Quang phổ khối là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu chung về quang phổ khối

Quang phổ khối (mass spectrometry) là kỹ thuật phân tích cao cấp dựa trên nguyên tắc tách và đo khối lượng của các ion thu được từ mẫu phân tích. Kỹ thuật này cho phép xác định khối lượng phân tử chính xác, phân biệt cấu trúc đồng phân và theo dõi các biến đổi hóa học ở mức độ nguyên tử. Giá trị đặc trưng của mỗi ion được biểu diễn qua tỷ số khối lượng/điện tích ($m/z$), tạo thành dải phổ khối (mass spectrum) đặc trưng giống như “dấu vân tay” phân tử.

Khả năng phân tích định tính và định lượng của quang phổ khối rất đa dạng, từ xác nhận thành phần hữu cơ/phân tử sinh học đến phát hiện tạp chất trong dược phẩm, môi trường và thực phẩm. Với độ nhạy cao, giới hạn phát hiện ở cấp phần tỉ hoặc phần triệu, quang phổ khối cho phép nghiên cứu các mẫu phức tạp mà các phương pháp cổ điển khó tiếp cận. Thư viện phổ khối tiêu chuẩn như NIST Mass Spectral Library hỗ trợ đối chiếu phổ và xác định cấu trúc nhanh chóng (NIST MS Database).

Nguyên lý cơ bản

Quá trình quang phổ khối gồm bốn bước chính: (1) tạo ion từ mẫu (ion hóa), (2) phân tách ion theo tỷ số $m/z$ trong bộ khối phân tích, (3) phát hiện và ghi nhận cường độ ion, (4) xử lý dữ liệu và dựng phổ. Mỗi giai đoạn đều quyết định độ chính xác, độ phân giải và giới hạn phát hiện của kỹ thuật.

Trong bước ion hóa, mẫu được chuyển từ pha rắn hoặc lỏng thành dạng khí và bị tác động bởi điện tử, laser hoặc tác nhân hóa học để tạo ion. Bộ phân tích (mass analyzer) tách ion dựa trên đặc tính quỹ đạo hoặc thời gian bay (time-of-flight). Bộ dò (detector) ghi nhận số lượng ion ở mỗi giá trị $m/z$, sau đó phần mềm tái tạo phổ khối dưới dạng đồ thị đỉnh điện tử (peaks).

Phân tích dữ liệu phổ khối bao gồm: xác định khối lượng phân tử (molecular ion peak), nhận diện các đỉnh mảnh vỡ (fragment peaks) để suy ngược cấu trúc, và so sánh với thư viện phổ chuẩn. Kết quả cho phép xác định đồng thời nhiều thành phần trong hỗn hợp mẫu, thậm chí trong nồng độ rất thấp.

Các thành phần chính của hệ thống

Một hệ thống quang phổ khối điển hình bao gồm các phần cơ bản sau:

• Nguồn ion (Ion source): nơi mẫu được ion hóa bằng phương pháp phù hợp (EI, CI, ESI, MALDI,…).
• Bộ phân tích (Mass analyzer): tách ion theo tỷ số $m/z$ (ví dụ: Quadropole, TOF, Orbitrap, FTICR).
• Đầu dò (Detector): ghi nhận cường độ ion, thường sử dụng điện tử nhân (electron multiplier) hoặc bộ dò bán dẫn.
• Hệ thống chân không (Vacuum system): duy trì áp suất thấp (<10⁻⁶–10⁻⁹ Torr) để ion di chuyển tự do, giảm va chạm với phân tử khí nền.

Chất lượng của mỗi thành phần ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải, độ nhạy và độ lặp lại của phép đo. Ví dụ, hệ phân tích Orbitrap và FTICR cung cấp độ phân giải siêu cao (>100.000) nhưng đòi hỏi hệ thống chân không và kiểm soát nhiệt độ nghiêm ngặt.

Việc tối ưu hóa từng phần—chọn nguồn ion phù hợp với loại mẫu, điều kiện chạy bộ phân tích, hiệu chỉnh đầu dò—là bước quan trọng để đạt được dải động rộng và khả năng phân tích đồng thời nhiều phân tử khác nhau trong hỗn hợp.

