Khối Phổ Phân Giải Cao HRMS (High Resolution Mass Spectrometry) và ứng dụng

Bài trình bày về "Khối Phổ Phân Giải Cao HRMS (High Resolution Mass Spectrometry) và ứng dụng"

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC

 Bộ môn CN Hóa Hữu Cơ  -  -

TIỂU LUẬN PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH CÔNG CỤ

M C L CỤC LỤC ỤC LỤC

1 GIỚI THIỆU 4

2.TỔNG QUAN KHỐI PHỔ 5

2.1 Khối phổ là gì 5

2.2 Sự hình thành và nguyên tắc hoạt động 5

2.2.1 Sự Ion hóa 5

2.2.2 Phương pháp ion hóa 5

2.3 Máy khối phổ 6

3 KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO 11

3.1 Lịch sử 12

3.2 Tổng quan FT-ICR MS …12

3.3 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động 12

3.3.1 Cấu tạo 12

3.3.2 Nguyên tắc hoạt động 13

3.3.3 Ion chuyển động 14

3.3.4 Cyclotron Motion 15

3.3.5 Sự phát tín hiệu 17

3.3.6 Độ phân giải 19

3.3.7 Độ chính xác khối lượng 20

4 ỨNG DỤNG KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO 21

TÀI LIỆU THAM KHẢO 22

1 GIỚI THIỆU

Khối phổ (MS) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để xác định cấu tạo cáchợp chất cũng như sự biến đổi của các phản ứng Thông thường, các phép đo quangphổ khối lượng rất nhanh chóng , làm cho nó trở thành phương pháp lý tưởng đểcung cấp thông tin về các chất trung gian, theo dõi việc tiêu thụ chất phản ứng và sựhình thành sản phẩm Đây là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo, phântích chính xác khối lượng phân tử của chất dựa trên sự chuyển động của các hạtmang điện hay ion trong một điện trường hoặc từ trường nhất định

Khối Phổ Phân Giải Cao HRMS (High Resolution Mass Spectrometry)nghiên cứu các phản ứng xúc tác không đồng nhất Một trong những thách thức phảiđối mặt của các nhà hóa học từ nhiều lĩnh vực (ví dụ , xúc tác , hóa sinh, khoa họcvật liệu ) là xác định được danh tính của các ẩn số , cơ chế và động học của phảnứng, bản chất và sự ổn định của các chất trung gian Ví dụ , sự hiểu biết cơ chế phảnứng xúc tác có thể rất thuận lợi cho việc thiết kế các chất xúc tác theo ý muốn Cáccông cụ phân tích hiệu quả (ví dụ , FT- IR , NMR , X -ray ) thường được sử dụng đểnghiên cứu trạng thái bề mặt , hấp phụ loài , trung gian , và các sản phẩm Tuynhiên, nghiên cứu trong điều kiện thực tế các phản ứng hóa học và các họ trong đạidiện của hóa học và môi trường vật lý là một thách thức

Trong bài này, biến đổi Fourier cyclotron ion quang phổ cộng hưởng ( ICR/MS ) sẽ là một công cụ mạnh mẽ với độ chính xác cao về khối lượng cũng như

FT-độ phân giải sẽ là đại diện cho Khối Phổ Phân Giải Cao (HRMS) để làm thí nghiệmđiều tra các phản ứng hóa học FT-ICR/MS có khả năng cung cấp các giá trị khốilượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất Khi theo dõicác phản ứng tương đối phức tạp, các giá trị khối lượng của chất phản ứng , chấttrung gian , và các sản phẩm được ghi nhận đồng thời như một hàm của thời gian.FT- ICR MS đạt được độ phân giải cao và độ chính xác khi đo khối lượng tốt nhấttrong các phương pháp khối phổ Những thành tựu đáng chú ý là một số yếu tố như:phát hiện đa kênh, đo tần số , ổn định từ trường , và sự phụ thuộc của tần sốcyclotron trên từ trường và tỷ lệ khối lượng … Những tiến bộ đáng kể trong công

nghệ nam châm , thiết kế công cụ , và xây dựng tiếp tục tăng cường khả năng củaFT- ICR MS FT- ICR đã được áp dụng cho một loạt các thách thức phân tích vàđặc biệt phù hợp với việc phân tích các hỗn hợp phức tạp, và trong các ứng dụng khi

độ phân giải cao và độ chính xác đo khối lượng là thông số phân tích quan trọng

2.2.1 Sự ion hoá: nghiên cứu các chất bằng phương pháp khối phổ, các phân tử chất

nghiên cứu phải ở dạng khí hoặc hơi, phải được ion hoá bằng các phương pháp thíchhợp (va chạm điện tử ,bằng trường điện từ ,ion hoá học,chiếu xạ bằng các photon.)

