Phổ khối lượng là gì? Nghiên cứu khoa học về phổ khối lượng

Định nghĩa phổ khối lượng

Phổ khối lượng (mass spectrum) là biểu đồ thể hiện cường độ tương đối của các ion được phát hiện trong phép đo khối phổ (mass spectrometry) theo tỷ số khối lượng trên điện tích ($m/z$). Mỗi đỉnh (peak) trong phổ đại diện cho một loại ion cụ thể được sinh ra từ phân tử ban đầu, cung cấp thông tin về cấu trúc và thành phần phân tử.

Phổ khối lượng là đầu ra đặc trưng của kỹ thuật khối phổ và được sử dụng để xác định phân tử, cấu trúc hóa học, độ tinh khiết, cũng như theo dõi phản ứng hóa học.

Nguyên lý hình thành phổ khối lượng

Phổ khối lượng được tạo ra khi các phân tử bị ion hóa, sau đó được tăng tốc và phân tách dựa trên tỷ lệ $m/z$ trong một trường điện từ. Các ion đi đến đầu dò (detector), tạo ra tín hiệu điện tương ứng với cường độ của mỗi ion.

Quá trình hình thành phổ bao gồm các giai đoạn chính: ion hóa, chọn lọc ion, phân tích khối lượng và phát hiện tín hiệu. Loại phổ thu được phụ thuộc vào loại ion hóa và máy phân tích khối lượng được sử dụng.

Trục hoành và trục tung trong phổ khối lượng

Phổ khối lượng được biểu diễn với trục hoành là tỷ số khối lượng trên điện tích ($m/z$) và trục tung là cường độ tín hiệu (thường tính bằng phần trăm so với ion mạnh nhất, gọi là base peak). Giá trị m/z thường được làm tròn đến số nguyên hoặc có độ phân giải cao tùy loại thiết bị.

Ví dụ:

• Ion phân tử: $[M]^+$ có $m/z$ tương ứng với khối lượng phân tử
• Ion phân mảnh: thể hiện sự phân rã cấu trúc phân tử
• Isotope peak: cho biết thành phần đồng vị tự nhiên

Các loại phổ khối phổ phổ biến

Tùy thuộc vào chế độ vận hành và mục đích phân tích, có thể thu được các loại phổ khác nhau:

• Full scan: hiển thị tất cả các ion trong dải m/z được chọn
• Selected Ion Monitoring (SIM): theo dõi một số ion cụ thể, tăng độ nhạy
• MS/MS (tandem MS): phổ phân mảnh thu từ ion cha sau quá trình phân tách

MS/MS đặc biệt hữu ích trong phân tích hợp chất phức tạp như peptide, thuốc và chất chuyển hóa.

Phổ khối lượng và xác định cấu trúc hóa học

Phân tích phổ khối lượng là một trong những công cụ mạnh nhất để xác định cấu trúc hóa học của phân tử. Khi một phân tử bị ion hóa, nó có thể phân mảnh thành nhiều ion con, mỗi ion mang thông tin về các phần cấu trúc khác nhau của phân tử mẹ. Phổ thu được sẽ chứa nhiều đỉnh tương ứng với các giá trị $m/z$ khác nhau, từ đó có thể suy luận chuỗi phân mảnh.

Đỉnh cao nhất được gọi là đỉnh cơ sở (base peak), thường là ion ổn định nhất và có cường độ 100%. Đỉnh có $m/z$ lớn nhất thường tương ứng với ion phân tử $[M]^+$, đại diện cho toàn bộ khối lượng phân tử. Sự mất nhóm chức (ví dụ: –CH₃, –OH, –NH₂) tạo ra các đỉnh phụ, giúp xác định các thành phần trong cấu trúc.