Phương pháp ion hóa phổ biến

Có nhiều kỹ thuật ion hóa khác nhau, mỗi phương pháp phù hợp với nhóm mẫu và ứng dụng nhất định. Bảng dưới đây tóm tắt đặc điểm và ưu nhược điểm chính:

Phương pháp	Nguyên tắc	Ưu điểm	Hạn chế
Electron Ionization (EI)	Va chạm electron 70 eV	Phổ mảnh rõ, thư viện phong phú	Phân mảnh mạnh, ít phù hợp mẫu nhiệt nhạy
Electrospray Ionization (ESI)	Tạo tia phun dung dịch mẫu	Phù hợp phân tử sinh học lớn, dị ứng nhiệt thấp	Nhạy cảm với muối, đòi hỏi dung môi tinh khiết
Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI)	Laze kích thích ma trận hữu cơ	Phân tích protein, polymer trọng lượng lớn	Yêu cầu ma trận thích hợp, phổ nền cao

Danh sách các phương pháp ion hóa khác:

1. Chemical Ionization (CI): bổ sung chất phản ứng để giảm phân mảnh.
2. Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI): ion hóa ở áp suất khí quyển, phù hợp phân tích dược phẩm.
3. Desorption Electrospray Ionization (DESI): ion hóa trực tiếp bề mặt mẫu, ứng dụng trong phân tích hình ảnh.

Lựa chọn phương pháp ion hóa cần cân nhắc tính chất hóa học của mẫu, ngưỡng phát hiện và khả năng tương thích với bộ phân tích để đạt hiệu quả tối ưu.

Phân tích và giải thích phổ khối

Phân tích phổ khối bắt đầu với việc nhận diện đỉnh ion phân tử (molecular ion peak), biểu thị khối lượng nguyên vẹn của phân tử mẫu. Đỉnh này rất quan trọng vì cung cấp khối lượng phân tử chính xác, giúp xác định công thức phân tử tiềm năng. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, đỉnh ion phân tử có cường độ thấp hoặc không quan sát được do quá trình phân mảnh mạnh, đòi hỏi phân tích bổ sung qua các đỉnh mảnh vỡ.

Tiếp theo, các đỉnh mảnh vỡ (fragment peaks) xuất hiện ở các giá trị $m/z$ nhỏ hơn, tương ứng với các đoạn cấu trúc tách ra từ phân tử gốc. Mô hình phân mảnh (fragmentation pattern) được sử dụng để suy ngược cấu trúc: ví dụ, mất nhóm –CH₃ cho đỉnh cách nhau 15 Da, mất nhóm H₂O cho đỉnh cách nhau 18 Da. Việc xác định đúng các mảnh vỡ giúp ghép lại “bản đồ” cấu trúc phân tử.

Sau khi thu thập dữ liệu, phần mềm phân tích sẽ so sánh phổ thu được với thư viện phổ chuẩn (mass spectral library) như NIST MS Database để tìm kiếm các ứng viên gần trùng khớp. Độ tin cậy phụ thuộc vào độ phân giải và độ chính xác khối lượng: hệ Orbitrap và FTICR cung cấp độ phân giải siêu cao (>100.000), giúp phân biệt đồng phân có sai số khối lượng dưới 1 ppm.

Phương pháp định tính và định lượng

Trong định tính, nhà phân tích dựa vào các ion chỉ điểm (marker ions) đặc trưng cho từng hợp chất, thường kết hợp với phân tích đồng tiêu (co-elution) trên sắc ký chất lỏng (LC–MS) để tăng độ đặc hiệu. Xác nhận bổ sung có thể thực hiện qua so sánh phổ mảnh và thời gian lưu (retention time) với chuẩn ngoại sinh.

Định lượng sử dụng các chuẩn nội bộ (internal standards) – thường là đồng phân đồng vị bền (stable isotope-labeled standards) – để bù đắp biến động ion hóa và hệ thống. Đường chuẩn (calibration curve) được xây dựng bằng cách đo cường độ tín hiệu của loạt nồng độ chuẩn, cho phép tính nồng độ mẫu với độ chính xác ±5% và dải động rộng từ ppb đến ppm.

• Chuẩn bị mẫu: pha loãng, lọc hoặc trích xuất chọn lọc.
• Thêm chuẩn nội bộ vào mẫu.
• Thiết lập đường chuẩn với ít nhất 5 điểm nồng độ khác nhau.
• Chạy mẫu và chuẩn xen kẽ để theo dõi độ ổn định.
• Phân tích dữ liệu: tính tỉ lệ tín hiệu/mẫu so với chuẩn nội bộ.

Ứng dụng trong các lĩnh vực

Quang phổ khối đã trở thành công cụ không thể thiếu trong dược phẩm, giúp phân tích tạp chất, kiểm định khối lượng thuốc và nghiên cứu dược động học (pharmacokinetics). Trong phân tích môi trường, MS phát hiện tồn dư thuốc trừ sâu, hóa chất công nghiệp và chất ô nhiễm theo dõi tại mức ppt (parts per trillion).

