Bài giảng mass spectrometer đhtp7

•Kỹ thuật phân tích hiệu quả
•Độ chính xác cao
•Kỹ thuật phân mảnh
•Rất hửu hiệu để xác định cấu tạo
của các hợp chất

Lịch sử hình thành phương pháp khối phổ
Những nhà nghiên cứu tiên phong
Phương pháp khối phổ
Nội dung
Phân tích cấu trúc và kiểu phân mảnh
Giãi thích khối phổ
Ứng dụng phương pháp khối phổ

1897
1919
1934
1966
J.J. Thomson. Discovered electrons by cathode
rays experiment. Nobel prize in 1906.
Francis Aston recognized 1st mass spectrometer
and measure z/m of ionic compounds.
First double focusing magnetic analyzer was
invented by Johnson and Neil.
Munson and Field described chemical
ionization.
Brief History of Mass Spectrometry

1968
1975
1985
1989
Electrospray Ionization was invented by Dole,
Mack and friends.
Atmospheric Pressure Chemical Ionization
(APCI) was developed by Carroll and others.
F. Hillenkamp, M.Karas and co-workers describe
and coin the term matrix assisted laser
desorption ionization (MALDI).
w. Paul discovered the ion trap technique.

Joseph John
Thomson
1906 Nobel Prize
for Physics
(theoretical and
experimental
investigations on
the conduction of
electricity by
gases)
Francis William
Aston
1922 Nobel Prize
for Chemistry
(mass
spectrograph, of
isotopes, in a
large number of
non-radioactive
elements)
Wolfgang Paul
1989 Nobel Prize
for Physics
(for the
development of
the ion trap
technique)
John Bennet
Fenn
2002 Nobel
Prize for
Chemistry
(for the
development of
Soft Desorption
ionization
Method)
Koichi Tanaka
2002 Nobel
Prize for
Chemistry
(mass
spectrometric
analyses of
biological
macromolecule
s)
Nobel prize pioneers

Lý thuyết Mass Spectrometry
Trong mass spectrometer,
Các hiện tương đều xãy ra
tuần tự như nhau, ngoại trừ
các nguyên tử và phân tử
bị tách ra khi đi qua điện
trường và từ trường. Tiến
trình này xãy ra trong không
gian nhỏ.

Mass spectrometer giống như lăng kính.
Trong lăng kính, ánh sáng là
được phân tách thành những
thành phân khác nhau dựa trên
bước sóng của chúng. Và rồi
những bức xạ này được xác
định thông qua sự tương tác
detector chuyển hóa thành
những tính hiệu về điện.
Tương tự như trong mass
spectrometer các ion được
tách bằng sự khác nhau về
khối lượng và cũng được xác
định bởi detector ion.

NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library 2005
By U.S. Department of Commerce
Publisher: Wiley
Number Of Pages:
Publication Date: 2005-07-22
ISBN-10 / ASIN: 047175594X
ISBN-13 / EAN: 9780471755944
Binding: CD-ROM
NIST/EPA/NIH Mass Spectral Library is the most
popular library for GC/MS instruments, with 190,825
spectra presented.
This software offers:
* 190,825 EI Mass Spectra
* 163,198 compounds, 163,195 structures
* 121,112 Retention indices of 25,983 Compounds
* 5,191 MSMS Spectra
* Spectral search and analysis software
Những phân
mảnh thu được
từ quá trình ion
hóa hình thành
phổ khối của chất
ban đầu. Quá
trình đối chiếu,so
sánh phổ khối
thu được với dự
liệu từ ngân hàng
phổ hay thư viện
phổ để định danh
chất cần quan
tâm

Các thành phần cơ bản của Mass Spectrometer
Có bốn thành
phần cơ bản
• Bộ phận dẫn
mẫu
• Nguồn ion hóa
• Bộ phận phân
tách khối lượng
các ion
• Ion detector

Thiết bị phổ khối lượng làm 3
nhiệm vụ chính:
+ Chuyển chất nghiên cứu thành
thể khí ( làm bay hơi mẫu ở áp
suất thấp và nhiệt độ thích hợp.
+ Tạo ra các ion từ các phân tử
khí đó
+ Phân tách các ion đó rồi ghi lại
tín hiệu theo tỷ số M/z.e. Vì xác
suất tìm thấy z > 1 là rất nhỏ và
điện tích của điện tử là 1 nên M
chính là khối lượng của các ion
Thiết bị phổ
khối lượng
là sản xuất
ra ion và
xác định
khối lượng
của chúng

Mass spectrometer
Sample Introduction Techniques
Initial pressure of sample is 760 mmHg or
~10-6 torr
•Kỹ thuật đưa mẫu trực tiếp (Thường dùng trong
MALDI)
•Kỹ thuật dẫn mẫu (Thường dùng trong ESI)
Có hai techniques

Mass spectrometer
Direct Insertion sample introduction technique
Là một kỹ thuật đơn giãn. Mẫu được lấy bằng syringe đặt
biệt và tiêm thẳng vào buồng ion hóa. Sau đó là những
tác động cho quá trình giãi hấp như giãi hấp bằng laser
hay gia nhiệt tạo điều kiện hóa hơi và ion hóa..

