích hợp và giải thích thành công nó.
c. Giải thích về khối phổ
Vì cấu trúc chính xác hoặc trình tự peptit của phân tử được giải mã thông qua tập hợp các khối lượng phân mảnh, việc giải thích khối phổ đòi hỏi sử dụng kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau. Thông thường, chiến lược đầu tiên để xác định một hợp chất chưa biết là so sánh phổ khối lượng thực nghiệm của nó với một thư viện khối phổ. Nếu không có kết quả phù hợp nào từ việc tìm kiếm, thì phải thực hiện giải thích thủ công hoặc giải thích khối phổ có sự hỗ trợ của phần mềm. Mô phỏng máy tính các quá trình ion hóa và phân mảnh xảy ra trong khối phổ là công cụ chính để ấn định cấu trúc hoặc trình tự peptit cho một phân tử. Tiên nghiệm thông tin cấu trúc được phân mảnh trong silico và mô hình kết quả được so sánh với phổ quan sát được. Mô phỏng như vậy thường được hỗ trợ bởi một thư viện phân mảnh chứa các mẫu phản ứng phân hủy đã biết đã được công bố. Phần mềm tận dụng ý tưởng này đã được phát triển cho cả các phân tử nhỏ và protein.
Phân tích khối phổ cũng có thể là phổ với khối lượng chính xác. Giá trị tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) chỉ với độ chính xác số nguyên có thể đại diện cho vô số cấu trúc ion có thể có về mặt lý thuyết; tuy nhiên, số liệu khối lượng chính xác hơn làm giảm đáng kể số lượng công thức phân tử ứng viên. Một thuật toán máy tính được gọi là máy tạo công thức tính toán tất cả các công thức phân tử về mặt lý thuyết phù hợp với một khối lượng nhất định với dung sai được chỉ định.
Một kỹ thuật gần đây để làm sáng tỏ cấu trúc trong khối phổ, được gọi là dấu vân tay ion tiền chất, xác định các phần thông tin cấu trúc riêng lẻ bằng cách tiến hành tìm kiếm phổ song song của phân tử đang được khảo sát dựa trên thư viện phổ ion sản phẩm của các ion tiền chất được đặc trưng về cấu trúc.
10. Ứng dụng của khối phổ
Khối phổ có cả khối phổ định tính và khối phổ định lượng. Chúng bao gồm xác định các hợp chất chưa biết, xác định thành phần đồng vị của các nguyên tố trong phân tử và xác định cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát sự phân mảnh của nó. Các ứng dụng khác bao gồm định lượng lượng hợp chất trong mẫu hoặc nghiên cứu các nguyên tắc cơ bản của hóa học ion pha khí (hóa học của các ion và chất trung hòa trong chân không). MS hiện nay thường được sử dụng trong các phòng thí nghiệm phân tích nghiên cứu các đặc tính vật lý, hóa học hoặc sinh học của nhiều loại hợp chất.
Là một kỹ thuật phân tích, nó có những ưu điểm khác biệt như: Tăng độ nhạy so với hầu hết các kỹ thuật phân tích khác vì máy phân tích như một bộ lọc tích điện khối, làm giảm nhiễu nền, độ đặc hiệu tuyệt vời từ các mẫu phân mảnh đặc trưng để xác định ẩn số hoặc xác nhận sự hiện diện của các hợp chất nghi ngờ, thông tin về trọng lượng phân tử, sự phong phú đồng vị của các nguyên tố, dữ liệu hóa học được phân giải tạm thời.