Trong sinh học phân tử, LC–MS/MS kết hợp với tiêu chuẩn nội bộ định lượng protein và peptide (proteomics) với độ nhạy cao, hỗ trợ phát hiện dấu ấn sinh học (biomarkers) trong chẩn đoán bệnh. Ứng dụng khác bao gồm metabolomics, phân tích hợp chất trung gian chuyển hóa, và an toàn thực phẩm – phát hiện chất bảo quản, độc tố vi nấm, kim loại nặng.

• Dược phẩm: xác định tạp chất, nghiên cứu dược động học.
• Môi trường: theo dõi ô nhiễm hữu cơ bền (POPs), dư lượng thuốc trừ sâu.
• Proteomics & Metabolomics: khám phá dấu ấn sinh học và cơ chế bệnh.
• An toàn thực phẩm: phát hiện chất độc sinh học và hóa chất phụ gia.
• Phân tích hình ảnh (MS imaging): bản đồ phân phối phân tử trong mô sinh học.

Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm nổi bật của quang phổ khối gồm độ nhạy cao (ngưỡng phát hiện đến ppt), khả năng phân tích định tính và định lượng đồng thời nhiều thành phần, dải động rộng và độ phân giải cao. Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu và chi phí vận hành (bảo trì hệ chân không, thay thế nguồn ion) khá lớn.

Ưu điểm	Hạn chế
Độ nhạy & độ phân giải cao	Chi phí thiết bị và bảo trì cao
Phân tích mẫu phức tạp đồng thời	Yêu cầu chuẩn bị mẫu kỹ lưỡng
Dải động rộng	Không phù hợp mẫu có độ bay hơi thấp mà không có ion hóa thích hợp

Để giảm thiểu hạn chế, người dùng thường áp dụng quy trình chuẩn hoá mẫu chặt chẽ, theo dõi hiệu suất nguồn ion và hiệu chỉnh bộ phân tích định kỳ.

Tiến bộ công nghệ và xu hướng phát triển

Công nghệ khối phổ độ phân giải siêu cao như Orbitrap và FTICR ngày càng phổ biến trong phân tích phức hợp, cho phép phân biệt đồng phân và đám mây ion đồng thời phân tích các hỗn hợp đa dạng. Hệ thống này hiện đại còn tích hợp khả năng ghép nối sắc ký siêu cao áp (UHPLC–MS).

Ion mobility spectrometry (IMS) kết hợp với MS (IMS–MS) tách ion theo hình dạng và kích thước, tăng khả năng phân biệt đồng phân cấu trúc. Các thiết bị như TIMS (Bruker) và TWIMS (Waters) hỗ trợ phân tích proteoforms và glycoforms phức tạp. Waters IMS Overview

Mass spectrometry imaging (MSI) và ambient ionization (DESI, DART) đang mở đường cho phân tích không chuẩn bị mẫu phức tạp, trực quan hóa phân bố phân tử trong mô sinh học hoặc bề mặt vật liệu. Nghiên cứu single-cell MS và hệ thống tự động hóa mẫu (autosamplers) hướng tới phân tích quy mô lớn, cao throughput và độ lặp lại cao.

1. High-resolution MS (Orbitrap, FTICR).
2. Ion mobility–MS (TIMS, TWIMS).
3. Mass spectrometry imaging (MALDI-MSI, DESI-MSI).
4. Ambient MS (DESI, DART).
5. Single-cell MS và tự động hóa mẫu.

Tài liệu tham khảo

• Gross, J. H. Mass Spectrometry: A Textbook. Springer, 2011.
• Niessen, W. M. A. Liquid Chromatography–Mass Spectrometry. CRC Press, 2006.
• Chaurand, P., et al. “Mass Spectrometry Imaging of Biological Tissue.” Journal of Proteomics, vol. 73, no. 1, 2015, pp. 47–65.
• Siuzdak, G. “The Expanding Role of Mass Spectrometry in Biotechnology.” Analytical Chemistry, vol. 85, no. 3, 2013, pp. 705–714.
• Nie, C., et al. “Ion Mobility–Mass Spectrometry in Metabolomics.” Trends in Analytical Chemistry, vol. 150, 2023, 116576.
• National Institute of Standards and Technology. “Ambient and Atmospheric Pressure Mass Spectrometry.” https://www.nist.gov/programs-projects/ambient-and-atmospheric-pressure-mass-spectrometry.
• Thermo Fisher Scientific. “Mass Spectrometry Applications.” https://www.thermofisher.com/us/en/home/industrial/mass-spectrometry/applications.html.