Bảng dưới đây là ví dụ các loại phân mảnh phổ biến và tín hiệu đi kèm:

Nhóm chức/phân mảnh	Khối lượng mất (Da)	Gợi ý cấu trúc
-CH₃	15	Alkyl hoặc methyl
-H₂O	18	Rượu hoặc acid
-NH₃	17	Amin
-CO	28	Aldehyde/ketone

Độ phân giải và độ chính xác khối lượng

Độ phân giải ($R = \frac{m}{\Delta m}$) là thước đo khả năng phân biệt hai ion có $m/z$ gần nhau. Với các hợp chất có khối lượng tương tự, độ phân giải cao là cần thiết để nhận biết từng thành phần riêng biệt, đặc biệt trong mẫu phức hợp như proteome, metabolome.

Độ chính xác khối lượng (mass accuracy) thể hiện mức sai lệch giữa khối lượng đo được và khối lượng lý thuyết, được tính theo đơn vị ppm (phần triệu). Máy phổ khối hiện đại có thể đạt độ chính xác < 3 ppm, từ đó xác định công thức phân tử một cách tin cậy.

Ví dụ: một sai số 5 ppm ở khối lượng 500 Da là 0.0025 Da – đủ để phân biệt giữa C₂H₄O₂ và CH₄N₂O.

Các thiết bị tạo phổ khối lượng

Hiệu suất và độ phân giải của phổ khối phụ thuộc vào loại thiết bị được sử dụng. Mỗi công nghệ máy phân tích khối lượng có đặc điểm kỹ thuật và ứng dụng khác nhau:

• Quadrupole: phổ biến, độ phân giải trung bình, chi phí thấp
• TOF (Time-of-Flight): tốc độ cao, phù hợp phân tích chính xác khối
• Ion Trap: phân tích MSⁿ linh hoạt, độ nhạy cao
• Orbitrap: độ phân giải rất cao, chính xác khối đến sub-ppm
• FT-ICR: độ phân giải cực cao, dùng trong nghiên cứu cấu trúc phức tạp

Việc lựa chọn thiết bị tùy thuộc vào yêu cầu phân tích: tốc độ, độ phân giải, độ nhạy và loại mẫu phân tích (hòa tan, bay hơi, sinh học, polymer).

Ứng dụng của phổ khối lượng trong khoa học và công nghiệp

Phổ khối lượng là công cụ không thể thiếu trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong hóa phân tích, sinh học phân tử và y dược. Một số ứng dụng quan trọng gồm:

• Phân tích cấu trúc và công thức phân tử của hợp chất hữu cơ
• Phân tích proteomics: xác định peptide, xác minh trình tự protein
• Kiểm tra độ tinh khiết dược phẩm, xác định chất chuyển hóa (metabolite)
• Giám sát chất ô nhiễm trong môi trường (thuốc trừ sâu, kim loại nặng)
• Xét nghiệm pháp y: phát hiện ma túy, cồn, độc chất

Trong các hệ thống LC-MS hoặc GC-MS, phổ khối lượng đóng vai trò định danh sau khi các chất được tách bằng sắc ký, giúp phân tích mẫu phức tạp như huyết tương, nước thải, thực phẩm hoặc nguyên liệu thô.

Phân tích phổ khối lượng tự động và trí tuệ nhân tạo

Với sự gia tăng của dữ liệu khối phổ trong nghiên cứu, các thuật toán học máy (machine learning) và trí tuệ nhân tạo (AI) đang được ứng dụng để xử lý, phân loại và dự đoán cấu trúc hóa học từ phổ khối lượng một cách tự động.

Một số nền tảng phổ biến:

• GNPS: Global Natural Products Social molecular networking – nền tảng chia sẻ và phân tích phổ MS/MS
• METLIN: thư viện phổ chuyển hóa lớn, dùng trong metabolomics
• MassBank: nguồn mở cho các phổ khối đã xác nhận
• mzCloud: cơ sở dữ liệu thương mại với AI phân tích phổ

Sự kết hợp giữa dữ liệu lớn và AI giúp tăng tốc độ xử lý phổ, hỗ trợ phát hiện hợp chất mới và chuẩn hóa kết quả phân tích trong nghiên cứu cũng như công nghiệp.

Tài liệu tham khảo chọn lọc

• NCBI – Mass Spectrometry in Drug Discovery
• ACS Chemical Reviews – Advances in Mass Spectrometry
• ScienceDirect – High-resolution Mass Spectrometry