- Si O Si + (C H) SiNHSi(CH ) Si O Si + NH OH OH ( CH ) SiO OSi(CH )
2.4.4. Detector khối phổ
Máy khối phổ là một detector vạn năng cho phân tích định tính và định lượng các chất hữu cơ cả sắc ký khí lẫn sắc ký lỏng.
Trong phương pháp khối phổ, các phân tử khí bị ion hóa (thường tạo cation) được tăng tốc trong một trường điện từ và sau đó được tách theo khối lượng của nó. Quá trình ion hóa thường cung cấp đủ năng lượng đến phân tử để phá vở nó thành những mảnh khác nhau.
Một phổ khối là một biểu đồ cho thấy lượng tương đối của mỗi mảnh vở tạo ra từ detector khối phổ. Trong sắc ký khí mỗi pic của sắc kí đồ tương ứng với một chất phân tích đã được tách ra được nhận diện bởi một phổ khối.
Hình là một phổ khối của hợp chất được nhận diện khi so sánh với thư viện phổ của những hợp chất đã biết. Trục hoành của phổ khối là m/z, khối lượng của ion chia cho điện tích của ion. Phần lớn các ion đều mang điện tích +1 nên m/z thường chính là khối lượng của ion (đ.v.C). Trục tung chỉ thành phần % tương đối của các ion so với ion có lượng lớn nhất được qui ước 100%.
Trong phổ khối có một pic quan trọng của ion phân tử không bị phá vở thành các mảnh. Dựa vào tỉ lệ của các đồng vị của một nguyên tố trong tự nhiên, ta có thể nhận thấy tỉ lệ này xuất hiện trong phổ khối qua tỉ lệ của các ion phân tử của các đồng vị. Ví dụ ta có thể hiểu điều này trong phổ khối của 1-brombutan. Vì tỉ lệ của nguyên tố brom trong tự nhiên là 50.52% 79Br và 49.48% 81Br, pic tại m/z=136 của ion phân tử C4H979Br có cường độ lớn hơn một chút so với pic của ion phân tử tại m/z=138 của phân tử C4H981Br.
Hình 2.7: Sắc kí đồ và phổMS tương ứng của 1-Butanol và 1-Bromobutane.
2.4.4.2.Máy khối phổ nam châm hình quạt
Các phân tử khí đi vào nguồn ion hóa bằng va chạm electron và bị bắn phá bởi các electron có năng lượng động học khoảng 70 eV. Năng lượng này đủ lớn để ion hóa các phân tử (M + e →M+ + 2e) và phá vỡ chúng thành những mảnh vỡ nhỏ hơn.
Một thế hiệu dương nhỏ ở đĩa đẩy (repeller plate) đẩy những ion hướng về ống phân tích và một thế nhỏ ở các đĩa hội tụ ion (ion focus plates) gia tốc ion giúp các ion có vận tốc cao bị tống khỏi phần đáy của bộ phận này và đi vào ống phân tích.
Ống phân tích (Analyser tube) được duy trì ở áp suất chân không cao (khoảng 10-5 Pa) để các ion chuyển động qua ống không bị lệch hướng bởi những va chạm với các phân tử khí pha động.
Các cation di chuyển qua ống phân tích chịu tác động của từ trường đặt vuông góc với hướng di chuyển của chúng. Trường này sẽ hướng các cation về detector đặt ở cuối ống phân tích.
Một khe ở detector chỉ cho những ion trong một khoảng giá trị khối lượng nhỏ xác định tiếp cận detector. Các phân tử có khối lượng không phù hợp va phải các thành ống hoặc bị loại bỏ bởi khe thoát ion nên không vươn tới được detector.
Tại bộ phận thu ion (ion collector), mỗi cation đến bị trung hòa bởi một electron. Dòng điện đòi hỏi để trung hòa chùm ion tỉ lệ với số lượng các ion đến bộ phận thu ion này. Phổ khối là một đồ thị cho thấy dòng điện như là một hàm của số khối được chọn bởi từ trường.
Phương pháp ion hóa bởi tương tác electron (electron impact ionization) cho phổ khối có nhiều mảnh vở. Ion phân tử có thể có hàm lượng thấp thậm chí bị biến mất.
Nếu phân tử lớn thì việc có quá nhiều mảnh vở sẽ làm cho việc giải thích phổ khối của nó gặp nhiều khó khăn. Trong trường hợp này các chương trình máy tính có thể được sử dụng để làm khớp phổ của chất chưa biết này với một phổ khối đã biết trong thư viện phổ lưu trong máy tính.
Nguyên tắc hoạt động với nguồn ion hóa hóa học:
Một kỹ thuật tinh tế sản sinh ra ít mảnh vở hơn là sự ion hóa hóa học (chemical ionization). Trong trường hợp này, nguồn ion hóa được đổ đầy metan ở áp suất khoảng 100 Pa.
Các electron được cung cấp đủ năng lượng để chuyển CH4 đến những sản phẩm hoạt động khác:
CH4 + e → CH4+ + 2e CH4+ +CH4 → CH5+ + CH3
CH5+ là chất nhường photon khi tương tác với chất phân tích cho MH+, thường là ion có hàm lượng lớn nhất trong phổ khối ion hóa hóa học metan (methane chemical ionization mass spectrum).
CH5+ + M → CH4 + MH+
2.4.4.3.Máy khối phổ tứ cực
Máy khối phổ nam châm hình quạt thường ít được chọn để ghép nối với sắc kí bởi vì từ trường không thể thay đổi đủ nhanh để ghi phổ của những dải sắc kí hẹp. Loại được sử dụng phổ biến hiện nay để kết nối với sắc kí là máy khối phổ tứ cực (quadrupole mass spectrometer).
Khi đó mỗi chất hòa tan trong cột sắc kí được tách được thể hiện dưới dạng pic. Chất đó được dẫn đến buồng ion hóa tương tác electron có áp suất chân không, tại đây các phân tử chất phân tích bị các electron được gia tốc bắn phá tạo các ion mảnh vở. Các ion này lại tiếp tục được gia tốc bởi một thế khoảng 5-15 V trước khi đi vào bộ tách theo khối lượng tứ cực (quadupole mass seperator).
Bộ tách gồm 4 thanh kim loại song song với nhau, trong đó một cặp sẽ được áp vào một thế không đổi và cặp kia một thế hiệu dao động tần số radio. Từ trường được tạo ra làm lệch các hành trình phức tạp khi chúng di chuyển từ buồng ion hóa hướng đến detector và chỉ các ion nào có tỉ số khối lượng với điện tích (m/z) đã chọn trước mới tiếp cận với detector. Các ion khác va đập vào các thanh kim loại và bị mất trước khi vươn đến detector.
Bằng việc thay đổi nhanh chóng thế áp vào, các ion có khối lượng khác nhau được chọn lọc để được tiếp cận với detector. Các bộ tách khối phổ tứ cực được quét đủ nhanh để ghi hai đến tám phổ trong một giây với khoảng 800 đơn vị khối.