Direct infusion or injection sample introduction technique
Thường xuyên được sử dụng có có hiểu quả cao.
Dùng trong kỹ thuật kết nối như GC-MS and HPLC-MS

Ionization Methods used in Mass spectrometry
Thường dùng:
•Proton hóa
•Khử proton hóa
•Cation hóa
•Transfer of a charged molecule to the gas phase
•Phóng (bức) điện tử
•Bẩy điện tử

Protonation
+ Sự hình thành các ion dương bằng cách cộng H+
+ Sử dụng trong các chất chứa các nhóm amin ,
những liên kết peptide
+ Sử dụng trong kỹ thuật MALDI, APCI and ESI

Deprotonation
+ Một proton H+ được khử ra khỏi hợp chất tạo một anion.
+ Sử dụng cho mẫu acid như phenols, carboxylic acid, sulfonic acid etc.
+ Dùng trong MALDI, APCI and ESI

Cationization
Hình thành một ion phức bằng cách công hợp một cation kim
loại vào phân tử trung hòa như Na+ , K+ , NH4
+
Thường dùng đối với Carbohydrates
Dùng trong các kỹ thuật MALDI, APCI and ESI

Transfer of a charged molecule to the gas phase
Cation được chuyển từ pha lỏng sang pha khí
Sử dụng trong MALDI or ESI

Kỹ thuật phóng Electron
Electron được phóng ra hình thành ion
dương. Thường là những hợp chất không
phân cực có khối lượng phân tử thấp như
anthracene.

Kỹ thuật bẩy Electron (EC)
Một điện tích âm tích điện trừ 1 được hình thành
do quá trình hấp thu hay giử một điện từ.
Kỹ thuật sử dụng cho các hợp chất halogen

Nguồn Ionization
Nguồn ionization cứng ( HIS) Nguồn ionization mềm (SIS)
Dùng năng lượng
lớn để phân tách
phân tử thành
nhiều mảnh nhỏ
bền vững. Những
mảnh này không có
sự phân tách tiếp
theo.
Sử dụng một
năng lượng nhỏ
tách phân tử
thành những
mảnh không
bền có thể tiếp
tục phân tách

•Electron Ionization (EI)
•Chemical Ionization (CI)
• Electrospray Ionization (ESI)
•Nanoelectrospray Ionization (NanoESI)
•Atmospheric Pressure Chemical Ionization
(APCI)
•Atmospheric pressure photoionization
(APPI)
•Matrix-assisted laser desorption/ionization
mass spectrometry (MALDI-MS)
•Fast Atom Bombardment (FAB)
•Thermal ionization (TI)
Các nguồn ion hóa trong mass
spectrometer

Năng lượng được cung
cấp để nung nóng dây
tóc kim loại, làm phát ra
những điện tử. Những
điện tử này được tăng
tốc qua một điện trường
có điện thế khoảng
70eV trước khi đi vào
buồng chứa mẫu. Áp
suất trong buồng ion
hóa đạt 0,005torr, nhiệt
độ 200 ± 250C.
•Mảnh M+.có khối lượng như molecular weight
Electron Ionization (EI)

Các điện tử va chạm với các phân
tử trung hòa tạo ra những mảnh ion,
gốc tự do hay phân tử trung hòa
nhỏ. Sau đó các ion đi qua một điện
trường 400-4000V để tăng tốc, vận
tốc ion tỷ lệ với khối lượng của
chúng
Đây là một phương pháp rất phổ
biến dùng nhiều trong GC-MS. Quá
trình tạo ra nhiều mảnh rất hửu
hiệu khi xác định cấu trúc chất

Ảnh hưởng của năng lượng ion hóa

Quá trình ion hóa theo EI

Quá trình ion hóa pentobarbital

Ưu điểm : Cho biết khối lượng phân tử của các mẫu phân tích,
cấu trúc hóa học của của phân tử mẫu thông qua thông tin cung
cấp bởi các mảnh.
Nhược điểm : Không áo dụng cho những chất không bền nhiệt
hoặc không bay hơi, không phân biệt được các đồng phân.

Khái quát về ion hóa hóa học
+ Ion hóa hóa học là kỹ thuật tạo ra ion dùng trong phân tích
quang phổ khối lượng.
+ Trong kỹ thuật CI ngoài mẫu và khí mang, còn một lượng
lớn khí thử đưa vào buồng ion hóa. Lượng khí thử rất lớn so
với mẫu hầu như các điện tử phát ra từ dây tóc đều va chạm
vào khí thử tạo ion khí thử.
+ Các ion khí thử va chạm, phản ứng với các phân tử mẫu
tạo ra các ion mẫu.
+ Năng lượng ion hóa trong CI là rất nhỏ so với EI nên số
phân mảnh tạo ra là ít. Xác suất hình thành các ion mẹ là lớn
nên thường dùng xác định trọng lượng phân tử.
+ Có hai cơ chế hình thành ion là ion hóa hóa học dương và
ion hóa hóa học âm.
Chemical Ionization (CI)

Chemical Ionization (CI)
Tiến trình được bắt đầu với thuốc
thử ở thể khí như methane,
isobutane, or ammonia những
chất này bị ion hóa bởi dòng điện
tử mang năng lượng cao tạo ra
những ion dương khác nhau.
Tiếp theo dòng ion này va chạm
vào các phân tử khí cần xác định
tạo ra những mảnh ion.
Ưu điểm : Dùng CI khi phương pháp EI không cho thấy mủi ion
phân tử
Nhược điểm: Không áp dụng cho những hợp chất không bền
nhiệt, hay không bay hơi

Ion hóa hóa học dương
Kỹ thuật Ion hóa hoa học dương gồm có 4 quá trình cơ
bản:
+ Chuyển proton (Proton transfer)
+ Tách Hydride ( Hydride abstraction)
+ Cộng thêm (addition)
+ Trao đổi điện tích (Charge exchange)
Kỹ thuật ion hóa hóa học

