Sắc ký khí khối phổ là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học

Giới thiệu về sắc ký khí khối phổ (GC–MS)

Sắc ký khí khối phổ (GC–MS) là kỹ thuật phân tích kết hợp giữa sắc ký khí và khối phổ, cho phép tách riêng và xác định cấu trúc của các thành phần trong hỗn hợp phức tạp. Phương pháp này mang lại khả năng định tính và định lượng đồng thời với độ nhạy cao và phổ mảnh vỡ đặc trưng, giúp nhận diện hợp chất với độ tin cậy vượt trội.

Ứng dụng của GC–MS bao trùm nhiều lĩnh vực như dược phẩm, phân tích môi trường, thực phẩm, y sinh và pháp y. Trong đó, GC–MS là lựa chọn hàng đầu để phát hiện chất ô nhiễm hữu cơ bay hơi, dư lượng thuốc trừ sâu và hợp chất thơm trong mẫu nước, đất hoặc không khí.

Thế mạnh của GC–MS nằm ở khả năng phân giải đáng kể các hợp chất có nhiệt độ sôi thấp đến trung bình, cung cấp phổ khối mảnh vỡ rõ ràng, từ đó xác định danh tính và nồng độ của từng phân tử. Kỹ thuật này được phát triển từ những năm 1950 và không ngừng được cải tiến về nguồn ion hóa, bộ phân tích khối và phần mềm xử lý dữ liệu.

Nguyên lý cơ bản của GC và MS

Sắc ký khí (GC) tách các thành phần trong hỗn hợp dựa trên sự khác biệt về ái tính giữa pha tĩnh (lớp phủ trên cột) và pha động (khí mang). Khi hỗn hợp mẫu được bốc hơi và đưa vào cột sắc ký, từng thành phần di chuyển với tốc độ khác nhau tùy theo tương tác với bề mặt pha tĩnh, cho thời gian lưu (retention time) đặc trưng.

Khối phổ (MS) xác định khối lượng phân tử và mảnh vỡ của hợp chất bằng cách ion hóa phân tử rồi phân tích tỉ lệ khối lượng trên điện tích (m/z). Tín hiệu thu được thể hiện phổ phổ khối, trong đó mỗi đỉnh tương ứng với một mảnh vỡ ion có khối lượng xác định, cho phép suy diễn cấu trúc phân tử.

Sự kết hợp GC–MS diễn ra khi dòng khí mang từ cột sắc ký được dẫn trực tiếp vào buồng ion hóa khối phổ. Các phân tử sau khi tách khỏi cột ngay lập tức được ion hóa, phân mảnh và đo phổ khối, tạo nên dữ liệu kép: thời gian lưu từ GC và phổ mảnh vỡ từ MS.

Hệ thống sắc ký khí

Hệ thống GC bao gồm bơm khí mang, van lấy mẫu, cột sắc ký và lò gia nhiệt. Khí mang thường dùng là helium (He) hoặc hydrogen (H₂), cung cấp môi trường trơ và ổn định để đẩy mẫu qua cột. Lưu lượng và áp suất khí mang ảnh hưởng trực tiếp đến độ phân giải và thời gian phân tích.

Cột sắc ký thường là cột mao quản (capillary column) làm từ silica, bên trong được phủ một lớp mỏng pha tĩnh hữu cơ. Đường kính trong cột dao động từ 0,1–0,53 mm và chiều dài từ 10–60 m, cho phép tách sắc ký hiệu quả đối với hàng trăm hợp chất trong cùng một phép chạy.

Thông số cột	Giá trị điển hình	Ảnh hưởng đến tách
Đường kính trong	0,10–0,53 mm	Tốc độ dòng khí, độ phân giải
Độ dày lớp phủ	0,10–1,0 µm	Khả năng giữ phân tử, thời gian lưu
Chiều dài cột	10–60 m	Độ phân giải và thời gian tách

Lò gia nhiệt lập trình (temperature programming) cho phép tăng dần nhiệt độ cột theo thời gian, tối ưu hóa tách các hợp chất có nhiệt độ sôi khác nhau. Chương trình nhiệt độ bao gồm bước khởi đầu, bước tăng tốc và bước giữ ổn định, giúp rút ngắn thời gian phân tích và cải thiện phân giải.

