Cách độc phổ khối lượng MS

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG MSPhương pháp MS có đặc điểm: - Độ nhạy cao - Vạn năng: Có thể phân tích nhiều đối tượng từ phân tích nguyên tố đến các phân tử protein phức t

1912: Phương pháp này lần đầu tiên được Tomxon (người Anh) sử dụng để phát

hiện đồng vị của một số nguyên tố

1918: Arnot và Milligant sử dụng phương pháp ion hóa các phân tử rồi sau đó dẫn

qua môi trường từ tính

1919: Aston sử dụng phương pháp này để xác định khối lượng các nguyên tử

1946: Stephens phát triển phương pháp bằng cách gắn thêm thiết bị đo thời gian bay

1953-1958: Nhóm NC của Paul sử dụng phương pháp trong phân tích khi dùng thêm

bộ lọc tứ cực

1965: Gohlke và Mclafferty kết nối với sắc ký khí GC-MS

1

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phương pháp MS có đặc điểm:

- Độ nhạy cao

- Vạn năng: Có thể phân tích nhiều đối tượng từ phân tích nguyên tố đến các phân tử protein phức tạp

- Có tính chuyên biệt và độ chọn lọc cao

Ứng dụng quan trọng hơn của phương pháp MS hiện nay là để nhận dạng và thiết lập cấu trúc các hợp chất hữu cơ Việc phân tích thành phần phân tử trong hỗn hợp phức tạp của các chất hữu cơ thường được tiến hành sau khi đã tách chúng bằng sắc ký Sắc ký khí ghép khối phổ (GC-MS) là phương pháp kết hợp đang được sử dụng trong nghiên cứu, nhất là với các chất hữu cơ

• Mẫu phân tích được hoá hơi thành các nguyên tử, phân tử

• Các nguyên tử, phân tử được ion hoá trong các thiết bị ion hoá phù hợp với từng loại mẫu phân tích

• Các ion dương tạo thành được tách theo tỷ số m/z (với m-là khối lượng ion dương, z-là điện tích của ion đó) qua tương tác tổ hợp của chùm ion dương với điện trường gia tốc và từ trường

• Việc ghi nhận các chùm ion dương đã được tách có thể thực hiện trên kính ảnh hoặc bằng detector biến đổi cường độ dòng các ion dương thành dòng điện

3

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

4.1.2 Các phương pháp ion hoá

• Ion hóa điện tử (EI: Electronic ionization): sử dụng electron có năng lượng đủ lớn để va

đập vào phân tử M tạo ra ion gốc M+o Ion này sau đó bị phân tách thành nhiều mảnh nhỏ

đưa vào trong thiết bị ion hóa chứa lượng dư các khí có khối lượng phân tử nhỏ như H2,

CH4, NH3… Các khí này bị ion hóa trước sau đó mới trao đổi điện tích với các phân tử chất cần phân tích

5

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Ví dụ:

• PP ion hóa electrospray (ESI):

Mật độ các hạt mang điện trở nên quá cao dẫn đến nổ tạo ra các vi hạt chứa các phân tử [MH]+ hoặc [M-H]+

Ở áp suất khí quyển, những giọt

nhỏ chất rất nhỏ được tạo thành

mang một điện thế cao Dưới tác

dụng của điện trường và dòng khí

đồng trục tạo ra đám mây các giọt

nhỏ mang điện Dưới tác dụng của

dòng khí nóng thứ hai, các giọt này

bị bay hơi từ từ

7

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

• PP ion hóa bằng bắn phá bởi tia laser, plasma, tia lửa điện

9

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

4.1.3 Các loại quang phổ kê

 a) Quang phổ kê từ tính (secteur magnétique)

động năng:

Trong đó: z - điện tích ion dương

m - khối lượng ion

V - vận tốc ion

Suy ra:

2 0

2

1

mV zU

m

z U

V = 2 0.

