ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO ĐO LƯỜNG Y SINH PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ TRỌNG LƯỢNG NHÓM 11 Giảng viên hướng dẫn PGS TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Họ và tên MSSV Phạm Hải Đăng 20191729 Nguyễn Thị Mai Hương 20[.]
ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI BÁO CÁO ĐO LƯỜNG Y SINH PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ TRỌNG LƯỢNG NHÓM 11 Giảng viên hướng dẫn: PGS TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG Họ tên MSSV Phạm Hải Đăng 20191729 Nguyễn Thị Mai Hương 20191888 Nguyễn Hoài Nam 20181669 HÀ NỘI, 8/2023 LỜI NÓI ĐẦU Hiện nay, giới ngày phát triển dẫn đến người ngày cần nhiều nhu cầu Trong đó, việc phân tích thành phần hợp chất yêu cầu vô thiết yếu quan trọng Việc phân tích đem lại nhiều ý nghĩa thực tiễn nhiều lĩnh vực: môi trường, y tế,… Một vài ứng dụng kể đến là: tách chất khác khỏi hỗn hợp, xác định tên hợp chất điều chế chất từ hỗn hợp,… Với mong muốn tìm hiểu thêm vấn đề này, chúng em chọn đề tài “Phổ kế trọng lượng” Qua tập lớn chúng em có thêm nhìn chung phương pháp phổ kế trọng lượng Từ đó, chúng em hiểu rõ nguyên lí, cấu tạo, cách hoạt động ứng dụng quan trọng máy phổ kế trọng lượng Qua bổ sung kiến thức ứng dụng thực tế máy Phổ kế trọng lượng Dù cố gắng việc tìm hiểu tài liệu, xong cịn nhiều thiếu sót kiến thức nên báo cáo cịn nhiều hạn chế Kính mong nhận ý kiến góp ý để nhóm em hồn thiện Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS NGUYỄN THỊ LAN HƯƠNG nhiệt tình hướng dẫn góp ý giúp em hồn thành báo cáo mơn học Nhóm em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ 1.1 Khái niệm 1.2 Khối phổ kế 1.3 Phân loại Phổ kế trọng lượng quỹ đạo bay Phổ kế trọng lượng thời gian bay: CHƯƠNG NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY KHỐI PHỔ 2.1 Cấu tạo chung máy khối phổ Nguồn ion hóa Bộ phân tích Ion dectector 11 2.2 Nguyên lý máy khối phổ 12 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ TRỌNG LƯỢNG 14 3.1 Ứng dụng sinh học, y tế 14 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Mơ hình khối phổ kế Hình Quang phổ kế từ tính Hình Phổ kế trọng lượng thời gian bay Hình Sơ đồ cấu tạo đơn giản hệ thống khối phổ Hình EI (Electron Ionization) Hình CI (Chemical Ionization) Hình ESI (Electrospray Ionization) Hình MALDI – MS Hình Bộ phân tích hội tụ đơn 10 Hình 10 Bộ phân tích hội tụ kép 10 Hình 11 Bộ phân tích tứ cực 10 Hình 12 Bộ phân tích thời gian bay 11 Hình 13 Sơ đồ máy dò ion Faraday cup 11 Hình 14 Sơ đồ máy dị ion Photomultiplier Dynode 12 Hình 15 Sơ đồ máy dị ion Electron Multiplier 12 CHƯƠNG PHƯƠNG PHÁP KHỐI PHỔ 1.1 Khái niệm Phương pháp khối phổ (Mass spectrometry) kỹ thuật dùng để đo đạc tỉ lệ khối lượng điện tích ion, dùng cách thiết bị chuyên dụng khối phổ kế Kỹ thuật có nhiều ứng dụng gồm: • Xác định hợp chất chưa biết cách dựa vào khối lượng phân tử hợp