Khối phổ là gì? Máy đo phổ khối lượng, khối phổ kế là gì?

Khối phổ, hay phương pháp khối phổ (tiếng Anh là Mass spectrometry, viết tắt là MS), là một kỹ thuật phân tích dùng để đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion. Kết quả của quá trình này được trình bày dưới dạng một phổ khối lượng, biểu đồ hiển thị cường độ ion như một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Kỹ thuật này được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, và có thể áp dụng cho cả các mẫu tinh khiết lẫn các hỗn hợp phức tạp.

Phổ khối lượng là một dạng biểu đồ hiển thị tín hiệu ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Các phổ này được sử dụng để xác định dấu hiệu nguyên tố hoặc đồng vị của một mẫu, khối lượng của các hạt và phân tử, đồng thời giúp làm rõ đặc điểm nhận dạng hoặc cấu trúc hóa học của các phân tử và hợp chất hóa học khác.

Trong quy trình khối phổ (MS) điển hình, mẫu vật có thể ở thể rắn, lỏng hoặc khí được ion hóa, ví dụ, bằng cách bắn phá mẫu vật bằng một chùm electron. Quá trình này có thể khiến một số phân tử của mẫu bị vỡ thành các mảnh tích điện dương hoặc trở nên tích điện dương mà không bị phân mảnh. Các ion phân mảnh sau đó được tách ra theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng bằng cách gia tốc chúng và đặt vào một điện trường hoặc từ trường; các ion có cùng tỷ lệ khối lượng trên điện tích sẽ trải qua cùng một lượng lệch hướng. Các ion này được phát hiện bởi một cơ chế có khả năng phát hiện các hạt mang điện, chẳng hạn như hệ số nhân điện tử (electron multiplier). Kết quả được hiển thị dưới dạng phổ cường độ tín hiệu của các ion được phát hiện như một hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích. Các nguyên tử hoặc phân tử trong mẫu có thể được xác định bằng cách tương quan các khối lượng toàn bộ phân tử với các khối lượng đã xác định hoặc thông qua một mẫu phân mảnh đặc trưng.

1. Lịch sử của máy đo khối phổ

Năm 1886, Eugen Goldstein quan sát thấy các tia phóng điện dưới áp suất thấp đi ra từ cực dương và xuyên qua các kênh trong một cực âm đục lỗ, di chuyển ngược hướng với các tia âm cực mang điện tích âm (đi từ cực âm sang cực dương). Goldstein gọi các tia cực dương tích điện này là “Kanalstrahlen”; thuật ngữ này được dịch sang tiếng Anh là “canal rays”.

Wilhelm Wien phát hiện rằng điện trường hoặc từ trường mạnh có thể làm chệch hướng các tia kênh, và vào năm 1899, ông đã chế tạo một thiết bị sử dụng điện trường và từ trường vuông góc để phân tách các tia dương theo tỷ lệ điện tích trên khối lượng của chúng (Q/m). Wien nhận thấy rằng tỷ lệ này phụ thuộc vào bản chất của chất khí trong ống phóng điện. Nhà khoa học người Anh J.J. Thomson sau đó đã cải tiến công trình của Wien bằng cách giảm áp suất để phát triển khối phổ.

Khái niệm “quang phổ” (spectrograph) đã trở thành một phần quan trọng trong từ điển khoa học quốc tế vào năm 1884. Các thiết bị đo phổ ban đầu để đo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion được gọi là máy quang phổ khối (mass spectrographs), bao gồm các dụng cụ ghi lại phổ các giá trị khối lượng trên một tấm ảnh. Máy quang phổ khối lượng cho phép chùm ion được hướng lên màn hình phosphor. Cấu hình khối phổ được sử dụng trong các thiết bị ban đầu khi cần nhanh chóng quan sát ảnh hưởng của các điều chỉnh. Khi thiết bị đã được điều chỉnh thích hợp, một tấm ảnh được đưa vào và để lộ ra. Thuật ngữ “quang phổ khối” tiếp tục được sử dụng mặc dù sự chiếu sáng trực tiếp của màn hình phosphor đã được thay thế bằng các phép đo gián tiếp với máy hiện sóng hoặc dao động ký (oscilloscope). Việc sử dụng thuật ngữ “quang phổ khối” hiện nay không được khuyến khích do có khả năng nhầm lẫn với quang phổ ánh sáng. Khối phổ thường được viết tắt là mass-spec hoặc đơn giản là MS.

