Uplc ms ms là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa UPLC-MS/MS

UPLC-MS/MS là viết tắt của Ultra Performance Liquid Chromatography – Tandem Mass Spectrometry, một kỹ thuật phân tích hiện đại kết hợp giữa sắc ký lỏng hiệu năng siêu cao và phổ khối hai lần. Đây là phương pháp rất mạnh trong phân tích định lượng, đặc biệt với các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ, nồng độ thấp và mẫu nền phức tạp.

Phần UPLC đảm nhận vai trò tách các hợp chất có trong mẫu dựa trên sự khác biệt về tính chất hóa lý như phân cực, kích thước, và ái lực với pha tĩnh. Sau khi được tách, từng chất sẽ đi vào hệ thống MS/MS, nơi các phân tử được ion hóa, lọc và phân mảnh để phân tích khối phổ hai cấp độ, giúp xác định chính xác khối lượng và cấu trúc phân tử.

Kỹ thuật này đặc biệt quan trọng trong dược lý, sinh học phân tử, môi trường và phân tích thực phẩm, nhờ khả năng phát hiện ở mức picogram, độ đặc hiệu cao, và hiệu suất phân tích vượt trội so với các phương pháp truyền thống như HPLC hoặc GC-MS.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

Hệ thống UPLC-MS/MS gồm ba thành phần chính: bộ phận bơm và cột UPLC để tách hợp chất, hệ thống ion hóa (như ESI hoặc APCI) để tạo ion từ mẫu, và bộ phổ khối kép gồm MS1 – bộ lọc khối đầu tiên, buồng va chạm, và MS2 – bộ phân tích khối thứ hai. Chuỗi hoạt động này đảm bảo phân tích chính xác từng chất trong hỗn hợp phức tạp.

Nguyên lý hoạt động gồm các bước:

• Mẫu được bơm vào hệ thống UPLC và đi qua cột sắc ký
• Các chất được tách nhờ khác biệt tương tác với pha động và pha tĩnh
• Chất tách ra được ion hóa thành dạng điện tích trong buồng ion hóa
• Ion cha được chọn ở MS1, sau đó phân mảnh trong buồng va chạm
• Ion con được phân tích ở MS2 để xác định và định lượng

Hệ thống MS/MS cung cấp độ đặc hiệu rất cao vì nó không chỉ xác định khối lượng ion cha mà còn phân tích các mảnh ion con đặc trưng, giúp loại bỏ nhiễu nền và tăng độ tin cậy khi phân tích mẫu sinh học hoặc thực phẩm có thành phần phức tạp.

Sự khác biệt giữa UPLC và HPLC

UPLC là sự nâng cấp của công nghệ HPLC với hiệu suất cao hơn nhờ sử dụng cột sắc ký có hạt kích thước nhỏ hơn 2 µm, cho phép tăng diện tích bề mặt tiếp xúc và giảm độ khuếch tán, từ đó tăng độ phân giải và rút ngắn thời gian phân tích. Áp suất làm việc của hệ UPLC cũng cao hơn đáng kể, thường lên tới 15000 psi so với 6000 psi ở HPLC.

Do hiệu suất tách cao và thời gian lưu ngắn, UPLC phù hợp với các quy trình phân tích yêu cầu throughput lớn như trong phòng kiểm nghiệm thuốc, phòng độc chất hoặc phân tích lâm sàng. Ngoài ra, lượng dung môi sử dụng ít hơn giúp giảm chi phí vận hành và tác động môi trường.

Bảng so sánh UPLC và HPLC:

Nguyên lý MS/MS

MS/MS (Tandem Mass Spectrometry) hoạt động dựa trên việc chọn lọc một ion cha từ phổ khối đầu tiên (MS1), sau đó phá vỡ ion đó bằng va chạm với khí trơ (thường là argon hoặc nitrogen) để tạo ra các ion con. Những ion con này sau đó được phân tích ở MS2 để xác định cấu trúc hoặc định lượng chất phân tích.

Sơ đồ quá trình MS/MS:

1. Ion hóa: Mẫu bị ion hóa tạo ion cha
2. Lọc ion cha: MS1 chọn ion mục tiêu theo khối lượng
3. Va chạm và phân mảnh: Ion cha phân mảnh trong buồng va chạm
4. Phân tích ion con: MS2 phân tích các mảnh để xác định chất

Cấu trúc điển hình của MS/MS gồm ba bộ phận tách biệt: bộ lọc khối Q1 (quadrupole), buồng va chạm (collision cell), và bộ lọc khối Q3. Một ứng dụng phổ biến là Multiple Reaction Monitoring (MRM), trong đó cặp ion cha – ion con đặc trưng được giám sát với độ nhạy cực cao, giúp định lượng chính xác chất mục tiêu trong nền mẫu phức tạp.

Phương pháp ion hóa

Ion hóa là bước đầu tiên và quan trọng trong quá trình phân tích khối phổ. Hai phương pháp ion hóa phổ biến trong UPLC-MS/MS là Electrospray Ionization (ESI) và Atmospheric Pressure Chemical Ionization (APCI). Mỗi phương pháp phù hợp với loại phân tử khác nhau tùy theo tính phân cực, khối lượng phân tử và độ bay hơi của chất phân tích.

ESI hoạt động bằng cách phun mẫu dưới điện áp cao để tạo ra sương ion trong dung môi nước hoặc methanol. Phương pháp này lý tưởng cho các phân tử có cực mạnh như axit amin, peptide, nucleotide, hoặc thuốc. Trong khi đó, APCI sử dụng quá trình hóa ion ở áp suất khí quyển, hiệu quả với các chất ít phân cực hơn như steroid, vitamin, hoặc dẫn xuất hydrocacbon.