chất hay phân tách riêng • Xác định kết cấu chất đồng vị cách thành phần hợp chất • Định lượng lượng hợp chất mẫu dùng phương pháp khác (phương pháp khối phổ định lượng) • Nghiên cứu sở hóa học ion thể khí (ngành hóa học ion chất trung tính chân khơng) • Xác định thuộc tính vật lý, hóa học hay sinh học hợp chất với nhiều hướng tiếp cận khác 1.2 Khối phổ kế Một khối phổ kế thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho phổ khối lượng mẫu để kiểm tra thành phần Có thể ion hóa mẫu tách ion với khối lượng khác lưu lại thông tin dựa vào việc đo đạc cường độ dịng ion Một khối phổ kế thơng thường gồm phần: phần nguồn ion, phần phân tích khối lượng, phần đo đạc Hình Mơ hình khối phổ kế 1.3 Phân loại Phổ kế trọng lượng quỹ đạo bay Hình Quang phổ kế từ tính Mô tả hoạt động: Dưới tác động điện trường gia tốc có điện áp U, ion dương có động năng: 𝐸 = 𝑞𝑈 = 𝑚𝑣 2 ⇒ 𝑣 = √2𝑈 𝑞 𝑚 Dưới tác dụng từ trường, ion dương chuyển động theo quỹ đạo tròn bán kính r hội tụ kính ảnh hay detector Khi chuyển động quỹ đạo tròn, ion chịu tác dụng lực hướng tâm Fht lực ly tâm Flt với: 𝐹ℎ𝑡 = 𝐵 𝑞 𝑣 𝐹𝑙𝑡 = 𝑚𝑣 𝑟 ⇒ 𝐵 𝑞 𝑣 = 𝑚𝑣 𝑟 𝑚 𝐵2 𝑟 ⇒ = 𝑞 2𝑈 ⇒𝑟=√ 2𝑈 𝑚 𝐵2 𝑞 Phổ kế trọng lượng thời gian bay: Hình Phổ kế trọng lượng thời gian bay Mô tả hoạt động: • Bước 1: Các phân tử ion hóa nguồn ion (ion source) với vận tốc 𝑣=√ 2𝑞𝑈 𝑚 • Bước 2: ion chuyển qua quadrupole mass filter có độ dài L sau đến cực colector 𝐿 𝑚𝐿 𝑣 2𝑞𝑈 • Bước 3: thời gian 𝑡 = ⇒ 𝑡 = √ CHƯƠNG NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA MÁY KHỐI PHỔ 2.1 Cấu tạo chung máy khối phổ Hình Sơ đồ cấu tạo đơn giản hệ thống khối phổ Gồm bốn khối chức chính: • • • • Hệ thống nạp mẫu Buồng ion hóa Bộ phân tích Bộ ghi tín hiệu Mỗi khối mang chức quan trọng khác nhau, quan trọng khối – tim máy khối phổ phận phân ly ion thành phần Nguồn ion hóa ❖ EI (Electron Ionization): Gia tốc điện tử sinh từ việc nung nóng dây kim loại, gia tốc để va cham với hợp chất tạo mảng ion Hình EI (Electron Ionization) ❖ CI (Chemical Ionization): Ngồi khí mang, lượng khí thử đưa vào buồng Sau kích thích, ion thử phản ứng với mẫu để tạo ion mẫu Hình CI (Chemical Ionization) ❖ ESI (Electrospray Ionization): Dung dịch mẫu vào vùng điện áp cao Dung dịch phun dạng sương, tác động tích điện vỡ liên tục cuối tạo ion mẫu tích điện Hình ESI (Electrospray Ionization) ❖ MALDI – MS: Sử dụng chất với lượng phân tử lớn, sau đố chiếu xạ laser dẫn đến hóa hơi, tạo trao đổi proton dẫn tới tạo ion cần khảo sát Hình MALDI – MS Bộ phân tích Bộ phân tích tính đặc trưng loại máy khối phổ • Bộ phân tích hội tụ đơn: Sử dụng từ trường để điều khiển quỹ đạo bay theo khối lượng Hình Bộ phân tích hội tụ đơn • Bộ phân tích hội tụ kép: Các ion trước qua từ trường quạt qua điện trường tĩnh để tách biệt với Hình 10 Bộ phân tích hội tụ kép • Bộ phân tích tứ cực: Không sử dụng từ trường mà sử dụng đồng thời điện áp chiều xoay chiều đặt vào trịn gọi cực