2.2.2 Phương pháp ion hoá:

Ion hóa bằng va chạm điện tử

Trong buồng ion hoá, các điện tử phát ra từ cathode làm bằng vonfram hoặc reni,bay về anode với vận tốc lớn Các phân tử chất nghiên cứu ở trạng thái hơi sẽ vachạm với điện tử trong buồng ion hoá, có thể nhận năng lượng điện tử và bị ion hoá

Ion hoá bằng trường điện từ

Tại buồng ion hoá đặt các “mũi nhọn” là bộ phận phát từ trường dưới dạng dây dẫnmảnh (2.5 µm) hay các lưỡi mảnh , đặt điện áp vào các “mũi nhọn” cho một trườngđiện từ có gradien 107-1010 V/cm, các điện tử sẽ bị bứt khỏi phân tử chất nghiên cứu

do hiệu ứng đường hầm nên không gây sự kích thích,vẫn giữ nguyên ở trạng thái cơbản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh.

• Buồng ion hoá

• Bộ phân tích

• Bộ ghi tín hiệuDựa vào bộ phận phân tích mà người ta chia các loại máy khối phổ như sau:

• Bộ phận tích từ

• Bộ phận tích tứ cực

• Bộ phận tích theo thời gian

• Bộ phận tích cộng hưởng ion cyclotron

Theo tính năng bộ ghi, người ta chia các máy khối phổ thành hai loại:

• Máy khối phổ ký ghi bằng kính ảnh Tín hiệu phổ được ghibằng kính ảnh ở dạng vạch có độ đen khác nhau

• Máy khối phổ kế: các tín hiệu của chùm ion được ghi dưới dạngxung điện bằng các dao động ký điện tử nhiều kênh, hoặc đưavào máy tính điện tử,tín hiệu sẽ được đưa ra dưới dạng bảng sốhoặc đồ thị thích hợp

Ngày nay trong phân tích khối phổ người ta dùng các máy khối phổ kế

2.3.2 nguyên lý hoạt động của máy khối phổ

• Mẫu chất cần phân tích sẽ được chuyển thành trạng thái hơi, sau đó mới bắtđầu quá trình đo khối phổ

• Để đo được đặc tính của các phân tử cụ thể, máy khối phổ sẽ chuyển chúngthành các ion,kiểm soát chuyển động của chúng bởi các điện từ trường bênngoài

• quá trình được thực hiện trong môi trường chân không

• Trong khi áp suất khí quyển vào khoảng 760 mmHg, áp suất môi trường xử

lý ion thường từ 10-5 đến 10-8 mmHg (thấp hơn một phần tỉ của áp suất khíquyển)

• Ion sau khi được tạo thành sẽ được phân tách bằng cách gia tốc và tập trungchúng thành một dòng tia mà sau đó sẽ bị uốn cong bởi một từ trường ngoài

• Các ion sau đó sẽ được thu nhận bằng đầu dò điện tử và thông tin tạo ra sẽđược phân tích và lưu trữ trong một máy vi tính

2.3.3 Diễn giải cách hoạt động và ví dụ:

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 tíchcủa 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 cácion điện tích dương thì chỉ có ion Na+ là được nhận ra bởi máy .Một trong những

tính năng lớn của khối phổ lượng là có thể tìm thấy cấu tạo không gian của phân tử

ví dụ phân tử C7H14O2 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 Dưới đây là một khối phổ

(electrospray)của phân tử Kaempferol-rhamnose-rhamnose-glucose(m/z 741) trong loại cỏ thaliana, phân tích với 5.10−6L (nếu dùng máy MALDI thì chỉ cần 0,5.10−6L)

2.3.4 Ứng dụng:

 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 riêngcủa 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 trungtính trong chân không)

 Xác định các thuộc tính vật lí, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất vớinhiều hướng tiếp cận khác nhau

3 KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO

3.1 LỊCH SỬ

FT-ICR được phát minh bởi Melvin B Comisarow và Alan G Marshall [8] tại Đạihọc British Columbia Bài báo đầu tiên xuất hiện trong Chemical Physics Lettersvào năm 1974 [9] Lấy cảm hứng từ các công trình đã phát triển trước đó như ICR(ion cyclotron resonance ) và FT-NMR (Fourier Transform Nuclear Magnetic

Resonance) Marshall đã tiếp tục phát triển các kỹ thuật đó tại Đại học bang Ohio vàĐại học bang Florida.