Một vài nhược điểm của phương pháp này là thường không phân biệt được giữa đồng phân quang học và đồng phân hình học cũng như vị trí của nhóm thế ở các vị trí o-, m- và p- trong vòng thơm. Ngoài ra, phạm vi của nó bị giới hạn trong việc xác định các hydrocacbon tạo ra các ion phân mảnh tương tự.
a. Tỷ lệ đồng vị MS xác định niên đại và truy tìm đồng vị
Khối phổ cũng được sử dụng để xác định thành phần đồng vị của các nguyên tố trong mẫu. Sự khác biệt về khối lượng giữa các đồng vị của một nguyên tố là rất nhỏ và các đồng vị ít phong phú hơn của một nguyên tố thường rất hiếm, vì vậy cần phải có một dụng cụ rất nhạy. Những dụng cụ này, đôi khi được gọi là máy quang phổ khối lượng tỷ lệ đồng vị (IR-MS), thường sử dụng một nam châm duy nhất để bẻ cong một chùm hạt ion hóa về phía một loạt cốc Faraday để chuyển đổi các tác động của hạt thành dòng điện. Có thể thực hiện phân tích nhanh hàm lượng đơteri trong nước bằng phương pháp khối phổ phát sáng chảy sau, FA-MS. Có lẽ máy khối phổ nhạy và chính xác nhất cho mục đích này là máy khối phổ gia tốc (AMS). Điều này là do nó cung cấp độ nhạy cao nhất, có khả năng đo các nguyên tử riêng lẻ và đo các nuclide với dải động ~ 1015 so với đồng vị ổn định chính. Tỷ lệ đồng vị là dấu hiệu quan trọng của nhiều quá trình. Một số tỷ lệ đồng vị được sử dụng để xác định tuổi của vật liệu, ví dụ như trong xác định niên đại carbon. Ghi nhãn với các đồng vị ổn định cũng được sử dụng để định lượng protein.
b. Khối phổ giới thiệu màng: Đo các khí trong dung dịch
Khối phổ giới thiệu màng kết hợp tỷ lệ đồng vị MS với buồng phản ứng/tế bào được ngăn cách bởi màng thấm khí. Phương pháp này cho phép nghiên cứu các chất khí khi chúng phát triển trong dung dịch. Phương pháp này đã được sử dụng rộng rãi để nghiên cứu sản xuất oxy bằng hệ thống quang học II.
c. Phân tích khí theo vết (Trace gas analysis)
Một số kỹ thuật sử dụng các ion được tạo ra trong một nguồn ion chuyên dụng được tiêm vào ống dòng chảy hoặc ống trôi: ống dòng ion được chọn (selected ion flow tube | SIFT-MS) và phản ứng chuyển proton (proton transfer reaction | PTR-MS), là các biến thể của quá trình ion hóa hóa học dành riêng cho phân tích khí vết của không khí, hơi thở hoặc không gian lỏng sử dụng thời gian phản ứng xác định rõ cho phép tính toán nồng độ chất phân tích từ động học phản ứng đã biết mà không cần chất chuẩn hoặc hiệu chuẩn nội bộ.
Một kỹ thuật khác có ứng dụng trong lĩnh vực phân tích khí vết là ion hóa tia điện thứ cấp (secondary electrospray ionization | SESI-MS), là một dạng biến thể của ion hóa tia điện. SESI bao gồm một chùm tia điện của dung môi axit hóa tinh khiết tương tác với hơi trung tính. Các phân tử hơi bị ion hóa ở áp suất khí quyển khi điện tích được chuyển từ các ion hình thành trong khay điện sang các phân tử. Một ưu điểm của phương pháp này là nó tương thích với hầu hết các hệ thống ESI-MS.
d. Atom probe
Một đầu dò nguyên tử là một công cụ kết hợp giữa khối phổ thời gian bay và kính hiển vi bốc hơi trường để lập bản đồ vị trí của các nguyên tử riêng lẻ.