Hình 11 Bộ phân tích tứ cực • Bộ phân tích thời gian bay: Thời gian bay ion từ nguồn đến detector tỉ lệ với tỉ lệ số khối m/e 10 Hình 12 Bộ phân tích thời gian bay Ion dectector • Faraday cup: Khi có ion đập vào bề mặt dynode, electron tạo điều kiện cho dòng điện hình thành Hình 13 Sơ đờ máy dị ion Faraday cup • Photomultiplier Dynode: Các ion đập vào mang phospho thay đập vào dynode tạo photon tăng lên theo cấp số nhân Lượng photon chuyển hóa thành dòng điện nguyên lý quang điện để định lượng ion Ưu điểm việc sử dụng photon phần nhân máy dị giữ kín chân khơng, ngăn ngừa nhiễm bẩn kéo dài đáng kể tuổi thọ máy dị 11 Hình 14 Sơ đờ máy dị ion Photomultiplier Dynode • Electron Multiplier: Các ion đập vào dynode electron tiếp tục đập vào lớp để tạo thành dòng đủ lớn Hình 15 Sơ đờ máy dị ion Electron Multiplier • Array detector: Các ion thu thập phát mảng cảm biến nhỏ xếp theo mạng lưới Mỗi cảm biến mảng thu thập liệu phần phổ kế trọng lượng, cho phép thu thập thơng tin diện tích lớn phổ kế trọng lượng thời gian ngắn 2.2 Nguyên lý máy khối phổ ❖ Nền tảng • Chuyển hợp chất chưa biết sang trạng thái ion • Sử dụng khác khối lượng phần tử thành phần hợp chất • Sử dụng tác động điện từ trường định luật vật lý để phân tách ion • Gia tốc hạt điều hướng di chuyển ion thu đầu đọc điện tử ❖ Nguyên lý • Ion hóa: Các mẫu ion hóa trạng thái điện tích khác đưa vào buồng gia tốc • Phân tích: Các ion phân tách tách cách đưa chúng qua mạch từ Mạch từ tạo trường từ để tách ion dựa khối lượng tính chất điện tích chúng Mạch từ ống dẫn dòng điện uốn cong thành hình vịng cung, tạo trường từ mạnh Khi ion tạo từ mẫu đưa vào mạch từ, chúng chịu tác động trường từ bị phân tách theo khối lượng chúng Các ion nhẹ bị 12 chuyển hướng nhiều trường từ, ion nặng bị chuyển hướng • Detector: Các ion phát cảm biến, thông thường máy dò điện tử Sự xuất ion ghi lại dạng tín hiệu điện • Hiện thị: Thơng tin tạo phân tích lưu trữ việc đo đạc cường độ dòng ion PC 13 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ TRỌNG LƯỢNG 3.1 Ứng dụng sinh học, y tế ❖ Xác định thành phần protein: Protein mà nhà nghiên cứu sinh học quan tâm thường kết hợp phức tạp nhiều protein phân tử khác nhau, tồn môi trường sinh học Điều đặt hai vấn đề chính: • Thứ nhất, hai kĩ thuật ion hóa dùng cho phân tử lớn làm việc tốt mà hỗn hợp từ thành phần có cấu tạo gần giống, trong mẫu sinh học, protein khác thường có lượng khác biệt lớn Khối Phổ hỗn hợp ion hóa dùng phương pháp phun ion (ESI) hay MALDI, protein dạng mà dư thừa nhiều có xu hướng giảm tín hiệu so với dư thừa • Vấn đề thứ hai, quang phổ khối từ hỗn hợp phức tạp khó để nghiên cứu có nhiều thành phần phức hợp Đó với tác động enzym, protein tạo hàng loạt sản phẩm peptit giải vấn đề Hai phương pháp sử dụng rộng rãi để phân mảnh protein, hay sản phẩm peptit từ tác động enzyme: • Phương pháp phân mảnh toàn protein gọi điện chuyển gel hai