Nguồn ion hóa

Nguồn Electron Impact (EI) là phương pháp ion hóa phổ biến nhất trong GC–MS. Phân tử mẫu bị bắn phá bởi chùm electron năng lượng cao (~70 eV), tạo ra ion dương và mảnh vỡ đặc trưng, cung cấp phổ mảnh vỡ giàu thông tin cấu trúc.

Chemical Ionization (CI) là nguồn ion hóa mềm hơn, sử dụng khí reagent như metan hoặc isobutan để tạo ion phân tử [M+H]⁺ ít phân mảnh. CI thích hợp cho định tính phân tử khi phổ EI quá rối hoặc khi cần xác định khối lượng phân tử nguyên vẹn.

• EI: phổ mảnh vỡ đa dạng, thư viện phổ lớn, phân tích định tính.
• CI: phổ phân tử rõ ràng, ít phân mảnh, hỗ trợ xác định khối lượng phân tử.
• Ưu tiên lựa chọn: chọn nguồn tùy mục tiêu phân tích và độ phức tạp của hỗn hợp.

Việc thay đổi nguồn ion hóa yêu cầu cân nhắc áp suất buồng ion, nhiệt độ và dòng khí reagent. Thiết lập tối ưu giúp cân bằng giữa độ nhạy và khả năng tái tạo phổ, đáp ứng yêu cầu định tính và định lượng khắt khe trong phân tích GC–MS.

Bộ phân tích khối

Bộ phân tích khối phổ (mass analyzer) phân tách ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) và xác định vận tốc hoặc độ lệch quỹ đạo của chúng. Các loại phân tích phổ phổ biến trong GC–MS bao gồm:

• Tứ cực (Quadrupole, Q): dùng điện trường dao động để lọc ion, ưu điểm: kích thước nhỏ, độ ổn định cao, chi phí vừa phải.
• Time‐of‐Flight (TOF): đo thời gian ion di chuyển qua khoảng cách cố định, ưu việt về độ phân giải và dải động rộng.
• Ion trap: bẫy ion trong buồng điện trường, cho phép thực hiện MSn, phù hợp phân tích phức hợp cần đa cấp phân tích.

TOF cho độ phân giải khối xuất sắc (>10 000), cho phép phân biệt đồng phân mạ-z rất gần nhau, trong khi Q thường đạt độ phân giải trung bình (~1000) nhưng có khả năng quét nhanh và dễ tích hợp với nhiều nguồn ion khác nhau .

Kết hợp đa bộ phân tích (tandem MS/MS) với cấu hình Q–Q hoặc Q–TOF hỗ trợ loại bỏ nhiễu nền, tăng độ đặc hiệu và giới hạn phát hiện khi theo dõi ion đặc trưng của hợp chất mục tiêu.

Đầu dò và thu tín hiệu

Đầu dò ion chuyển tín hiệu dạng ion thành tín hiệu điện để thu thập phổ khối. Hai loại đầu dò chính:

• Faraday Cup: thu ion trực tiếp lên bề mặt kim loại, đo dòng điện tĩnh, có độ chính xác cao ở nồng độ ion lớn nhưng độ nhạy thấp hơn.
• Electron Multiplier: ion kích thích làm bật electron, khuếch đại tín hiệu qua chuỗi va chạm, đạt độ nhạy cao, phát hiện ion ở nồng độ rất thấp.

Độ nhạy và dải động của đầu dò quyết định giới hạn phát hiện (LOD) và giới hạn định lượng (LOQ) của toàn hệ thống GC–MS. Trong phân tích dư lượng thuốc trừ sâu hoặc chất ô nhiễm môi trường, LOD có thể đạt ngưỡng part-per-trillion (ppt) khi dùng đầu dò Electron Multiplier kết hợp MS/MS .

