Đang tải... (xem toàn văn)
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 ĐỀ TÀI KHỐI PHỔ PHÂN GIẢI CAO VÀ ỨNG DỤNG MỤC LỤC 1.GIỚI THIỆU 3 Khối phổ (MS) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để xác định cấu tạo các hợp chất cũng như sự biến đổi của các phản ứng . Thông thường, các phép đo quang phổ khối lượng rất nhanh chóng , làm cho nó trở thành phương pháp lý tưởng để cung cấp thông tin về các chất trung gian, theo dõi việc tiêu thụ chất phản ứng và sự hình thành sản phẩm . Đây là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo, phân tích chính xác khối lượng phân tử của chất dựa trên sự chuyển động của các hạt mang điện hay ion trong một điện trường hoặc từ trường nhất định 3 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 phải đối mặt của các nhà hóa học từ nhiều lĩnh vực (ví dụ , xúc tác , hóa sinh, khoa học vật liệu ) là xác định được danh tính của các ẩn số , cơ chế và động học của phản ứng, bản chất và sự ổn định của các chất trung gian. Ví dụ , sự hiểu biết cơ chế phản ứng xúc tác có thể rất thuận lợi cho việc thiết kế các chất xúc tác theo ý muốn. Các công cụ phân tích hiệu quả (ví dụ , FT- IR , NMR , X -ray ) thường được sử dụng để nghiên cứu trạng thái bề mặt , hấp phụ loài , trung gian , và các sản phẩm . Tuy nhiên, nghiên cứu trong điều kiện thực tế các phản ứng hóa học và các họ trong đại diện của hóa học và môi trường vật lý là một thách thức 3 Trong bài này, biến đổi Fourier cyclotron ion quang phổ cộng hưởng ( FT-ICR/MS ) sẽ là một công cụ mạnh mẽ với độ chính xác cao về khối lượng cũng như độ phân giải sẽ là đại diện cho Khối Phổ Phân Giải Cao (HRMS) để làm thí nghiệm điều tra các phản ứng hóa học . FT-ICR/MS có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất . Khi theo dõi các phản ứng tương đối phức 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 4 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 các ion 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) 10 FT-ICR/MS là 1 trong các phương pháp khối phổ, có độ chính xác và độ phân giải cao nhất, có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất . Khi theo dõi các phản ứng tương đối phức 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 sự phụ thuộc của tần số cyclotron 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 của FT- ICR MS . FT- ICR đã được áp dụng cho một loạt các thách thức phân tích và đặc 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 12 1. GIỚI THIỆU Khối phổ (MS) đã được sử dụng trong nhiều thập kỷ để xác định cấu tạo các hợp chất cũng như sự biến đổi của các phản ứng . Thông thường, các phép đo quang phổ khối lượng rất nhanh chóng , làm cho nó trở thành phương pháp lý tưởng để cung cấp thông tin về các chất trung gian, theo dõi việc tiêu thụ chất phản ứng và sự hình thành sản phẩm . Đây là phương pháp nghiên cứu các chất bằng cách đo, phân tích chính xác khối lượng phân tử của chất dựa trên sự chuyển động của các hạt mang 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 phải đối mặt của các nhà hóa học từ nhiều lĩnh vực (ví dụ , xúc tác , hóa sinh, khoa học vật liệu ) là xác định được danh tính của các ẩn số , cơ chế và động học của phản ứng, bản chất và sự ổn định của các chất trung gian. Ví dụ , sự hiểu biết cơ chế phản ứng xúc tác có thể rất thuận lợi cho việc thiết kế các chất xúc tác theo ý muốn. Các công cụ phân tích hiệu quả (ví dụ , FT- IR , NMR , X -ray ) thường được sử dụng để nghiên cứu trạng thái bề mặt , hấp phụ loài , trung gian , và các sản phẩm . Tuy nhiên, nghiên cứu trong điều kiện thực tế các phản ứng hóa học và các họ trong đại diện của hóa học và môi trường vật lý là một thách thức. Trong bài này, biến đổi Fourier cyclotron ion quang phổ cộng hưởng ( FT- ICR/MS ) sẽ là một công cụ mạnh mẽ với độ chính xác cao về khối lượng cũng