Khối phổ (tiếng Anh: Mass Spectrometry, viết tắt là MS) là một kỹ thuật hóa phân tích mạnh mẽ dùng để đo tỷ số khối lượng trên điện tích (m/z) của các phân tử và nguyên tử đã được ion hóa. Dựa vào khối phổ đồ thu được, các nhà khoa học có thể xác định chính xác khối lượng phân tử, làm sáng tỏ công thức hóa học, giải mã cấu trúc không gian và định lượng các hợp chất trong những hỗn hợp phức tạp với độ nhạy cực cao tới cấp độ picogram và femtogram.
Nguyên lý hoạt động cơ bản của khối phổ kế
Một thiết bị khối phổ kế tiêu chuẩn bao gồm ba khối chức năng chính hoạt động trong điều kiện chân không cao nhằm ngăn cản sự va chạm giữa các ion và phân tử khí môi trường:
- Nguồn ion hóa (Ion Source): Chuyển đổi các phân tử mẫu trung hòa thành các ion ở pha khí mang điện tích dương hoặc âm.
- Bộ phân tích khối (Mass Analyzer): Tách biệt các chùm ion dựa trên sự khác biệt về tỷ số m/z bằng cách sử dụng điện trường, từ trường hoặc thời gian bay.
- Bộ phát hiện ion (Detector): Ghi nhận dòng ion sau khi phân tách, khuếch đại tín hiệu điện và chuyển đổi thành khối phổ đồ biểu diễn cường độ tương đối theo m/z.
Các kỹ thuật ion hóa phổ biến
Việc lựa chọn phương pháp ion hóa phụ thuộc vào bản chất lý hóa, độ bền nhiệt và khối lượng phân tử của mẫu phân tích:
1. Ion hóa va đập điện tử (Electron Ionization - EI)
EI là kỹ thuật ion hóa cứng truyền thống. Chùm điện tử năng lượng cao (thường là 70 eV) bắn phá các phân tử khí, làm bật một electron ra khỏi phân tử để tạo thành ion gốc dương (M•+). Quá trình này cung cấp năng lượng dư thừa lớn làm phân tử bị vỡ mảnh thành các mảnh ion đặc trưng, cung cấp "dấu vân tay hóa học" phục vụ tra cứu phổ chuẩn.
2. Ion hóa phun sương điện trường (Electrospray Ionization - ESI)
ESI là phương pháp ion hóa mềm mang tính cách mạng cho phép đưa các đại phân tử sinh học không bay hơi như protein, peptide và oligonucleotide vào pha khí mà không làm gãy vỡ liên kết cộng hóa trị. Kỹ thuật này thường tạo ra các ion đa điện tích [M + nH]n+, giúp phân tích được các đại phân tử có khối lượng hàng trăm kilodalton trên các bộ phân tích khối có thang đo m/z thông thường.
3. Ion hóa giải hấp bằng laser có chất nền (MALDI)
MALDI sử dụng ma trận hữu cơ hấp thụ tia laser để đồng kết tinh với mẫu. Khi chiếu tia laser xung UV ngắn, chất nền hấp thụ năng lượng và thăng hoa nhanh chóng, kéo theo các ion mẫu mang điện tích đơn [M + H]+ vào pha khí, rất thích hợp cho phân tích polymer tổng hợp và khối phổ hình ảnh mô sinh học.
Các bộ phân tích khối lượng tiên tiến
| Bộ phân tích khối | Nguyên lý phân tách | Độ phân giải (Resolution) | Đặc điểm nổi bật |
|---|---|---|---|
| Tứ cực (Quadrupole) | Dao động ion trong điện trường cao tần RF và DC | Trung bình (~1,000) | Kích thước gọn, định lượng tuyến tính cao, chi phí hợp lý |
| Thời gian bay (TOF) | Đo thời gian ion bay qua ống chân không tự do | Cao (20,000 - 100,000) | Phạm vi khối lượng gần như không giới hạn, tốc độ thu phổ nhanh |
| Bẫy ion Orbitrap | Dao động điều hòa dọc trục trong trường tĩnh điện | Rất cao (> 100,000 - 1,000,000) | Độ chính xác khối cực cao (sub-ppm), không cần nam châm siêu dẫn |
| Cộng hưởng cyclotron ion (FT-ICR) | Tần số chuyển động cyclotron trong từ trường siêu dẫn | Cực cao (> 1,000,000) | Độ phân giải đỉnh cao nhất nhưng chi phí bảo dưỡng heli lỏng lớn |
Khối phổ liên hợp và kỹ thuật phân tích Tandem MS (MS/MS)
Trong thực nghiệm hiện đại, khối phổ hiếm khi vận hành độc lập mà thường được ghép nối với kỹ thuật sắc ký lỏng (LC-MS) hoặc sắc ký khí (GC-MS) để thực hiện đồng thời việc phân tách và định danh. Kỹ thuật khối phổ hai lần liên tiếp (MS/MS hoặc MSn) cho phép chọn lọc một ion tiền thân cụ thể, phân cắt bằng va chạm với khí trơ (CID) và phân tích các mảnh ion con sinh ra, cung cấp bằng chứng giải trình tự peptide và xác định chính xác vị trí các biến đổi sau dịch mã.
Ứng dụng thực tiễn trong khoa học và đời sống
Khối phổ là công cụ trung tâm của nền khoa học hiện đại:
- Nghiên cứu hệ protein (Proteomics) và hệ chuyển hóa (Metabolomics): Nhận diện hàng ngàn protein và chất chuyển hóa trong mẫu tế bào phức tạp nhằm phát hiện các dấu ấn sinh học bệnh lý ung thư và tim mạch.
- Kiểm nghiệm dược phẩm: Xác minh độ tinh khiết, phát hiện tạp chất liên quan genotox và nghiên cứu động học chuyển hóa thuốc trong thử nghiệm lâm sàng.
- Phân tích an toàn thực phẩm và môi trường: Phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật, kháng sinh tồn dư, độc tố vi nấm và các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân hủy (POPs) ở nồng độ vết.
- Khoa học hình sự và chống doping: Giám định chất ma túy mới, chất độc sinh học và kiểm tra chất cấm trong thi đấu thể thao chuyên nghiệp.