Các kỹ thuật khối phổ hiện đại được Arthur Jeffrey Dempster và F.W. Aston phát triển lần lượt vào các năm 1918 và 1919.

Khối phổ kế Calutron, do Ernest O. Lawrence phát triển, được sử dụng để tách các đồng vị của uranium trong “Dự án Manhattan”. Máy quang phổ khối lượng Calutron đã được sử dụng để làm giàu uranium tại nhà máy Y-12 ở Oak Ridge, Tennessee, thành lập trong Thế chiến II.

Năm 1989, nửa giải Nobel Vật lý được trao cho Hans Dehmelt và Wolfgang Paul vì sự phát triển của kỹ thuật bẫy ion trong những năm 1950 và 1960.

Năm 2002, giải Nobel Hóa học được trao cho John Bennett Fenn vì sự phát triển của kỹ thuật ion hóa bằng tia điện (ESI) và Koichi Tanaka cho sự phát triển của phương pháp giải hấp laser mềm (SLD), cùng với ứng dụng của chúng trong việc ion hóa các đại phân tử sinh học, đặc biệt là protein.

2. Các bộ phận, cấu tạo của khối phổ kế là gì?

Một khối phổ kế bao gồm ba thành phần chính: nguồn ion (ion source), bộ phân tích khối lượng (mass analyzer), và máy dò (detector). Nguồn ion hóa chuyển một phần mẫu thành các ion. Có nhiều kỹ thuật ion hóa khác nhau, tùy thuộc vào pha (rắn, lỏng, khí) của mẫu và hiệu quả của các cơ chế ion hóa đối với các loại chất khác nhau. Hệ thống chiết tách loại bỏ các ion khỏi mẫu, sau đó hướng chúng qua bộ phân tích khối lượng và vào máy dò. Sự khác biệt về khối lượng của các mảnh ion cho phép bộ phân tích khối lượng sắp xếp các ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Máy dò đo giá trị của một đại lượng chỉ thị và cung cấp dữ liệu để tính toán độ phong phú của mỗi ion có mặt. Một số máy dò cũng cung cấp thông tin không gian, chẳng hạn như một tấm đa kênh.

Ví dụ về nguyên lý hoạt động của máy đo khối phổ

Sau đây là mô tả hoạt động của máy phân tích khối lượng trong khối phổ kế. Hãy xem xét một mẫu natri clorua (muối ăn). Trong nguồn ion, mẫu được hóa hơi và ion hóa thành các ion natri (Na+) và clorua (Cl-). Nguyên tử và ion natri là đơn đồng vị, với khối lượng khoảng 23 u. Nguyên tử và ion clorua có hai đồng vị bền, với khối lượng xấp xỉ 35 u (chiếm khoảng 75% tự nhiên) và 37 u (chiếm khoảng 25% tự nhiên).

Bộ phân tích của máy quang phổ chứa điện trường và từ trường, tác dụng lực lên các ion khi chúng di chuyển qua các trường này. Tốc độ của một hạt mang điện có thể tăng hoặc giảm khi đi qua điện trường, và hướng của nó có thể bị thay đổi bởi từ trường. Độ lệch quỹ đạo chuyển động của ion phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng trên điện tích của nó. Các ion nhẹ hơn bị lệch hướng bởi lực từ nhiều hơn so với các ion nặng hơn (dựa trên định luật chuyển động thứ hai của Newton, F = ma). Các dòng ion đã được sắp xếp đi từ máy phân tích đến máy dò, nơi ghi lại mức độ phong phú tương đối của từng loại ion. Thông tin này được sử dụng để xác định thành phần nguyên tố hóa học của mẫu ban đầu (cả natri và clo đều có trong mẫu) và thành phần đồng vị của các thành phần của nó (tỷ lệ 35Cl đến 37Cl).

3. Các kỹ thuật ion hóa

Nguồn ion (ion source) là một phần của khối phổ kế, nơi vật liệu được phân tích (chất phân tích) được ion hóa. Sau khi ion hóa, các ion này được vận chuyển bằng từ trường hoặc điện trường đến máy phân tích khối lượng.