Dưới tác dụng của từ trường, các ion dương chuyển động theo các quỹ đạo tròn bán kính r rồi hội tụ trên kính ảnh hay detector Khi chuyển động trên các quỹ đạo cong, các ion chịu tác dụng của lực hướng tâm (Fht) và lực ly tâm (Flt) với:

H – cường độ từ trường Điều kiện chuyển động của các ion theo quỹ đạo bán kính r là sự cân bằng của hai lực

V z H

r

V m

2

=

0

2 2

2U

r H z

m =

11

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

13

b) Bộ lọc tứ cực FD (filtre quadripolaire)

 c) Bẫy ion (Piège à ion)

15

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

 d) Xác định thời gian bay

Nguyên lý: Các ion có khối lượng khác nhau thì vận tốc bay trong từ trường cũng khác nhau Động năng của hạt là:

Với: q là điện tích ion, V là cường độ điện trường

Động năng của hạt ion với vận tốc v là 1/2mv2 Ta có

hayNhư vậy, hạt có khối lượng càng nhỏ thì có vận tốc càng lớn

L là chiều dài của ống thì thời gian bay của hạt ion là

17

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

4.1.4 Phân tích định tính và định lượng

m/z

I

Trên đồ thị phổ khối, trục tung là cường độ chùm

ion dương đi vào detector, trục hoành là tỷ số m/z

-Phân tích định tính: Dựa theo phổ các mẫu chuẩn

có thể xác định sự có mặt của các nguyên tố, phân

tử có trong mẫu phân tích

- Phân tích định lượng: Theo cường độ vạch phổ của mẫu phân tích chứa nguyên tố,

chất cần phân tích, so sánh với cường độ vạch phổ của mẫu chuẩn có thể xác định

nồng độ

4.1.5 Phân tích nguyên tố

Trước khi ion hoá phải chuyển mẫu vào trạng thái nguyên tử ở thể hơi Dùng các nguồn kích thích để vừa bảo đảm quá trình nguyên tử hoá mẫu, vừa bảo đảm sự ion hoá nguyên tử Có thể dùng tia lửa, laze, plazma (thường dùng ICP-plazma cảm ứng cao tần) hoặc bắn phá bằng chùm các ion Sau đó các dòng ion dương tạo thành sẽ được gia tốc trong điện trường

Phương pháp dùng tia lửa điện: có độ chọn lọc và độ nhạy cao (giới hạn phát hiện đạt

10-12gam), có thể phân tích đồng thời nhiều nguyên tố (60-70 nguyên tố)

Hạn chế của phương pháp là mẫu thử phải dẫn điện Tuy nhiên có thể khắc phục bằng cách rải một lớp kim loại tinh khiết lên bề mặt của mẫu

19

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phương pháp dùng tia laze, plazma: bảo đảm nguyên tử hoá và ion hoá mẫu, các đặc

trưng phân tích cũng giống như dùng tia lửa điện

Phương pháp dùng chùm ion bắn phá: Để ion hoá mẫu dùng các ion sơ cấp argon,

oxi hay các khí khác được tạo thành từ súng bắn ion Chùm các ion sơ cấp tập trung bắn phá mẫu phân tích, các ion thứ cấp sinh ra từ mẫu

Phương pháp này thuận tiện để nghiên cứu và phân tích cục bộ bề mặt vì sự hình thành khuyết tật ở bề mặt mẫu khi bắn phá không lớn và các ion sơ cấp thâm nhập vào mẫu nghiên cứu không sâu Phương pháp này có giới hạn phát hiện rất nhỏ, tới 10-18gam

Ion phân tử CH4+ • cho pic cơ sở là M+ •, pic cường độ nhỏ có số khối lớn hơn 1 đơn vị tương ứng với phân tử metan chứa đồng vị 13C thay vị trí của 12C Pic này được gọi là pic (M+1)+ • Do đó các hợp chất hữu cơ đều đi kèm pic nhỏ có số khối lớn hơn 1 đơn vị.

Đetơri 2H là đồng vị hiđro, hàm lượng tự nhiên chỉ có 0,015% nên không thấy được pic tương ứng trên phổ khối

Oxi có 2 đồng vị: 16O (chiếm 99,759%) và 18O (chiếm 0,204%)

Lưu huỳnh có 3 đồng vị: 32S (95%), 33S (0,76%) và 34S (4,22%)

Clo có 2 đồng vị: 35Cl (75,53%), 37Cl (24,47%)

Các nguyên tố trên đều có pic của đồng vị có số khối lớn hơn 2 đơn vị so với pic của ion phân tử, các pic này gọi là các pic (M+2)+ • Do đó các hợp chất hữu cơ chứa O, S, Cl đều có các pic (M+2)+ • trên phổ khối của chúng do sự có mặt của các đồng vị 18O, 34S và 37Cl