Chuyển proton hóa
Sự chuyển proton có thể biểu diễn như sau:
BH+ + M MH+ +B
+ Khí thử B đã đi qua quá trình ion hóa bằng proton hóa. Trong
trường hợp này ái lực proton của chất cần phân tích lớn hơn ái
lực proton của khí thử nên H+ di chuyển từ BH+ sang MH+ tạo ra
ion phân tích dương
+ Trường hợp này thường thấy ở CH5
+
, C2H5
+ chuyển H+ qua chất
cần phân tích tạo ra [M-H]+
+ Ái lực của khí thử là vấn đề chính trong hình thành cation chất
xác định. Khí thử CH4 được dùng nhiều do ái lực proton của nó
thấp

Tách hydride
Trong quá trình ion khí thử. Ion chất phản ứng được tạo ra do sự
mất hydrua khi tương tác với các ion khí thử. Điều này rất thường
gặp đối với những alkan mạch dài.
Ví dụ khi khí thử là CH4, quá trình tạo ion khí thử là CH5
+
. Sự hình
thành ion mẫu như sau:
CH5
+ + M CH4+ H2 + [M-H]+

Cộng hợp cation vào phân tử
Với nhiều hợp chất hóa học sự tách H+ hay H- không ưu đãi về
mặt nhiệt động học quá trình. Trong những trường hợp này khí
thử thường đủ hoạt tính để cộng hợp với chất phân tích tạo ra
ion như: [M-C3H7]+
, [M-C2H5]+
, [M-C3H5]+
Ứng với các mủi pick ( M+43), ( M+ 29), (M+41)

Ion hóa trao đổi điện tích
Sự ion hóa trao đổi điện tích có thể mô tả bằng phản ứng sau:
Trong đó X+ là khí thử đã được ion hóa, M là chất phân tích . Khi các khí
thử được sử dụng cho trao đổi điện tử là những khí trơ như He, Ne, Ar,
CO2, N2, H2 v.v.. Không có khả năng phản ứng với chất phân tích.

Ion hóa hóa học âm (NCI)
Kỹ thuật NCI được thực hiện bằng bộ phận phân tích thế phân
cực đổi chiều để chọn ion. Trong kỹ thuật này, khí thử thường
được xem là khí đệm và khí bị bắn phá điện tử từ dây tóc ở năng
lượng cao sẽ xãy ra phản ứng :
Ví dụ như khí thử là CH4 ta có phản ứng như sau:
Điện tử nhiệt là điện tử phát ra từ khí thử nên có năng lượng thấp
hơn. Chính những enhiệt là những điện tử phản ứng với với các
phân tử mẫu

Cơ chế hình thành NCI thường gồm các kỹ thuật sau :
+ Bắt giử điện tử (Electrone capture)
+ Bắt giử điện tử phân mảnh.(Dissociative electrone capture)
+ Hình thành cặp ion (ion pair formation)

Ion hóa bắt giử điện tử
Kỹ thuật ion hóa bắt giử điện tử là kỹ thuật thường gặp trong NCI.
Trong những điều kiện có thể kỹ thuật này có độ nhạy cao hơn
PCI từ 10- 1000 lần.
Phản ứng bắt giử điện tử có thể mô tả như sau :
Trong đó MX là phân tử mẫu, enhiệt là điện tử sinh ra do tương tác
giữa các điện tử năng lượng và khí thử. Trong nhiều trường hợp
ion MX+. không bền có thể xãy ra phản ứng nghịch tạo MX tách
một điện tử.
Kỹ thuật này thường xãy ra ở những dị tố như các nguyên tử
thuộc nhóm hologen

Bắt giử điện tử phân mảnh
Kỹ thuật bắt giử điện tử phân mảnh giống như bắt giử điện tử,
điểm khác biệt là trong kỹ thuật bắt giử điện tử phân tử mẫu bị
phân ly tạo một gốc tự do và một anion. Cơ chế của bắt giử điện
tử phân mảnh có thể minh họa như sau:
Các ion và gốc tự do hình thành từ quá trình bắt giử điện tử có
thể tái kết hợp tạo thành tạo thành phân tử ban đầu

Kỹ thuật hình thành cặp ion
Cơ chế hình thành cặp ion nhìn chung giống với cơ chế bắt giử
điện tử phân mảnh, điểm khác biệt là tạo ra cặp ion dương và âm.
Phương trình mô tả sự phân mảnh có thể như sau:
+ Một điểm khác biệt nữa là điện tử không bị bắt giử như hai
trường hợp trên mà vẩn tồn tại sau khi phân mảnh.
+ Nguyên do của sự phân mảnh là do sự phân bố không đều về
mật độ điện tử liên kết

Electrospray Ionization (ESI)
Phù hợp với peptides,
proteins,
carbohydrates, small
oligonucleotides,
synthetic polymers, and
lipids
Electrospray ion hóa là một kỹ thuật ion hóa
mềm thường được sử dụng để xác định khối
lượng phân tử của protein, peptide, và các
đại phân tử sinh học khác. Kỹ thuật ion hóa
mềm là một kỹ thuật hữu ích khi áp dụng các
phân tử sinh học có khối lượng phân tử lớn.
Do không có sự phân mảnh nên các đại
phân tử thành các hạt tích điện nhỏ hơn,
thay vì nó biến phân tử được ion hóa thành
những giọt nhỏ. Những giọt nhỏ này sau đó
sẽ tạo thêm thành những giọt nhỏ hơn, tạo
ra các phân tử với các proton đính kèm. Các
ion phân tử proton sau đó sẽ được đưa qua
máy phân tích khối lượng để phát hiện, và
khối lượng của mẫu có thể được xác định

