Phương pháp phổ khối lượng là một trong những phương pháp quan trọng ñể xác ñịnh cấu trúc của các hợp chất nói chung. Phương pháp này có nhiều ứng dụng, bao gồm:
Xác ñịnh các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tử hợp chất hay từng phần tách riêng của nó.
Xác ñịnh kết cấu chất ñồng vị của các thành phần trong hợp chất Xác ñịnh cấu trúc của một hợp chất bằng cách quan sát từng phần tách riêng của nó
ðịnh lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phương pháp khác (phương pháp phổ khối vốn không phải là ñịnh lượng)
Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học về ion và chất trung tính trong chân không)
Xác ñịnh các thuộc tính vật lí, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất với nhiều hướng tiếp cận khác nhau
ðối với phức chất, phương pháp phổ khối lượng góp phần tích cực trong việc khảo sát thành phần và cấu trúc của chúng, ñặc biệt là những phức chất có phối tử là các hợp chất hữu cơ. Ngoài việc thay thế cho phương pháp phân tích nguyên tố, phổ khối lượng còn cung cấp một thông tin vô cùng quan trọng là trọng lượng phân tử.
Cơ sở của phương pháp là sự bắn phá các phân tử trung hòa thành các ion phân tử mang ñiện tích dương, các mảnh ion hoặc các gốc bằng các phần tử mang năng lượng cao (chùm electron, notron…). Sự phá vỡ này phụ thuộc vào cấu tạo của phân tử, phương pháp bắn phá và năng lượng bắn phá. Quá trình này gọi là quá trình ion hóa.
Quá trình ion hóa phân tử có thể thực hiện bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp va chạm electron (EI), phương pháp ion hóa phun ñiện (ESI), phương pháp ion hóa hóa học (CI), phương pháp ion hóa trường (FI),…
EI là kĩ thuật ion hóa ñược sử dụng từ lâu và rất phổ biến trong phương pháp phổ khối lượng, chủ yếu là ñể nghiên cứu các phân tử hữu cơ. Trong phương pháp EI, quá trình ion hóa ñược thực hiện nhờ sự tương tác giữa chất phân tích và chùm electron mang năng lượng cao tạo ra một gốc cation gốc:
M + e→ M+ • + 2e-
Phương pháp EI thích hợp ñể nghiên cứu các phân tử hữu cơ có khối lượng phân tử tương ñối nhỏ (M<700). Các phân tử này phải dễ dàng chuyển sang pha khí mà không bị phân hủy nhiệt khi bị nung nóng. Do ñó, các mẫu sử dụng trong phương pháp EI phải dễ bay hơi và bền nhiệt. Năng lượng ion hóa ñược sử dụng trong phương pháp EI thường bằng 70eV ñể ñạt ñược ñộ nhạy tốt nhất [8].
Trong ñiều kiện của phương pháp EI, một số chất bị phân mảnh quá nhanh, dẫn ñến không thu ñược ion phân tử cần thiết. Do ñó, không cung cấp ñược thông tin về khối lượng phân tử hoặc có nhưng không chính xác.
Còn trong ñiều kiện của phương pháp CI, sự phân mảnh xảy ra rất ít phụ thuộc vào tác nhân khí, ion [M+X]+ (X = H, NH4, NO,…) hoặc [M+X]- (X = F, Cl, OH, O,…) sẽ cho thông tin về khối luợng phân tử của chất.
Phương pháp EI cho thông tin về sự phân mảnh còn phương pháp CI không hoặc rất ít cho thông tin về sự phân mảnh bởi vì trong ñiều kiện CI chỉ có một lượng ít ion phân mảnh. CI thường ñược gọi là phương pháp ion hóa “mềm” bởi vì năng luợng cho phân tử (M) trong quá trình ion hóa thấp. Vì vậy, những chất mà phổ khối lượng không chứa những ion phân tử bằng phương pháp EI sẽ nhận ñược thông tin khối lượng phân tử dưới ñiều kiện CI. Do ñó, phương pháp CI thường ñược sử dụng cùng với phương pháp EI
ñóng vai trò bổ sung thông tin về khối lượng phân tử cho nhau [8].
Phương pháp ESI là phương pháp ion hóa chủ yếu ñược sử dụng ñể
nghiên cứu các phân tử có khối lượng lớn và khó bay hơi như các hợp chất peptit, protein, polime và hợp chất cơ kim loại. Trong phương pháp ESI, mẫu chất ñược ño ở dạng lỏng bằng cách hòa tan trong một dung môi dễ bay hơi.
ðặc ñiểm rõ nhất của phương pháp ESI là tạo ra các ion mang nhiều
ñiện tích. Trong quá trình ion hóa, các ion thu ñược có thể là các ion tựa phân tử bằng cách thêm một cation như H+, Na+, NH4+… tạo thành các cation [M+H]+, [M+Na]+, [M+NH4]+…hoặc tách một proton tạo thành anion [M-H]-. Phương pháp phổ khối lượng sẽ cho chúng ta biết khối lượng phân tử của chất nghiên cứu thông qua tỉ số m/z. Thông thường z =1 nên m/z = m. Trường hợp z lớn hơn 1 (thường là lớn hơn rất nhiều) cũng có nhưng không phổ biến. Ví dụ, thay cho ion [M+H]+ chiếm chủ yếu trong phương pháp CI, các ion trong phương pháp ESI có thể là [M +nH]n+, trong ñó n từ 1 ñến 30. Khối lượng của hydro coi bằng 1 thì m/z ñược tính bằng tỉ số [M +n.1]/n. Trong
ñiều kiện của phương pháp CI, các ion [M+H]+ nhận giá trị m/z là 10.001/1 = 10.001, thì trong phương pháp ESI giả sử mẫu chất liên kết với 20 nguyên tử
hydro, ion có dạng [M+20.H]20+ và tỉ số m/z là 10.020/20 = 501 [24, 27]. Chúng tôi nhận thấy phổ khối lượng của các cacboxylat ñất hiếm còn chưa ñược quan tâm nghiên cứu, ñặc biệt là phổ khối lượng của các salixylat ñất hiếm mới ñược rất ít các công trình ñề cập tới.