21

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Chlobenzene

112

114VD

Trong clorobenzen, khoảng 25% các nguyên tử clo là 37Cl, do đó pic M+ • (112) có cường

Độ bền của các cacbocation tăng dần theo dãy sau:

Sự xâm nhập của một electron NL cao vào phân tử tạo thành cation gốc do mất 1e Tiếp theo sẽ xảy ra quá trình chuyển vị hoặc phân mảnh phụ thuộc vào cấu trúc của phân tửSự phân mảnh xảy ra theo chiều hướng tạo thành các cacbocation bền vững hơn

23

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

4.3.1 Ankan

Đối với các ankan mạch thẳng, quá trình sẽ tạo ra mảnh có khối lượng m/e = M-15 tương

ứng với sự tách ra nhóm metyl

Thông thường quá trình tạo ra các mảnh m/e = 29, 43, 57, 71 ứng với M-14n-15

Ngoài ra có thể tạo thành phân tử etilen

VD: Phổ khối của butan và isobutan như hình dưới đây: M= 58

25

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 4.3.2 Anken

Trong phổ khối của anken thường xuyên xuất hiện mảnh m/e = 41 ứng với cacbocation

allylic

VD: Buten -1

M = 56

Quá trình phân mảnh trong ankin cũng xảy ra tương tự như trong anken Các mảnh thường xuyên thu được là 25 ( ), 39 ( )+ Mảnh rất quan trọng 53 ứng với quá trình phân tách β ( )+

H2C

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 4.3.3 Hidrocacbon thơm

Phổ MS của các hydrocacbon thơm có 1 pic lớn của phân tử vì nhân thơm rất bền khó phân mảnh như phổ của benzene dưới đây

Pic của ion phân tử gần như không tồn tại vì các phân tử rượu dễ dàng đề hiđrat hóa Trong các trường hợp đặc biệt, phổ của rượu gần giống với phổ của các anken

Mảnh thường xuyên gặp là:

Đối với các rượu phân nhánh rất

khó khăn khi phân tích quá trình

phá mảnh

+

2-metyl-butan-1-ol (M = 88)

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Pic có m/e = 57 rất bền nhưng rất khó để giải thích sự hình thành nên cacbocation đó Pic có m/e = 70 tương ứng với quá trình đề hydrát hóa như sau:

a) Cắt liên kết α của nhóm metoxylbutan

b) Đóng vòng tạo cyclobutan

Quá trình phá mảnh của các ete xảy ra tương tự như đối với các rượu

31

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phổ MS của metoxylbutan (M = 88)

Quá trình phân mảnh của các amin xảy ra tương tự như ở rượu, còn các amin bậc hai tương tự như ete.

VD: Phổ MS của N-metyl isopropyl amin

33

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

d) Chuyển vị McLafferty

35

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phổ MS của pentanal (M = 86)

4.3.8 Xêton

Phân mảnh xêton R’COR” thường cho hai mảnh R’CO+ và R”CO+ VD

37

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Mức độ kém hơn:

Pic m/e = 57 tương ứng với cacbocation rất bền

Phổ MS của 3,3-đimetyl butan-2-on (M = 100)

39

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 4.3.9 Axit

Chuyển vị dạng McLafferty ở axit butanoic

Tạo hai mảnh rất bền m/e = 45 và 57 trong trường hợp của axit 2,2-đimetyl

propanoic ứng với quá trình phân cắt liên kết α

Phổ MS của axit 2,2-đimetyl propanoic (M = 102)

41

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS) 4.3.10 Este

Sự phân mảnh của các este xả ra tương tự như ở axit, tuy nhiên có vài điểm khác nhau như sau

Phổ MS của n-propyl etanoat (M = 102)

43

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phổ MS của etyl propanoat (M = 102)Đối với este đồng phân, phổ MS của etyl propanoat lại phức tạp hơn

a) propanamit

Thường xuyên quan sát được pic của ion phân tử và sự phá mảnh xảy ra khi cắt các liên kết ở vị trí α của nhóm C=O

45

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Có thể xảy ra sự chuyển vị McLafferty

b) benzamit

47

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP PHỔ KHỐI LƯỢNG (MS)

Phổ MS của benzamit

BT xem MS

49

Giải thích sự tạo thành các mảnh trong các phổ cho sau đây