Kỹ thuật eletrospray ionization
Calculations for m/z in spectrum: [M+6H]6+ [M+5H]5+ [M+4H]4+ m/z = 15006/6
2501 m/z = 15005/5 =3001 m/z = 15004/4 = 3751[M + 3H]3+ [M + 2H]2+[M +
H]1+ m/z = 15003/3 = 5001 m/z = 15002/2 = 7501 m/z = 15001/1= 15001

- Dung dịch mẫu đi vào vào phun ESI, nơi đặt một điện thế cao.
- Vòi phun ESI phun dung dịch mẫu dưới dạng sương tạo ra
những giọt sương mù tích điện trên bề mặt.
- Sự tích điện gia tăng khi dung môi hóa hơi từ những giọt sương
- Mật độ tích điện bề mặt của những hạt sương gia tăng làm cho
tương tác tỉnh điện tăng sẽ làm cho hạt bị vỡ chia thành những
giọt sương mới nhỏ hơn. Tiến trình lập lại như trên cứ như vậỵ
tạo ra những hạt sương rất nhỏ.
- Từ những giọt sương rất nhỏ tích điện cao tạo ra những ion
mẫu chuyển vào thể khí bằng lực đẩy tỉnh điện
- Những ion đi vào khối phổ và được phân tích

• Phân tích Phtốt trong phổ khối lượng 70,000 Da
• Là phương pháp ion hóa mền nhất có khả năng tạo ra
những phức bằng quá trình cho nhận e trong pha khí.
• Rất thích hợp trong sắc khí khí
• Rất thích hợp để phân tích theo kỹ thuật MS2 như bẩy ion tứ
cực, bộ ba
• Có thể phân tích những ion tích điện lớn hơn 1 có khối
lượng lớn.
• Không bị ảnh hưởng của nền mẫu
Ưu điểm

Nhược điểm
• Sự hiện diện của các muối, cặp ion của thuốc thử như TFA
có thể làm giảm độ nhạy.
• Sự tạo phức có thể làm giảm độ nhạy
• Không thể phân tích nhiều thành phần
• Những ion đa hóa trị rất dể nhầm lẫn nhất là phân tích hổn
hợp
• Cần độ tinh kiết cao

Nanoelectrospray Ionization
(NanoESI)
Đầu mủi phun được thiết kế rất nhỏ và
nó được đặt ở vị trí rất gần với đường
dẫn tới thiết bị phân tích khối phổ. Sự
điều chỉnh hợp lý khá đơn giản này thu
được kết quả là làm tăng hiệu quả và
làm giảm lượng mẫu đo.
• Tăng sensitive
•Tỷ lệ dòng thấp
• Kích cở hạt nhỏ (~5µ)

Ưu điểm
• Rất nhạy
• Tỷ lệ dòng thấp
• Áp dụng tốt cho LC/MS
• Có thể áp dụng cho dịch muối ở nồng độ thấp (low
millimolar)
• Áp dụng tốt cho ion tích điện đa hóa trị
• Có thể áp dụng cho hổn hợp
• Ion hóa mềm (little fragmentation observed).
Nhược điểm
• Tỷ lệ dòng thấp đòi hỏi tính năng cao của thiết bị
• Có thể bị hạn chế khi phân tích hổn hợp
Nanoelectrospray Ionization
(NanoESI)

Trong APCI dòng chất lỏng được đưa trực tiếp vào nguồn ion hóa.
Tất cả các bước tiếp theo đều xãy ra ở đây Các hạt lỏng dưới tác
dụng của hơi nóng dể dàng hóa hơi phân ly. Các phân tử khí được
giử ở đây tiếp tục bị ion hóa ở áp suất thường..
Atmospheric Pressure Chemical
Ionization (APCI)

Ionization (APCI)

Ionization (APCI)
Trong kỹ thuật ion hóa APCI, các ion được sinh ra và được phân
tích như sau:
- Vòi phun APCI phun dung dịch mẫu thành những giọt sương.
- Những giọt sương được hóa hơi trong ống thép nhiệt độ cao.
- Thế được áp vào kim đặt gần lối ra của ống thép. Thế cao tạo
ra sự phóng điện vòng tròn hình thành những ion phản ứng qua
chuổi những phản ứng hóa học với những phân tử dung môi và
khí Nito bao quanh.
- Những ion phản ứng lại phản ứng lại phân tử mẫu để hình
thành những ion mẫu.
- Những ion mẫu vào phổ khối và được phân tích
- Thường sử dụng trong LC-MS

Ưu điểm
• Khi những ion dung môi hiện diện ở áp
suất thường, thì sự ion hóa hóa học
của các ion phân tử phân tích có hiệu
quả cao.
• Ở áp suất thường các ion phân tử mẫu
thường xuyên va chạm với ion của
thước thử.
• Quá trình dịch chuyển proton hay phản
ứng proton hóa dể xãy ra.
• Quá trình cộng điện tử hay khử proton
tạo ([M-H]-) dể hình thành.
• Những ion đa hóa trị không tồn tại do
quá trình ion hóa có năng lượng cao
hơn ESI
Ionization (APCI)

Kỹ thuật thường xãy ra với HPLC. Kỹ thuật này dùng phân tích các hợp
chất không phân cực.
APPI hóa hơi mẫu bằng tia ultra-violet .
APPI có độ nhạy cao hơn ESI or APCI.
Nhiều quá trình ion hóa đòi hỏi
năng lượng khoảng 10eV tương
ứng với các photon có bước
sóng từ 83nm-153nm nằm trong
vùng tử ngoại chân không do đó
có thể tiến hành bằng va chạm
photon.
Khối phổ đạt được tương tự
như EI. Do năng lượng nhỏ hơn
nên phổ này chủ yếu cho các
ion phân tử và một số mảnh có
số khối lớn.
Atmospheric pressure
photoionization (APPI)

Nhược điểm
• Nó có thể tạo ra ion nền từ dung
môi.
• Nó đòi hỏi nhiệt độ cao (350-
500°C) cho quá trình hóa hơi
điều này dẫn đến là nguyên
nhân phân hủy nhiệt.