chiều (2-DE: two-dimensional gel electrophoresis) • Phương pháp thứ hai, ghi sắc lỏng hiệu cao (HPLC) dùng với phân mảnh peptit sau protein phân tách tác động enzym Trong số tình huống, cần phải kết hợp hai phương pháp Các vết gel xác định 2D Gel thường thuộc protein Nếu cần biết định danh protein đó, xem xét vết gel Khối peptit kết từ tác động enzym lên protein xác định khối phổ dùng lấy dấu khối peptit Nếu thông tin khơng cho phép xác định danh tính protein cách xác, peptit xem thuộc đo phổ khối tandem Việc xác định đặc tính hỗn hợp protein dùng HPLC/MS còn gọi shotgun proteomics mudpit Một hỗn hợp kết tác động enzym lên hỗn hợp protein phân mảnh theo hay hai bước ghisắc lỏng Chất tách rửa từ giai đoạn ghi sắc trực tiếp đưa vào máy đo phổ khối thơng qua ion hóa phun điện tử (ESI), hay tách thành loạt vết nhỏ để sử dụng sau phân tích khối MALDI Có cách khối phổ để lấy mẫu protein: • Lấy mẫu khối peptit (PMF): dùng khối peptit phân giải làm đầu vào để tìm kiếm CSDL khối biết trước từ danh sách protein biết Nếu chuỗi protein danh sách tham khảo trùng khớp với giá trị thử nghiệm có lí để tin protein có tồn mẫu gốc 14 • Tandem MS: trở thành phương pháp thử nghiệm phổ biến để xác định protein Phân ly va chạm (CID) dùng ứng dụng để khởi tạo tập phân mảnh từ ion peptit cụ thể Quá trình phân tách chủ yếu dựa vào chế phẩm phân tách để bẻ gãy liên kết peptit Vì đơn giản việc phân tách này, dùng khối phân mảnh quan sát để so trùng CSDL khối biết với hay nhiều chuỗi peptit 15 KẾT LUẬN Sau thời gian tìm hiểu nhóm có thu hoạch đáng kể mặt kiến thức Các bạn nhóm hiểu phổ kế trọng lượng ứng dụng phổ kế đời sống Nhìn chung, phần làm việc nhóm phần lớn thời gian tương đối thành cơng, có nhiều hạn chế thiếu sót Vì vậy, mong đóng góp ý kiến thầy để đề tài hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn! 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Thị Lan Hương, "Phổ kế trọng lượng," in Slide thiết bị đo y sinh môi trường [2] "Tài liệu," [Online] Available: https://text.xemtailieu.com/tai-lieu/baigiang-phuong-phap-pho-khoi-luong859550.html?fbclid=IwAR2jKu6uJfxRDZeXo7vYdRTCUdSLhPV6l_cy5HunfsTI3puHM79Wu5aeA4 [3] "Voer," [Online] Available: https://voer.edu.vn/m/phuong-phap-phokhoi-luong/cae418a4?fbclid=IwAR2twv2v2Pf5bAB9djjrcViPsuLjd2aNQSn7hb1hqZjo6Ps1Y-r6eh-A5o 17 ... chung phương pháp phổ kế trọng lượng Từ đó, chúng em hiểu rõ nguyên lí, cấu tạo, cách hoạt động ứng dụng quan trọng m? ?y phổ kế trọng lượng Qua bổ sung kiến thức ứng dụng thực tế m? ?y Phổ kế trọng lượng. .. dectector 11 2.2 Nguyên lý m? ?y khối phổ 12 CHƯƠNG ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHÁP PHỔ KẾ TRỌNG LƯỢNG 14 3.1 Ứng dụng sinh học, y tế 14 KẾT LUẬN 16... kế trọng lượng quỹ đạo bay Phổ kế trọng lượng thời gian bay: CHƯƠNG NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA M? ?Y KHỐI PHỔ 2.1 Cấu tạo chung m? ?y khối phổ Nguồn ion hóa