3.2 TỔNG QUAN VỀ FT-ICR MS:

FT-ICR/MS là 1 trong các phương pháp khối phổ, có độ chính xác và độphân giải cao nhất, có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải caocủa các phân tử để xác định các hợp chất Khi theo dõi các phản ứng tương đốiphức tạp, các giá trị khối lượng của chất phản ứng , chất trung gian , và các sản

phẩm được ghi nhận đồng thời như một hàm của thời gian Những thành tựu đáng

chú ý là một số yếu tố như: phát hiện đa kênh, đo tần số , ổn định từ trường , và sựphụ thuộc của tần số cyclotron trên từ trường và tỷ lệ khối lượng … Những tiến bộđáng kể trong công nghệ nam châm , thiết kế công cụ , và xây dựng tiếp tục tăngcường khả năng của FT- ICR MS FT- ICR đã được áp dụng cho một loạt các tháchthức phân tích và đặc biệt phù hợp với việc phân tích các hỗn hợp phức tạp, và trongcác ứng dụng khi độ phân giải cao và độ chính xác đo khối lượng là thông số phântích quan trọng

Trong lĩnh vực rộng của khối phổ , FTICR -MS thu hút sự chú ý vì sự kếthợp của tính chính xác khối lượng cao với độ phân giải siêu cao và khối lượng rấtcao Kỹ thuật đa năng này không chỉ áp dụng trong hóa học hữu cơ , vô cơ , cơ học,môi trường, mà còn trong nghiên cứu về công nghệ sinh học Mặc dù nói chung , bất

kỳ chất nguồn trong hay ngoài nào cũng có thể được sử dụng cho mẫu ion hóa , sựkết hợp với ion hóa phun điện tử ( ESI ) hoặc ma trận hỗ trợ tia laser giải hấp / ionhóa ( MALDI ) thường bị đụng độ Nó chỉ là gần đây rằng một nguồn MALDI mới

đã được phát triển đặc biệt cho FTICR - MS Tự động giới thiệu mẫu để tạo điềukiện phân tích thông lượng cao với các kỹ thuật trên mạng của ESI là đơn giảnnhưng cũng có thể làm với phương pháp ion hóa MALDI Khả năng của ESI để ionhóa các hợp chất ở áp suất khí quyển làm cho nó tuân theo khớp nối với sắc ký lỏnghiệu năng cao (HPLC ) và mao mạch điện (CE) Các phân tích tế bào có thể được

sử dụng như buồng phản ứng cho các phản ứng ion / phân tử, và phân mảnh ionnhiều bước có thể được thực hiện để phân tích cấu trúc Để kết thúc , một số kỹthuật có sẵn: hồng ngoại nhân quang phân ly ( IRMPD ) , bề mặt gây ra phân ly(SID) , vật đen phân ly hồng ngoại ( BIRD ), phân mảnh tia cực tím ( UVPD ) , vụ

va chạm gây ra va chạm hoặc kích hoạt phân ly (CID hoặc CAD) và bắt electronphân ly ( ECD) Kể từ khi được giới thiệu vào năm 1974 bởi Comisarow vàMarshall , quan tâm FTICR -MS đã tăng lên đều đặn và do đó , một lượng lớn cáccông cụ đã được cài đặt trên toàn thế giới Mặc dù nguyên tắc ICR- MS không phải

là mới , nó chỉ là kết quả từ sự ra đời của kỹ thuật ion hóa của ESI và MALDI,nhưng nó đã thu hút được sự chú ý của các nhà phân tích peptide và protein Trong

số rất nhiều các ý kiến được công bố , Marshall và cộng sự và Amster đã cho ra mộttổng quan tốt hơn và giới thiệu kỹ thuật này

3.3 CẤU TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG:

độ từ trường ngày càng tăng nên hiệu suất của thiết bị FTICR -MS được cải thiện.Như vậy , việc giải quyết khối lượng tỉ lệ thuận giữa cường độ từ trường di truyền

và khối lượng cao nhất với tỷ lệ ( m / q ) có thể được xác định trong các tế bào phântích trong nếp gấp, với bình phương của từ trường phụ trách Điều này đã dẫn đếnviệc sử dụng các nam châm siêu dẫn ngày càng mạnh mẽ và các công cụ sử dụngnam châm với cường độ mạnh là 11,5 T ( Tesla ) hoặc thậm chí 20 T đã được xâydựng Nói chung , nam châm siêu dẫn với thế mạnh từ trường là 3,0 T , 4,7 T , 7,0 T, 9,4 T hay được sử dụng Heli lỏng là cần thiết để duy trì các cuộn dây ở nhiệt độ4,2 Kelvin Thiết bị phụ trợ như máy bơm quay , máy tính, vv, phải được bảo vệchống lại các từ trường mạnh Nam châm có thể được bảo vệ một cách thụ độnghoặc với sắt tấm hoặc tích cực bằng cách đặc trong một vùng từ trường đền bù