Matrix-assisted laser desorption
Ionization- MS (MALDI-MS)
+ Trong kỹ thuật này người ta đưa từ
ngoài vào một chất nền. Chất nền là
những chất có phân tử lượng lớn
thường là những axit hửu cơ yếu.
+ Chất nền được trộn đều với chất cần
phân tích .
+ Sự chiếu xạ hổn hợp gồm chất nền
và chất phân tích bằng tia laser kết quả
dẫn tới sự bay hơi của chất nền mang theo cả
chất cần phân tích.Trong kỹ thuật này chất nền đóng một vai trò rất
quang trọng. Các phân tử mẫu hóa hơi nhưng không trực tiếp hấp
thu năng lượng laser. Điều này dẫn tới các phân tử không bị tia
laser biến đổi..

+ Chất manh thường dùng trong kỹ thuật này là axit sinapinic hay
gentisic.
+ Hổn hợp này hấp thu ở mạnh ở bước sóng laser 355nm. Khi
chiếu tia laser lên, do hổn hợp hấp thu năng lượng lớn, chất phân
tích được giãi hấp ra khỏi chất mang và rồi có sự trao đổi proton
giữa chất mang bị quang hoạt với chất cần khảo sát dẫn tới tạo ra
ion chất cần khảo sát.

Ưu điểm :
• Phạm vi định lượng lên tới 300,000 Da. Những
mảnh có khối lượng lớn hơn cũng đã được các
detector mới đây phát hiện.
• Ion hóa mềm với sự phân mảnh ít
• Có thể chấp nhận muối ở nồng độ nhỏ
millimolar
• Phù hợp cho phân tích hợp chất phức tạp.
Nhược điểm
• Chất nền có thể ảnh hưởng cho những hợp
chất có khối lượng dưới 700 Da.
• Độ nhiễu của đường nền ohu5 thuộc nhiều vào
vật liệu nền

Field desorption ionization
(FDI)
+ Sử dụng điện trường mạnh để
làm bật ra các điện tử từ phân tử.
Với bề mặt kim loại anot có hình
nhọn hay sợi mỏng và dưới chân
không (10-6 torr) sẽ phát sinh lực
tĩnh điện đủ làm bật e ra khỏi phân
tử mà không đòi hỏi năng lượng quá
dư.
+ Trong phương pháp ion hóa điện
trường giãi hấp, nguồn ion được tạo
ra nhờ một kim nhỏ có d = vài µm
làm anod gắn ngay trước khe buồng
ion hóa, khe vào chính là catod, còn
khe hội tụ để tập trung nguồn ion

Thermal ionization
Ion hóa nhiệt cơ bản là dựa trên sự
hình thành các ion nguyên tử hay
ion phân tử trên bề mặt dây tóc
được đốt nóng. Mẫu là được gửi bề
mặt của dây tóc ( thường dây tóc
làm bằng (Re hay Ta), sau đó được
sấy khô từ từ. Dây tóc được gia
nhiệt chậm mẫu dẫn tới quá trình
bay hơi và hóa hơi mẫu.
Kỹ thuật được dùng nhiều cho xác định các cấu tử nhiệt độ bay
hơi thấp nhưng nhiệt độ ion hóa cao như Ca. Thermal ionization
áp dụng tốt cho những phép đo cần độ đúng và độ chính xác khi
xác định tỷ lệ đồng vị. Nó cũng dùng xác định các hàm lượng vết
độc tố nguyên tố có trong thực phẩm.

Accuracy
Khoảng
khối lượng
mà máy
phân tích
khối phổ có
thể đọc
được.
Độ phân giãi
của một phép
đo là mức độ
phân biệt khối
lượng của các
ion mà máy
phân tích khối
phổ có thể
đọc được.
Độ đúng của một
phép đo là giá trị
tìm thấy gần sát với
giá trị thực như thế
nào.. Độ đúng của
một pháp đo là phụ
nhiều vào phương
pháp phân tích, kỹ
thuật phân tích và
độ phân giãi.
Mass Range Resolution Scan Speed
Mass Analyzer
Properties of mass Analyzer
Là vòng chu
kỳ thời gian
các ion được
quét thường
xuyên từ thấp
đến cao m / z
hoặc ngược
lại.

