GC-MS là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học về GC-MS

GC-MS là gì?

GC-MS (Gas Chromatography – Mass Spectrometry), hay còn gọi là sắc ký khí ghép nối khối phổ, là một kỹ thuật phân tích hóa học kết hợp giữa khả năng tách các hợp chất của sắc ký khí (GC) và khả năng xác định thành phần hóa học của khối phổ (MS). Sự kết hợp này tạo ra một công cụ mạnh mẽ cho việc phân tích định tính và định lượng các hợp chất bay hơi và bán bay hơi trong các hỗn hợp phức tạp, với độ chính xác và độ nhạy rất cao.

GC-MS là một trong những công nghệ phân tích được sử dụng phổ biến nhất trong nhiều lĩnh vực, bao gồm môi trường, thực phẩm, pháp y, dược phẩm, hóa dầu và nghiên cứu khoa học. Sự phát triển của các thư viện phổ khối giúp kỹ thuật này trở thành tiêu chuẩn vàng trong nhận diện hợp chất hữu cơ.

Nguyên lý hoạt động

GC-MS hoạt động theo nguyên lý gồm hai giai đoạn liên tiếp:

1. Sắc ký khí (GC): Mẫu được tiêm vào và hóa hơi ở nhiệt độ cao, sau đó được dẫn bởi khí mang (thường là helium hoặc nitrogen) qua một cột sắc ký mao quản có chứa pha tĩnh. Các hợp chất trong mẫu được tách ra theo sự khác biệt về áp suất hơi, độ hòa tan và sự tương tác với pha tĩnh. Mỗi hợp chất có thời gian lưu đặc trưng khi đi qua cột.
2. Khối phổ (MS): Các hợp chất đã tách từ GC được đưa vào buồng ion hóa (thường là Electron Ionization - EI), bị bắn phá bằng electron năng lượng cao tạo thành các ion và mảnh ion. Các ion này sau đó được phân tách theo tỷ số khối lượng trên điện tích $m/z$ trong bộ phân tích khối (thường là tứ cực hoặc bẫy ion), và được phát hiện bằng đầu dò điện tử.

Phổ khối thu được là một “dấu vân tay” hóa học, cho phép xác định chính xác từng hợp chất thông qua so sánh với thư viện phổ đã lưu trữ. Xem chi tiết tại Thermo Fisher GC-MS Learning Center.

Các thành phần chính trong hệ thống GC-MS

• Hệ thống tiêm mẫu: Mẫu lỏng được tiêm qua ống tiêm hoặc bộ tự động, sau đó bay hơi trong buồng tiêm.
• Cột mao quản (GC column): Là nơi diễn ra quá trình tách các thành phần hỗn hợp mẫu, có chiều dài 15–60 m, đường kính 0,25 mm, phủ pha tĩnh đặc hiệu.
• Buồng ion hóa: Nơi các phân tử bị ion hóa để tạo thành các ion phân tích.
• Bộ phân tích khối: Thường dùng tứ cực (quadrupole) hoặc bẫy ion để phân tách các ion theo tỷ số $m/z$.
• Đầu dò (detector): Thường là bộ nhân electron (electron multiplier) để phát hiện và khuếch đại tín hiệu ion.
• Phần mềm điều khiển và xử lý dữ liệu: Hệ thống máy tính xử lý phổ khối, tự động định danh hợp chất, tính nồng độ và tạo báo cáo.

Ưu điểm nổi bật

• Độ nhạy cao, có thể phát hiện hợp chất ở mức ppb hoặc ppt.
• Tính chọn lọc cao nhờ phổ khối đặc trưng.
• Khả năng định lượng chính xác với đường chuẩn nội và ngoại.
• Thư viện phổ lớn (>300,000 hợp chất) giúp nhận dạng dễ dàng.
• Phân tích nhanh, thích hợp cho hàng loạt mẫu nhỏ.

Hạn chế

• Chỉ phân tích được hợp chất bay hơi và nhiệt ổn định.
• Không thích hợp cho mẫu có phân tử lượng lớn (protein, polymer cao).
• Chi phí đầu tư và bảo trì thiết bị cao.
• Yêu cầu nhân lực vận hành có trình độ chuyên môn.

Ứng dụng thực tiễn

1. Môi trường: GC-MS thường được dùng để phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOC), thuốc trừ sâu, dioxin và polychlorinated biphenyls (PCBs) trong mẫu nước, đất, không khí. Tham khảo thêm tại EPA - GC-MS in Environmental Testing.

2. Pháp y: Phân tích mẫu máu, nước tiểu hoặc tóc để phát hiện ma túy, rượu, độc chất. Đây là công cụ quan trọng trong giám định pháp y và xét nghiệm doping.

3. Dược phẩm: Xác định hàm lượng tạp chất, nghiên cứu chuyển hóa thuốc (metabolite), kiểm tra độ tinh khiết API (active pharmaceutical ingredient).

4. Thực phẩm: Kiểm tra tồn dư thuốc bảo vệ thực vật, chất tạo mùi, độc tố nấm mốc (mycotoxin) và phụ gia không cho phép.

5. Khoa học vật liệu và năng lượng: Phân tích cấu trúc hydrocacbon trong dầu thô, khí sinh học, nghiên cứu polymer hóa và chất phân hủy nhiệt.

Phổ khối và phân tích định danh

Phổ khối là đồ thị biểu diễn cường độ của các ion theo tỷ số $m/z$. Mỗi hợp chất có một phổ khối đặc trưng, gọi là “dấu vân tay phân tử”.

Phổ khối có thể được so sánh với thư viện chuẩn như NIST Mass Spectral Library để định danh hợp chất tự động. Ngoài ra, GC-MS có thể hoạt động ở chế độ SIM (Selected Ion Monitoring) để tăng độ nhạy cho phân tích mục tiêu.

Kết luận

GC-MS là một trong những công cụ phân tích mạnh mẽ nhất hiện nay, cho phép tách, xác định và định lượng chính xác các hợp chất bay hơi trong các mẫu phức tạp. Sự kết hợp của hai công nghệ GC và MS tạo ra một nền tảng phân tích đáng tin cậy trong nhiều lĩnh vực từ nghiên cứu đến công nghiệp. Tuy còn tồn tại một số hạn chế, nhưng với sự phát triển của công nghệ, GC-MS tiếp tục giữ vai trò then chốt trong hệ thống kiểm nghiệm hiện đại.