Bảng so sánh ESI và APCI:

Tham khảo chi tiết công nghệ ESI: ThermoFisher – Electrospray Ionization

Ứng dụng trong phân tích dược phẩm và sinh học

UPLC-MS/MS là công cụ then chốt trong phân tích dược phẩm do khả năng phát hiện, định lượng và xác minh các hợp chất ở nồng độ cực thấp trong nền mẫu sinh học phức tạp. Các phòng nghiên cứu lâm sàng và nhà máy sản xuất thuốc sử dụng kỹ thuật này để định lượng hoạt chất, chất chuyển hóa, hormone hoặc thuốc trong huyết tương, huyết thanh, nước tiểu và mô.

Các ứng dụng cụ thể bao gồm:

• Giám sát điều trị thuốc (TDM)
• Phân tích dược động học (PK/PD)
• Định lượng vitamin và steroid nội sinh
• Phân tích mẫu tiểu và máu trong xét nghiệm doping

Ví dụ, định lượng nồng độ tacrolimus – một thuốc ức chế miễn dịch – trong huyết tương bằng UPLC-MS/MS cho phép điều chỉnh liều cá thể hóa chính xác cho bệnh nhân ghép tạng.

Ứng dụng trong thực phẩm, môi trường và nông nghiệp

Bên cạnh dược học, UPLC-MS/MS cũng có vai trò không thể thiếu trong lĩnh vực an toàn thực phẩm, phân tích môi trường và kiểm nghiệm sản phẩm nông nghiệp. Nhờ độ nhạy cao và khả năng phân tích đa chất cùng lúc, kỹ thuật này có thể phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu, kháng sinh, độc tố vi sinh, chất cấm và kim loại nặng trong các loại mẫu thực phẩm, nước và đất.

Ví dụ trong kiểm nghiệm thực phẩm, UPLC-MS/MS được sử dụng để kiểm tra tồn dư chloramphenicol, fluoroquinolone, hoặc aflatoxin dưới ngưỡng quy định của FAO/WHO. Trong phân tích nước, nó giúp định lượng các hợp chất hữu cơ khó phân hủy như PFASs hoặc thuốc trừ sâu như glyphosate ở mức < 1 ng/L.

Tham khảo: Agilent – MS Analysis for Environmental Testing

Hiệu suất và độ nhạy

Ưu điểm nổi bật của UPLC-MS/MS là độ nhạy và độ chọn lọc rất cao. Với cấu hình phổ khối tandem và kỹ thuật MRM (Multiple Reaction Monitoring), hệ thống có thể phát hiện chất với nồng độ dưới 1 pg/mL, đặc biệt hữu ích trong các ứng dụng cần định lượng dấu ấn sinh học, độc chất hoặc chất cấm trong mẫu sinh học và môi trường.

Bảng giới hạn phát hiện (LOD) ví dụ:

Nhờ khả năng phát hiện mức rất thấp và phân tích đồng thời nhiều chất, UPLC-MS/MS trở thành tiêu chuẩn vàng trong nhiều phòng thí nghiệm nghiên cứu và kiểm nghiệm chất lượng.

Thách thức và hạn chế

Dù ưu việt, kỹ thuật UPLC-MS/MS cũng có một số nhược điểm như chi phí thiết bị và bảo trì cao, yêu cầu kỹ thuật viên được đào tạo chuyên sâu, và tốn thời gian xử lý mẫu. Độ nhạy cao cũng đồng nghĩa với khả năng bắt nhiễu từ nền mẫu hoặc dung môi nếu không kiểm soát tốt.

Thêm vào đó, không phải hợp chất nào cũng ion hóa hiệu quả bằng ESI hoặc APCI, dẫn đến sự khác biệt tín hiệu giữa các chất và ảnh hưởng đến độ chính xác. Điều này đòi hỏi sử dụng chất nội chuẩn (internal standard) và quy trình hiệu chuẩn cẩn thận trong mỗi phương pháp phân tích.

Xu hướng phát triển và tự động hóa

Các xu hướng mới đang tập trung vào tự động hóa quy trình phân tích với sự hỗ trợ của AI, tự động hóa chuẩn bị mẫu, và tích hợp phần mềm xử lý dữ liệu tiên tiến. Hệ thống UPLC-MS/MS thế hệ mới có khả năng phân tích throughput cao (High-throughput LC-MS) giúp xử lý hàng trăm mẫu mỗi ngày trong lĩnh vực y học cá thể, phân tích di truyền và nghiên cứu dịch tễ học quy mô lớn.

Tiến bộ trong cảm biến, nguồn ion và mô hình xử lý dữ liệu đang thúc đẩy phát triển LC-MS thành nền tảng chủ lực của các hệ thống phòng thí nghiệm hiện đại. Sự tích hợp giữa phần cứng linh hoạt, AI và dữ liệu lớn mở ra khả năng cá nhân hóa phân tích y sinh học trong thời gian thực.

Tham khảo: Waters – LC-MS/MS Systems

Kết luận ngắn gọn

UPLC-MS/MS là công nghệ phân tích sắc ký hiện đại có khả năng tách, nhận diện và định lượng hợp chất với độ chính xác và độ nhạy cao. Với khả năng ứng dụng rộng khắp trong dược học, môi trường, thực phẩm và y học cá thể, kỹ thuật này tiếp tục giữ vai trò trọng yếu trong nghiên cứu khoa học và kiểm nghiệm chất lượng toàn cầu.