Mass Analyzer
•Tứ cực (Quadrupole)
• Tứ cực bẩy ion (Quadrupole Ion
Trap)
• Bẩy ion tuyết tình (Linear Ion Trap)
• Cập đôi khu vực từ trường (Double-
Focusing Magnetic Sector)
• Tứ cực thời gian bay song song MS
(Quadrupole Time-of-Flight Tandem
MS)
• Tứ cực thời gian bay MS
(Quadrupole Time-of-Flight MS)

Quadrupoles+ Một bộ lọc khối tứ cực bao
gồm bốn thanh kim loại song
song sắp xếp như trong hình
bên. Hai thanh đối diện có điện
thế dương ứng với +(U + V.cos
(wt)) và hai thanh khác có tiềm
năng - (U + V.cos (wt)), trong đó
U là một điện thế một chiều và
V.cos (wt) là một điện thế xoay
chiều.
+ Điện thế đặt vào ảnh hưởng
đến quỹ đạo bay của các ion
trong không gian trung tâm
giữa bốn thanh.
Tứ cực (Quadrupole)

+ Ứng với một thế DC
và AC cho trước , chỉ có
các ion có tỷ lệ m/z
tương thích mới có thể
bay, di chuyển đến
detector và được nhận
biết. Các ion khác bị
ném ra khỏi quỷ đạo
ban đầu của chúng.

+ Quang phổ khối lượng thu được bằng cách thay đổi thế của U
và V hoặc giử U và V nhưng lại thay đổi W. Như vậy các ion
mang tỷ lệ m/z khác nhau sẽ lần lượt đến detector và được ghi
nhận

Độ phân giãi phổ kế tứ
cực thông thường đạt
từ 500- 1000, muốn
nâng cao độ phân giãi
Rs có thể nối 2-3 tứ
cực với nhau lúc đó có
thể đạt 20.000

Quadrupole Ion Trap
Thay đổi điện thế và tần
số của điện cực vòng sẽ
lần lượt quét các ion ra
khỏi bẩy đến detector để
ghi nhận thành phổ.
Thay đổi thế của hai điện
cực chỏm sẽ giử được
một hay vài ion trong bẩy
nhất định.
.,
Cái bẫy ion tứ cực thường bao gồm một điện cực vòng và hai điện
cực chỏm. Các ion khi đi vào bẩy sẽ bị giử lại bởi điện trường nếu
thế của điện cực vòng và điệc cực chỏm không khác nhau.
Bằng cách thay đổi điện thế của các điệc cực người ta sẽ điều
kiển được quỷ đạo của các ion trong bẩy.

Các phân tử sau khi đi ra khỏi cột
sắc ký khí được ion hóa trong hoặc
ngoài bấy ion tùy theo kết cấu máy
thiết kế cho sư ion hóa trong bấy
hay được ion ngoài bấy. Các ion
sau đó được giữ trong bấy bởi một
hiệu điện thế, với cơ chế thay đổi
hiệu điện thế các ion sẽ lần lượt
thoát ra ngoài đến detector tạo ra
tín hiệu.
Quadrupole Ion Trap

Thiết bị khối phổ hội tụ đơn
Single-Focusing Magnetic Sector

+ Dùng thiết bị từ trường hình quạt để tách các ion theo khối lượng.
+ Các ion trước khi ra khỏi buồng ion hóa được tăng tốc nhờ một
điện trường có thế là U, đi qua nam châm hình ống có từ trường H.
Các ion sẽ chuyển động theo hình vòng cung có bán r trong từ
trường này với
+ Vậy với giá trị U và H nhất định thì thì số khối m/z tỷ lệ với bán
kính. Biểu thức cho thấy với nhửng hạt có m/z khác nhau sẽ sẽ
được tách ra khỏi nhau do r của vòng cung chuyển động của chúng
khác nhau. Máy hội tu đơn có độ phân giãi thấp từ 1000-5000

Máy có độ phân giãi
từ 10.000 tới
100.000. Người ta
chế tạo bộ tách ion
gồm một điện
trường và một từ
trường đặt cạnh
nhau. Các ion trước
khi đi qua từ trường
quạt sẽ đi qua điện
trường tĩnh điện để
để tách biệt nhau
một lần nữa
Thiết bị khối phổ hội tụ kép Double-
Focusing Magnetic Sector

Đối với bộ phân tách
điện trường và từ
trường cặp đôi định
hướng các ion. Chỉ cho
phép các ion có cùng
m/z và có cùng động
năng vào đầu dò, do
vậy mủi khối phổ rất
hẹp, độ phân giãi cao.
Như các máy phân giãi kém không thể phân biệt được CO+,
C2H4
+, N2
+ nhưng với máy có độ phân giãi cao có thể dể dàng
phân biệt được CO+( 29,9949), N2
+(28,0062), C2H4
+(28,0312)

Phân tích thời gian bay dựa trên sự tăng tốc một nhóm các ion đi đến
detector. Các ion này đều nhận một năng lượng như nhau thông qua
sự gia tăng điện thế. Vì các ion đều có một năng lượng tương tự nhau
nhưng mang một khối lượng khác nhau nên chúng tiến đến detector ở
những thời điểm khác nhau, Những ion nhẹ sẽ đến trước vì vận tốc
của chúng lớn hơn. Những ion nặng đến sau do vận tốc của chúng
thấp hơn. Vì vậy kỹ thuật phân tích được gọi là time-of-flight vì khối
lượng được xác định thông qua thời gian của ion tiến đến detector
Bộ phân tích Time-of-Flight

Bộ phân tích Time-of-Flight
+ TOF – MS rất đặt trưng trong
lãnh vực sinh học.
+ Độ nhạy rất cao hầu như có thể
đo được các ion
+ Khoảng đo là gần như không
giới hạn
Sự cải thiện Reflector thay vì linear có thể
kéo dài khoảng đường đi do đó có thể
làm tăng độ phân giãi hơn.

Quadrupole Time-of-Flight MS
Bộ phận phân tích Tứ cực thời gian bay là một loại thường
cặp đôi với nguồn ion hóa bắn điện tử và mới đây người
ta đã thành công khi kết hợp với kỹ thuật ion hóa MALDI.
Kỹ thuật này có độ nhạy, độ đúng và hiệu quả cao hơn,
tốt hơn khi so sánh với Quadrupole and TOF analyzer.