như độ phân giải sẽ là đại diện cho Khối Phổ Phân Giải Cao (HRMS) để làm thí nghiệm điều tra các phản ứng hóa học . FT-ICR/MS có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất . Khi theo dõi các phản ứng tương đối phức 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. FT- ICR MS đạt được độ phân giải cao và độ chính xác khi đo khối lượng tốt nhất trong 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 số cyclotron 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 của FT- ICR MS . FT- ICR đã được áp dụng cho một loạt các thách thức phân tích và đặc 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. TỔNG QUAN VỀ KHỐI PHỔ 2.1 KHỐI PHỔ LÀ GÌ? Là phương pháp nghiên cứu các chất, bằng cách đo chính xác khối lượng phân tử chất đó, dựa trên điện tích của ion; dùng thiết bị chuyên dụng là khối phổ kế. Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, thường được kết hợp với một số sinh học phân tử khác như: – Khối phổ kết hợp với sắc ký khí. – Khối phổ kết hợp với sắc ký lỏng. – Khối phổ kết hợp điện di 2.2 SỰ HÌNH THÀNH VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG 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 thích hợp (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 va chạm 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 dẫn mảnh (2.5 µm) hay các lưỡi mảnh , đặt điện áp vào các “mũi nhọn”. cho một trường điện từ có gradien 10 7 -10 10 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 cơ bản, do đó các vạch phổ sẽ rất mảnh. 2.3 MÁY KHỐI PHỔ: Là một thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho ra phổ khối lượng của một mẫu, để tìm ra thành phần của nó. Có thể ion hóa mẫu và tách các ion của nó với các khối lượng khác nhau và lưu lại thông tin dựa vào việc đo đạc cường độ dòng ion 2.3.1 Cấu tạo: Một khối phổ kế thông thường gồm 3 phần: • phần nguồn ion • phần phân tích khối lượng • phần đo đạc. Cấu tạo: • Máy gồm một đĩa đựng mẫu, máy bắn laser, một ống tròn đảo chiều điện cực liên tục và detector. • Bất kỳ máy khối phổ nào cũng có bốn khối chức năng sau đây: • Hệ thống nạp mẫu • Buồng ion hoá • Bộ phân tích • Bộ ghi tín hiệu Dựa 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 ghi bằng kính ảnh ở dạng vạch có độ đen khác nhau. • Máy khối phổ kế: các tín hiệu của chùm ion được ghi dưới dạng xung điện bằng các dao động ký điện tử nhiều kênh, hoặc đưa vào máy tính điện tử,tín hiệu sẽ được đưa ra dưới dạng bảng số hoặc 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 bắt đầu quá trình đo khối phổ • Để đo được đặc tính của các phân tử cụ thể, máy khối phổ sẽ chuyển chúng thành các ion,kiểm soát chuyển động của chúng bởi các điện từ trường bên ngoài • 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 khí quyển). • Ion sau khi được tạo thành sẽ được phân tách bằng cách gia tốc và tập trung chúng 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 sẽ được 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 các ion 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 C 7 H 14 O 2 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 −6 L (nếu dùng máy MALDI thì chỉ cần 0,5.10 −6 L). [...]... FT- ICR đã được áp dụng cho một loạt các thách thức phân tích và đặc 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 Trong lĩnh vực rộng của khối phổ , FTICR -MS thu hút sự chú ý vì sự kết hợp của tính chính xác khối lượng cao với độ phân giải siêu cao và khối lượng rất cao Kỹ thuật đa năng... protein lên đến vài kDa có thể được tái giải quyết Sự phân bố đồng vị cung cấp thông tin về trạng thái tích điện và về khối lượng phân tử của mẫu 3.3.7 Độ chính xác khối lượng Ngoài độ phân giải khối lượng rất cao , FTICR -MS có thể xác định các ion với độ chính xác khối lượng rất cao Sự khác biệt giữa khối lượng m exp thử nghiệm và khối lượng tính mcalc