e. Dược động học (Pharmacokinetics)
Dược động học thường được nghiên cứu bằng phương pháp khối phổ vì bản chất phức tạp của chất nền (thường là máu hoặc nước tiểu) và cần độ nhạy cao để quan sát dữ liệu điểm liều thấp và thời gian dài. Thiết bị đo đạc phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng này là LC-MS với khối phổ ba tứ cực. Phép đo khối phổ song song thường được sử dụng để tăng thêm tính đặc hiệu. Các đường chuẩn và chất chuẩn nội được sử dụng để định lượng thường là một loại dược phẩm trong mẫu. Các mẫu đại diện cho các mốc thời gian khác nhau khi dược phẩm được sử dụng và sau đó được chuyển hóa hoặc thải trừ khỏi cơ thể. Mẫu trắng hoặc t = 0 được lấy trước khi quản lý có vai trò quan trọng trong việc xác định nền và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu với các ma trận mẫu phức tạp như vậy. Người ta chú ý nhiều đến độ tuyến tính của đường chuẩn; tuy nhiên, không có gì lạ khi sử dụng sự phù hợp đường cong với các chức năng phức tạp hơn, chẳng hạn như hàm số bốn vì phản ứng của hầu hết các khối phổ kế nhỏ hơn tuyến tính trên các dải nồng độ lớn.
Hiện đang có sự quan tâm đáng kể đến việc sử dụng khối phổ có độ nhạy rất cao cho các nghiên cứu định lượng vi mô, được coi là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho thí nghiệm trên động vật.
Các nghiên cứu gần đây cho thấy ion hóa tia điện thứ cấp (SESI) là một kỹ thuật mạnh mẽ để theo dõi động học của thuốc thông qua phân tích hơi thở. Bởi vì hơi thở được tạo ra một cách tự nhiên, một số điểm dữ liệu có thể được thu thập một cách dễ dàng. Điều này cho phép số lượng điểm dữ liệu thu thập được tăng lên rất nhiều. Trong các nghiên cứu trên động vật, phương pháp SESI này có thể giảm thiểu việc giết hại động vật. Ở người, phân tích không xâm lấn SESI-MS về hơi thở có thể giúp nghiên cứu động học của thuốc ở cấp độ cá nhân hóa.
f. Đặc điểm của protein
Khối phổ là một phương pháp quan trọng để xác định đặc tính và xác định trình tự của protein. Hai phương pháp chính để ion hóa toàn bộ protein là ion hóa tia điện tử (ESI) và giải hấp thụ hay ion hóa laser hỗ trợ ma trận (MALDI). Để phù hợp với hiệu suất và phạm vi khối lượng của các khối phổ kế hiện có, hai cách tiếp cận được sử dụng để xác định đặc tính của protein. Trong lần đầu tiên, các protein nguyên vẹn được ion hóa bằng một trong hai kỹ thuật được mô tả ở trên và sau đó được đưa vào máy phân tích khối lượng. Cách tiếp cận này được gọi là chiến lược phân tích protein "từ trên xuống | top-down ". Tuy nhiên, cách tiếp cận từ trên xuống phần lớn bị giới hạn trong các nghiên cứu về protein đơn có thông lượng thấp. Trong lần thứ hai, protein được tiêu hóa bằng enzym thành các peptit sử dụng protease như trypsin hoặc pepsin, ở dạng dung dịch hoặc dạng gel sau khi tách điện di. Các tác nhân phân giải protein khác cũng được sử dụng. Tập hợp các sản phẩm peptit thường được tách bằng sắc ký trước khi đưa vào máy phân tích khối lượng. Khi mẫu đặc trưng của các peptit được sử dụng để nhận dạng protein, phương pháp này được gọi là lấy dấu khối lượng peptit (peptide mass fingerprinting | PMF), nếu việc nhận dạng được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu trình tự được xác định trong phân tích MS thì phương pháp này được gọi là xác định trình tự peptit de novo. Các quy trình phân tích protein này còn được gọi là phương pháp tiếp cận " từ dưới lên | bottom-up" và cũng đã được sử dụng để phân tích sự phân bố và vị trí của các biến đổi sau dịch mã như quá trình phosphoryl hóa trên protein. Cách tiếp cận thứ ba cũng đang bắt đầu được sử dụng, cách tiếp cận "middle-down | trung gian" trung gian này liên quan đến việc phân tích các peptit phân giải protein lớn hơn peptit tryptic thông thường.