Photomultiplier Conversion Dynode
Faraday Cup
Array Detector
Charge (or Inductive) Detector
Electron Multiplier
Detectors used in mass spectrometer

Faraday Cup
+ Khi một ion đập vào bề mặt
của dynode của Faraday
cup (BeO, GaP, or CsSb)
chúng sẽ bức các electron ra
khỏi bề mặt tiến tới nơi có
thể thu nhận electron.
+ Sự bức các ecectron ra
khỏi bề mặt làm cho bề mặt
tích điện dương ( bề mặt
detector) tạo điều kiện cho
dòng điện hình thành.
+ Cường độ dòng điện hình
thành trong mạch là cơ sở dể
định lượng lượng ion ban
đầu...
+ Không đặc biệt nhạy cảm
+ Khả năng khuếch đại hạn chế về tín hiệu
+ Chịu được áp lực tương đối cao.

Photomultiplier Conversion Dynode
Các điện tử thứ cấp đập
vào màng phospho của
photomultiplier thay vì đập
vào dynode. Các photon
được tăng theo cấp số
nhân khi dập vào những bề
mặt tiếp theo trong
photomultiplier.Lượng
photon này được chuyển
hóa bằng dòng điện tử như
cơ chế tế bào quang điện.
Dòng điện đo được cho
phép định lượng lượng ion
ban đầu.

Mass spectrometer
Electron Multiplier
• Đây là một detector
rất quang trọng được
dùng rộng rãi.
• Có khoảng từ 12 –
24 dynod được làm
bằng Al2O3
•Có thể làm tăng tín
hiệu áp dụng khi xác
định hàm lượng vết
Các ion khi đập vào bề mặt dynode
đầu tiên xẽ bức các điện tử ra khỏi bề
mặt. Những điện tử này tiếp tục đập
vào bề mặt những dynod tiếp theo làm
tăng dòng electron và như vập tạo ra
dòng điện đủ lớn ở

Mass spectrometer
Vacuum in the Mass Spectrometer
Tất cả các thiết bị khối
phổ cần có chân không.
Không gian chân không
sẽ cho phép tất cả các
ion tiến tới detector mà
không va chạm vào các
phân tử hay nguyên tử
khí khác. Nếu quá trình
va chạm xãy ra thì thì
thiết bị sẽ bị ảnh hưởng
do sự giảm độ phân
giãi ( resolution) và độ
nhạy ( sensitivity)

Mass spectrometer
Phân tích cấu trúc và những phân mảnh
•Molecular ion (Parent
ion)
•Fragmentation peaks
•Base peak
•Isotopic peaks
.
Mass spectrum
Biểu đồ biểu thị
cường độ các theo
trúc Y và phân
mảnh các ion theo
m/z trên trục X

Mass spectrometer
Ion phân tử (Parent ion)
Là pick được xem
như là khối lượng
của chát xác định
Được hình thành từ phân
tử ban đầu do quá trình
ion hóa từ sự mất một
điện tử hay cộng hợp một
điện tử để tạo thành
cation hay anion. Nó được
đặt tên là s parent peak,
radical peak.

Peaks mảnh
+ Là những pick hiện diện do sự
phân mảnh của hợp chất.
+ Các ion mẹ mang một năng
lượng không bền vững, và một
phần trong chúng sẽ bị vở tạo ra
những mảnh nhỏ hơn. Trường
hợp đơn giản là ion mẹ bị tách
thành 2 mảnh – Một ion dương
và một gốc tự do.
+ Gốc tự do sẽ không hình thành một pick trên phổ đồ. Chỉ
có những hạt tích điện mới được tăng tốc, đi qua từ trường
và được xác định bởi bộ phận phân tích khối phổ. Những
hạt không tích điện bị loại ra khỏi thiết bị bằng từ bơm chân
không

Peak nền
Pick có cường độ lớn nhất trong phổ đồ là pick
nền. Nó có thể là pick mẹ hoặc không phải
pick mẹ. Pick nền không phải lúc nào cũng là
pick mẹ và pick mẹ không phải lúc nào cũng là
pick nền.

Những mẫu phân mảnh
Làm việc trên những mẫu phân mảnh ta có thể dể dàng
nghiên cứu cấu trúc của hợp chất.
Quy tắc Stevenson
Homolytic bond cleavage
Heterolytic fragmentation
Alpha - cleavage
Beta-cleavage
Inductive cleavage
Retro Diels-Alder Cleavage
McLafferty rearrangement
Ortho effect
Onimum Reaction
CO Elimination

Stevenson’s Rule
Quá trình phân mảnh hầu như là tạo ra
những mảnh ion dương với năng lượng ion
hóa thấp
Nói cách khác là quá trình phân mảnh sẽ ưu
tiên tạo thành những ion có độ bền cao hơn là
những ion không bền..
Các liên kết bị đứt dẫn tới hình thành những cacboncation. Những
cacboncation có độ bề cao sẽ có xác suất hình thành lớn nhất.
Như vậy những ankyl có R lớn phù hợp với cấu hình không gian
sẽ có xác suất tạo nhiều.

Homolytic bond cleavage
Loại phân mảnh ion trong đó một liên
kết bị đứt do sự chuyển một e từ liên
kết đến nguyên tử mang điện, còn một
điện tử khác thuộc về nguyên tử ban đầu
của nó.Quá trình dịch chuyển điện tử
được biểu thị bằng mủi tên cong.
Hình bên biểu thị sự phân mảnh của
một ceton..