nói chung là vô cùng nhỏ Độ chính xác khối lượng... có thể được đo lên đến độ phân giải 600.000 (FWHM) 4 ỨNG DỤNG Thiết bị khối phổ phân giải cao với những tính năng vượt trội có khả năng giải quyết được các bài toán về xác định, phân tích, nghiên cứu các hệ mẫu hữu cơ đơn chất hoắc hỗn hợp phức tạp có tính thời sự tương đối cao với khoa học, công nghệ và kinh tế quốc dân mà các thiết bị khối phổ hiện có tại Việt Nam chưa đáp ứng được Chức năng: nghiên... điện do điện áp bẫy và không gian phụ trách các tương tác , tính chính xác khối lượng cũng phụ thuộc một phần vào độ phân giải Yếu tố can thiệp có thể khác như từ trường không đồng nhất hoặc trôi dạt từ không làm giảm độ chính xác khối lượng khi sử dụng nam châm siêu dẫn Hình 6: khối phổ độ phân giải của một trọng lượng phân tử perylene bisimide bạch kim phức tạp đối xứng hoàn hảo và cao [M-5 (F3CSO-)]... hưởng cyclotron khối phổ có khả năng giải quyết khối lượng rất cao, cao hơn nhiều so với các kỹ thuật phổ đại chúng khác Có hai chế độ phát hiện phổ biến nhất , chế độ băng thông rộng, cho phép phát hiện trên một tỉ lệ m/q rộng Độ phân giải khối lượng lên đến 200.000 ( FWHM , toàn bộ chiều rộng tại nửa tối đa) có thể đạt được cho các giá trị thấp của m / q Vẫn cao hơn khối lượng độ phân giải lên đến... Fourier (FT) Sử dụng phương trình (4) và với từ trường không đổi, tần số quang phổ có thể được chuyển đổi thành một quang phổ khối ( Hình 5) Hình 5: Thu được tín hiệu miền thời gian (tạm thời) và chuyển đổi nó thành một quang phổ khối lượng bằng cách sử dụng thuật toán chuyển đổi Fourier (FT) 3.3.6 độ phân giải Nhìn chung, độ phân giải tối đa có thể đạt được mong muốn trong tất cả các kỹ thuật phân tích... ) và FT-NMR (Fourier Transform Nuclear Magnetic Resonance) Marshall đã tiếp tục phát triển các kỹ thuật đó tại Đại học bang Ohio và Đại 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 độ phân giải cao nhất, có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất Khi theo dõi các phản ứng. .. một thời gian T và thoáng qua lâu như vậy, vẫn còn độ phân giải cao hơn ở chế độ băng thông rộng thường được sử dụng có thể thu được Sử dụng ESI cho ion hóa , một cao đối xứng và cao trọng lượng phân tử perylene bisimide bạch kim phức tạp được đo ở chế độ phách với độ phân giải khối lượng lên đến 600.000 ( FWHM ) Trong hình 6 mô hình đồng vị giải quyết của ion gấp năm lần sạc [ M-5 F3CSO3-) ]5+ được... thời gian dài trong tế bào phân tích Thời gian dừng dài của các ion trong tế bào chỉ có thể trong chân không rất cao, là nguyên nhân các phân tử khí còn sót lại từ không khí làm phiền các chuyển của các ion và do đó rút ngắn thời gian để phân tích và phát hiện Độ phân giải siêu cao để thực hiện khối lượng phân tích, áp suất 10-9 đến 10-10 mbars là cần thiết trong phổ FTICR khối lượng Chân không như... TẠO VÀ NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG: 3.3.1.CẤU TẠO: Xem xét các thành phần của kỹ thuật này, FT-ICR MS rõ ràng không chỉ có các tính năng phân tích với độ phân giải và độ chính xác khối lượng rất cao, mà còn có thể dễ dàng phân biệt FTICR-MS với các loại quang phổ kế khối lượng Hoạt động của FTICR-MS, hệ thống được trang bị với ba thành phần chính: một nam châm siêu dẫn, một hệ thống chân không siêu cao, và . dụng là khối phổ kế. Kĩ thuật này có nhiều ứng dụng, thường được kết hợp với một số sinh học phân tử khác như: – Khối phổ kết hợp với sắc ký khí. – Khối phổ kết hợp với sắc ký lỏng. – Khối phổ. QUAN VỀ FT-ICR MS: FT-ICR/MS là 1 trong các phương pháp khối phổ, có độ chính xác và độ phân giải cao nhất, có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để. pháp khối phổ, có độ chính xác và độ phân giải cao nhất, có khả năng cung cấp các giá trị khối lượng với độ phân giải cao của các phân tử để xác định các hợp chất . Khi theo dõi các phản ứng