Phân thích protein bằng kỹ thuật khối phổ
g. Khám phá không gian bằng máy quang phổ
Là một phương pháp tiêu chuẩn để phân tích, khối phổ kế hay đại diện cụ thể là các máy quang phổ đã đến được các hành tinh khác và mặt trăng. Hai người đã được đưa lên sao Hỏa bởi chương trình Viking. Vào đầu năm 2005, sứ mệnh Cassini - Huygens đã đưa một thiết bị GC-MS chuyên dụng lên tàu thăm dò Huygens qua bầu khí quyển của Titan, mặt trăng lớn nhất của hành tinh Sao Thổ. Thiết bị này đã phân tích các mẫu khí quyển dọc theo quỹ đạo đi xuống của nó và có thể làm bốc hơi và phân tích các mẫu bề mặt đông lạnh, được bao phủ bởi hydrocacbon của Titan sau khi tàu thăm dò hạ cánh. Các phép đo này so sánh mức độ phong phú của các đồng vị của mỗi hạt so với mức độ phong phú tự nhiên của trái đất. Ngoài ra, trên tàu vũ trụ Cassini - Huygens còn có một khối phổ kế ion và trung tính dùng để đo thành phần khí quyển của Titan cũng như thành phần của các chùm lông Enceladus. Một máy quang phổ phân tích nhiệt và khí bốc hơi được thực hiện bởi Mars Phoenix Lander được phóng vào năm 2007.
Khối phổ cũng được sử dụng rộng rãi trong các sứ mệnh không gian để đo thành phần của các plasmas. Ví dụ, tàu vũ trụ Cassini mang theo Máy quang phổ Plasma Cassini (CAPS), đo khối lượng của các ion trong từ quyển của Sao Thổ.
i. Màn hình khí thở (Respired gas monitor)
Khối phổ kế được sử dụng trong bệnh viện để phân tích khí hô hấp bắt đầu từ khoảng năm 1975 đến cuối thế kỷ này. Một số có thể vẫn đang được sử dụng nhưng không có sản phẩm nào hiện đang được sản xuất.
Được tìm thấy hầu hết trong phòng phẫu thuật, chúng là một phần của một hệ thống phức tạp, trong đó các mẫu khí tương ứng từ bệnh nhân đang được gây mê được hút vào thiết bị thông qua một cơ chế van được thiết kế để kết nối tuần tự tới 32 phòng với khối phổ kế. Một máy tính chỉ đạo mọi hoạt động của hệ thống. Dữ liệu thu được từ khối phổ kế được chuyển đến các phòng riêng để bác sĩ gây mê sử dụng.
Sự độc đáo của khối phổ kế từ tính này có thể là thực tế là một mặt phẳng của máy dò, mỗi máy được bố trí cố ý để thu thập tất cả các loại ion dự kiến có trong các mẫu, cho phép thiết bị báo cáo đồng thời tất cả các loại khí mà bệnh nhân yêu thích. Mặc dù phạm vi khối lượng được giới hạn ở mức trên 120 u một chút, sự phân mảnh của một số phân tử nặng hơn đã phủ nhận nhu cầu về giới hạn phát hiện cao hơn.
k. Khối phổ dự bị (Preparative mass spectrometry)
Chức năng chính của khối phổ là một công cụ để phân tích hóa học dựa trên việc phát hiện và định lượng các ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Tuy nhiên, khối phổ cũng cho thấy nhiều hứa hẹn đối với việc tổng hợp vật chất. Hạ cánh mềm ion được đặc trưng bởi sự lắng đọng của các loài nguyên vẹn trên bề mặt ở năng lượng động học thấp, ngăn cản sự phân mảnh của các loài tới. Kỹ thuật hạ cánh mềm được báo cáo lần đầu tiên vào năm 1977 cho phản ứng của các ion chứa lưu huỳnh năng lượng thấp trên bề mặt chì.
CEO Hiếu Trịnh