Hệ thống thu tín hiệu hiện đại tích hợp phần mềm điều khiển tự động cân bằng áp suất, dòng khí và nhiệt độ, đồng thời áp dụng thuật toán lọc nhiễu và chuẩn hóa tín hiệu để cải thiện độ chính xác và độ tái lập.

Phân tích dữ liệu và định tính, định lượng

Dữ liệu GC–MS gồm hai trục: thời gian lưu (GC) và phổ khối (MS). Định tính dựa trên đối chiếu phổ mảnh vỡ với thư viện chuẩn (NIST, Wiley) và chỉ số Kovats (retention index) để tăng tính chắc chắn khi xác định đồng phân .

Định lượng sử dụng phương pháp:
$C = \frac{A_{\mathrm{analyte}}}{A_{\mathrm{IS}}} \times C_{\mathrm{IS}}$
trong đó A là diện tích pic, IS là chuẩn nội, C là nồng độ. Đường chuẩn được thiết lập bằng cách phân tích loạt mẫu chuẩn có nồng độ khác nhau và vẽ đồ thị diện tích pic so với nồng độ.

Phần mềm xử lý phổ cho phép tích hợp tự động peak detection, deconvolution tách tín hiệu chồng lấn, và áp dụng các thuật toán machine learning để nhận diện dấu vân tay khối phổ của hợp chất mục tiêu, giảm thiểu can thiệp thủ công.

Ứng dụng

Dược phẩm: xác định cấu trúc, độ tinh khiết và hàm lượng hoạt chất. GC–MS dùng để phân tích tạp chất, khối bào chế và chất chuyển hóa trong sinh học.

Môi trường: giám sát hợp chất hữu cơ bay hơi (VOCs), dư lượng thuốc trừ sâu, POPs; ứng dụng trong đánh giá ô nhiễm không khí, nước và đất .

Pháp y: phát hiện ma túy, độc tố và dấu vân tay hóa học; sử dụng phổ khối để đối chiếu thư viện forensics NIST .

Ưu điểm và hạn chế

• Ưu điểm: độ nhạy cao, phổ khối đặc trưng, khả năng tách và xác định đồng thời hàng trăm hợp chất.
• Hạn chế: chỉ áp dụng cho hợp chất nhiệt dung bền, cần tiền xử lý mẫu để biến đổi phân tử khó bay hơi (derivatization).
• Khắc phục: sử dụng kỹ thuật GC×GC, tăng chiều tách; dẫn xuất hóa học để phân tích acid amin, đường và hợp chất phân cực.

Xu hướng nghiên cứu và phát triển

GC×GC–MS (sắc ký khí đa chiều) sử dụng hai cột có tính chất pha tĩnh khác nhau, tăng khả năng tách và giảm chồng lấn pic, phù hợp với mẫu môi trường và sinh học rất phức tạp .

Phát triển nguồn ion hóa mềm (soft ionization) như APCI, DART–MS cho phép phân tích trực tiếp mẫu rắn hoặc lỏng mà không cần sắc ký, đẩy nhanh tốc độ phân tích trong các ứng dụng giám sát nhanh.

Ứng dụng trí tuệ nhân tạo và deep learning trong xử lý phổ mảnh vỡ, tối ưu điều kiện phân tích và dự đoán phổ cho hợp chất mới, rút ngắn thời gian phát triển phương pháp và nâng cao độ chính xác phân tích.

Tài liệu tham khảo

• Thermo Fisher Scientific – Mass Spectrometry Overview
• PMC – Advances in GC–MS Technology
• ACS Analytical Chemistry – Retention Index and GC–MS
• EPA – Volatile Organic Compounds List
• NIST – Forensic Mass Spectral Library
• Journal of Chromatography A – GC×GC–MS Advances