3.3.2 Nguyên tắc hoạt động:

Trung tâm của FTICR -MS là tế bào phân tích Ở đây các ion đang bị mắc kẹt , tiếpxúc với từ trường , buộc phải chuyển động cyclotron của nó , phân tích , và sẽ được

dò ra Sử dụng một tế bào ion bẫy để tăng cường thời gian dò , để tăng độ nhạy và

độ phân giải Các tế bào nằm trong khu vực đồng nhất của từ trường Trái ngượcvới NMR ( cộng hưởng từ hạt nhân khối phổ), các từ trường được đặt theo chiềungang và có một lỗ khoan rộng để chứa các tế bào phân tích Chức năng của các tếbào phân tích được phát huy tốt nhất ở dạng là một tế bào khối (Hình 1), mặc dù rấtnhiều thiết kế khác nhau khác ( hình trụ , thoi , vv) đã được xây dựng Ba cặp đốinghịch nhau của tấm kim loại hình thành các khối lập phương được định vị, mà mộtcặp ( tấm kim loại bẫy ) nằm mỗi vuông góc và hai cặp khác ( kích thích và dò )song song với các đường sức từ Trong hình 1 một trong những tấm bẫy có một lỗthông qua đó các ion có thể nhập vào tế bào (Hình 1)

Hình 1: Chuyển động cyclotron và quá trình kích thích được thể hiện bằng sơ đồ

Ion bị mắc kẹt và được lưu trữ nhiều giờ trong tế bào bằng cách áp dụng mộtđiện áp nhỏ lên các tấm bẫy (thường là + /- 1-2 Volts , tùy thuộc vào sự phân cựccủa các ion ) Đồng thời các tấm kích thích và các tấm phát hiện được giữ với điệnthế của mặt đất Thành phần thứ ba là hệ thống chân không siêu cao Mặc dù tất cảcác loại khối phổ kế đòi hỏi chân không, FTICR -MS là nhạy cảm nhất trong lĩnh

vực này Như đã đề cập ở trên , các ion có thể được lưu trữ trong thời gian dài trong

tế bào phân tích Thời gian dừng dài của các ion trong tế bào chỉ có thể trong chânkhông rất cao, là nguyên nhân các phân tử khí còn sót lại từ không khí làm phiền cácchuyển của các ion và do đó rút ngắn thời gian để phân tích và phát hiện Độ phângiải siêu cao để thực hiện khối lượng phân tích, áp suất 10-9 đến 10-10 mbars là cầnthiết trong phổ FTICR khối lượng Chân không như vậy được cung cấp bởi máybơm phân tử tuabin máy bơm hoặc đông lạnh Trong trường hợp của ESI , trong đóchất tan bị ion hóa dưới áp suất khí quyển , nhiều giai đoạn bơm được yêu cầu đểvượt qua sự chênh lệch áp lực rất lớn từ các ion ban đầu để phát hiện ion

3.3.3 Ion chuyển động

ion mô tả ba hình thức rời rạc của chuyển động trong các tế bào phân tích : bẫychuyển động, chuyển động cyclotron, và magnetron chuyển động (Hình 2) Sau khitiêm vào các tế bào , các ion trải qua dao động điều hòa trong điện trường giữa cáctấm bẫy ( bẫy chuyển động ) Đồng thời , các ion trong tế bào phân tích tiếp xúc với

từ trường mạnh và trải qua chu kỳ ổn định chuyển động trong một mặt phẳng vuônggóc với từ trường, được gọi là chuyển động cyclotron Chuyển động của các ionsong song với từ trường không bị ảnh hưởng bởi lĩnh vực này Mỗi ion quay với tần

số điển hình của nó đối với khối lượng tỷ lệ của nó (m / q), cái gọi là tần sốcyclotron Tần số này nằm trong khoảng vài kilohertz đến vài MHz Chuyển độngthứ ba, được gọi là chuyển động magnetron, mà tập trung vào các trục di động, phátsinh từ sự kết hợp của từ trường và điện trường Sự kết hợp của ba chuyển động dẫnđến một phong trào ba chiều phức tạp của các ion trong tế bào phân tích

3.3.4 Cyclotron Motion

Chuyển động theo chu kỳ của các ion do một vùng từ trường mạnh là cơ sở củaFTICR-MS Ở đây chúng tôi giải thích một cách đơn giản theo nguyên tắc cyclotronchuyển động Trong một vùng từ trường B, ion với điện tích q và vận tốc thực vvuông góc với cả các ion tốc độ và từ trường dòng , tuân theo lực Lorentz FL,[phương trình (1)]