Kỹ thuật ion hóa là yếu tố then chốt quyết định loại mẫu nào có thể được phân tích bằng phương pháp khối phổ. Sự ion hóa bằng electron và ion hóa hóa học được sử dụng cho các chất khí và chất bay hơi. Trong các nguồn ion hóa hóa học, chất phân tích bị ion hóa thông qua các phản ứng ion hóa học-phân tử trong quá trình va chạm trong nguồn. Hai kỹ thuật thường được sử dụng với các mẫu sinh học lỏng và rắn bao gồm ion hóa tia điện (phát minh bởi John Fenn) và giải hấp thụ/ion hóa laser hỗ trợ ma trận (MALDI). MALDI ban đầu được phát triển như một kỹ thuật tương tự “Giải hấp laser mềm (SLD)” của K. Tanaka, nhưng đã được hoàn thiện bởi M. Karas và F. Hillenkamp, những người đã được trao giải Nobel.

a. Ion hóa cứng (Hard ionization) và ion hóa mềm (Soft ionization)

Trong khối phổ, ion hóa đề cập đến việc tạo ra các ion pha khí phù hợp để phân giải trong máy phân tích khối lượng hoặc bộ lọc khối lượng. Quá trình ion hóa xảy ra trong nguồn ion, và có nhiều loại nguồn ion với ưu và nhược điểm riêng cho các ứng dụng cụ thể.

Ví dụ, ion hóa bằng electron (electron ionization – EI) tạo ra mức độ phân mảnh cao, cung cấp phổ khối lượng chi tiết cao. Khi phân tích một cách khéo léo, phổ khối lượng này có thể cung cấp thông tin quan trọng để làm sáng tỏ cấu trúc hoặc đặc tính của các hợp chất và giúp xác định các hợp chất chưa biết bằng cách so sánh với các thư viện phổ khối thu được trong các điều kiện hoạt động tương tự. Tuy nhiên, EI không thích hợp để ghép nối với HPLC, tức là LC-MS, vì ở áp suất khí quyển, các dây tóc sử dụng để tạo ra các electron bị đốt cháy nhanh chóng. Do đó, EI chủ yếu được kết hợp với GC, tức là GC-MS, trong đó toàn bộ hệ thống ở dưới chân không cao.

Kỹ thuật ion hóa cứng (hard ionization) là quá trình truyền một lượng lớn năng lượng dư vào phân tử, dẫn đến mức độ phân mảnh cao (tức là sự đứt gãy có hệ thống của các liên kết để loại bỏ năng lượng dư thừa và khôi phục sự ổn định cho ion tạo thành). Các ion kết quả thường có m/z thấp hơn khối lượng phân tử (ngoại trừ trường hợp chuyển proton và không bao gồm các đỉnh đồng vị). Ví dụ phổ biến nhất của ion hóa cứng là ion hóa bằng electron (EI).

Kỹ thuật ion hóa mềm (soft ionization) đề cập đến các quá trình truyền ít năng lượng dư vào phân tử, dẫn đến phân mảnh ít hơn. Các ví dụ bao gồm bắn phá nguyên tử nhanh (fast atom bombardment – FAB), ion hóa hóa học (chemical ionization – CI), ion hóa hóa học áp suất khí quyển (atmospheric-pressure chemical ionization – APCI), quang hóa áp suất khí quyển (atmospheric-pressure photoionization – APPI), ion hóa tia điện (electrospray ionization – ESI), ion hóa tia điện cực giải hấp (desorption electrospray ionization – DESI), và khử hấp thụ/ion hóa laser hỗ trợ ma trận (matrix-assisted laser desorption/ionization – MALDI).

b. Plasma kết hợp cảm ứng (Inductively coupled plasma)

Nguồn plasma ghép nối cảm ứng (Inductively Coupled Plasma – ICP) chủ yếu được sử dụng để phân tích cation của một loạt các loại mẫu. Trong nguồn này, plasma thường trung hòa về điện, nhưng một phần đáng kể các nguyên tử của nó bị ion hóa bởi nhiệt độ cao, được sử dụng để nguyên tử hóa các phân tử mẫu đã đưa vào và tách thêm các điện tử bên ngoài khỏi các nguyên tử đó. Plasma thường được tạo ra từ khí argon, vì năng lượng ion hóa đầu tiên của argon cao hơn năng lượng ion hóa đầu tiên của bất kỳ nguyên tố nào khác ngoại trừ helium (He), fluorine (F), và neon (Ne), nhưng lại thấp hơn năng lượng ion hóa thứ hai của hầu hết các kim loại điện dương nhất. Quá trình đốt nóng plasma được thực hiện nhờ dòng điện tần số vô tuyến chạy qua một cuộn dây bao quanh plasma.

c. Khối phổ quang hóa (Photoionization mass spectrometry)