Heterolytic bond cleavage
Loại phân mảnh ion trong đó liên kết bị đứt
do sự chuyển cả một cặp ion của liên kết
đến nguyên tử tích điện.
Quá trình dịch chuyển của cả một cặp
điện tử được biểu thị bằng mủi tên

Alpha cleavage
Kiểu đứt này thường xãy ra trong rượu, ete béo,
ete thơm, hợp chất vòng thơm và xeton v.v..
Sự đứt xãy ra ở liên kết cacbon Alpha tiếp
giáp với các nguyên tử khác (N, O, S). Quá
trình được hình thành ở các nguyên tử này.
Quá trình xãy ra chỉ tạo ra một phân mảnh
(cation tạo ra là dể dàng để phân mảnh tiếp
theo)

Sự phân tách xãy ra ở vị trí liên kết thứ 2 so
với nguyên tử “ lạ” hay nhóm chức nào đó. Quá
trình tạo ra một ion và một gốc tự do. Được gọi
là sự đứt β.
Beta-cleavage

Inductive cleavage
Đứt liên kết do ảnh
hưởng của hiệu ứng
cảm ứng là hiện tượng
một cặp điện tử dịch
chuyển về phía một
trung tâm tích điện
dương. Quá trình dịch
chuyển được ghi nhận
bằng mủi tên. Quá trình
thường xãy ra ở nhóm
chức ete

Retro Diels-Alder Cleavage
Phản ứng cộng đóng vòng Diels - Alder là một phản ứng
peri hóa xảy ra giữa một dien (4 electron pi) và một
dienophin (2 electron pi) để tạo ra sản phẩm là vòng
xiclohexen. Phản ứng Diels-Alder xảy ra một cách dễ
dàng ở nhiệt độ phòng (hoặc khi đun nóng nhẹ).
Một ví dụ đơn
giản là phản ứng
giữa butadien và
dietylmaleat (cis)
và dietyl fumarat
(trans) được dẫn
ra bên đây:

Retro Diels-Alder Cleavage
Sự đứt từ liên kết hình thành
có nguồn gốc của phản ứng
Diels- Alder tạo ra một cation
có nguồn gốc là alken và một
dien ban đầu hay một cation
có nguồn gốc là dien ban đầu
và một alken. Sự đứt nay xãy
ra là tùy thuộc vào nhóm thế
xung quanh mà tạo ra loại
cation nào chiếm ưu thế .

McLafferty rearrangement
Chuyển vị nội phân tử McLafferty tạo
ra một phân mảnh đặc trưng của ion
phân tử của một hợp chất cacbonyl có
ít nhất một hydro gamma. Kiểu phân
mảnh này tạo ra một alken và một
cation gốc tự do.
Đây là kiểu phân mảnh thường gặp ở
Carbonyl, carbocylic

Ortho effect
Sự tương tác giữa các nhóm thế ở vị trí ortho, có tác động ngược
với ví trí para và meta, lên hệ thống vòng benzen làm cho sự phân
mảnh xãy ra theo con đường khác tạo những ion khác. Điều này
cho phép sự phân biệt giữa các loài đồng phân. Biểu đồ cho thấy
một trường hợp trong đó chỉ có đồng phân ortho có thể trải qua việc
sắp xếp lại.

Sự phân mảnh khác biệt ở
vị trí O so với M và P

Onium Reaction
The onium reaction xãy ra do
sự đứt liên kết tạo ra cation và
phân tử trung hòa
Onium Ion: Là những ion phi kim loại
trên bề mặt của chúng có hơn 8 e như
methonium ion CH5
+
, oxonium,
phosphonium, nitronium
tetramethylammonium, (CH3)4N+
tetraethylammonium, (C2H5)4N+
tetrapropylammonium, (C3H7)4N+.

Đứt nhóm CO
Nếu có nhiều nhóm carbonyl cùng tồn tại
trong cùng một hợp chất thì sự phân
mảnh có thể xạy ra ở tất cả các liên kết
này. Sự phân mảnh xãy ra ở các hợp chất
như
aldehyde, ketones and phenols v,v,,
Những hợp chất vòng không no
chứa nhóm carbonyl và các ion
carbonyl dể bị phân mảnh tại
liên kết này

Rules for interpretation
of mass spectrum
•DBR Calculations
•Nitrogen Rule
•Isotopic effect

Double bond or ring calculations tell us about
how many rings or double bonds are present in
a compound.
DBR= C-H/2+N/2+1
C= number of carbon atoms
H= number of hydrogen atoms
N= number of nitogen atoms
DBR Calculations

Nitrogen Rule
• Nếu một hợp chất có chứa
một số chẵn các nguyên tử
nitơ (hoặc không có các
nguyên tử nitơ), ion phân tử
của nó có khối lượng là số
chẳn.
• Tuy nhiên, nếu một hợp chất
có chứa một số lẻ của các
nguyên tử nitơ, ion phân tử
của nó sẽ có giá trị khối lượng
lẻ.
• Quy tắc này là rất hữu ích để
xác định hàm lượng nitơ của
một hợp chất chưa biết
.

Bài giảng mass spectrometer đhtp7

Recommended

Recommended

More Related Content

What's hot

What's hot (20)

Viewers also liked

Viewers also liked (20)

Similar to Bài giảng mass spectrometer đhtp7

Similar to Bài giảng mass spectrometer đhtp7 (20)

Bài giảng mass spectrometer đhtp7

Editor's Notes