Phương pháp Quang hóa (Photoionization) có thể được áp dụng trong các thí nghiệm nhằm sử dụng khối phổ như một công cụ để thăm dò các cơ chế động học hóa học và sự phân nhánh của sản phẩm đồng phân. Trong các tình huống như vậy, một photon có năng lượng cao, ví dụ như tia X hoặc tia UV, được sử dụng để phân hủy các phân tử khí ổn định trong một môi trường khí như helium hoặc argon. Khi sử dụng nguồn sáng synchrotron, năng lượng của photon có thể được điều chỉnh linh hoạt, từ đó tạo ra các đường cong quang hóa hiệu quả mà có thể kết hợp với tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) để xác định các dạng ion và phân tử vân tay. Gần đây, quá trình quang hóa áp suất khí quyển (APPI) đã được phát triển để ion hóa các phân tử chủ yếu có trong nước thải trong hệ thống LC-MS.

d. Ion hóa môi trường xung quanh (Ambient ionization)

Có nhiều ứng dụng cho quá trình ion hóa môi trường xung quanh, bao gồm cả các ứng dụng trong lĩnh vực môi trường và lâm sàng. Trong các kỹ thuật này, các ion được tạo thành trong một nguồn ion nằm bên ngoài của thiết bị phân tích khối lượng. Việc lấy mẫu trở nên dễ dàng hơn vì không cần phải tiến hành quy trình tách hay chuẩn bị mẫu trước đó. Một số ví dụ về các kỹ thuật ion hóa môi trường xung quanh bao gồm DESI, SESI, LAESI, ion hóa hóa học áp suất khí quyển giải hấp (DAPCI), và quang hóa học áp suất khí quyển giải hấp (DAPPI), cùng với nhiều kỹ thuật khác.

e. Các kỹ thuật ion hóa khác

Các phương pháp khác bao gồm phóng điện phát sáng (glow discharge), giải hấp trường (field desorption – FD), bắn phá nguyên tử nhanh (fast atom bombardment – FAB), nhiệt khí quyển, giải hấp thụ/ion hóa trên silicon (thermospray, desorption/ionization on silicon – DIOS), Phân tích trực tiếp trong thời gian thực (Direct Analysis in Real Time – DART), ion hóa hóa học áp suất khí quyển (APCI), phổ khối lượng ion thứ cấp (secondary ion mass spectrometry – SIMS), ion hóa tia lửa (spark ionization), và ion hóa nhiệt (thermal ionization – TIMS).

4. Lựa chọn các công cụ phân tích khối phổ

Máy phân tích khối lượng phân tách các ion dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Hai định luật sau đây điều chỉnh động học của các hạt mang điện trong điện trường và từ trường trong không khí.

a. Công thức tính toán

Định luật lực Lorentz:

F = Q (E + v.B)

Định luật chuyển động thứ hai của Newton trong trường hợp phi tương đối tính, tức là chỉ có giá trị ở vận tốc ion thấp hơn nhiều so với vận tốc ánh sáng

F = m.a

Lập biểu thức trên cho lực tác dụng lên ion thu được:

(m/Q).a = E + v.B

Trong đó:

• F: lực tác dụng lên ion;
• m: khối lượng của ion, a là gia tốc;
• Q: điện tích ion;
• E: điện trường;
• v.B: tích chéo véc tơ của vận tốc ion và từ trường;

Phương trình vi phân này mô tả chính xác chuyển động của các hạt mang điện trong không gian và thời gian theo tỷ lệ m/Q, và được coi là phương trình chuyển động cổ điển của các hạt mang điện. Cùng với điều kiện ban đầu của hạt, phương trình này hoàn toàn xác định con đường di chuyển của hạt trong không gian và thời gian. Vì vậy, máy phân tích khối lượng thường được gọi là “máy phân tích khối lượng tích điện”. Khi trình bày dữ liệu, thường sử dụng m/z không thứ nguyên (officially), trong đó z là số điện tích cơ bản (e) trên ion (z = Q/e). Đại lượng này, mặc dù thường được gọi là tỷ số khối lượng trên điện tích, nhưng chính xác hơn là tỷ số giữa số khối lượng và số điện tích z.

Có nhiều loại máy phân tích khối lượng, sử dụng trường tĩnh hoặc trường động, từ trường hoặc điện trường, nhưng tất cả đều hoạt động dựa trên phương trình vi phân trên. Mỗi loại máy phân tích có điểm mạnh và điểm yếu riêng. Nhiều máy đo khối phổ sử dụng hai hoặc nhiều máy phân tích khối lượng để đo khối phổ song song – tandem mass spectrometry (MS/MS). Ngoài các máy phân tích khối lượng phổ biến hơn, còn có các máy khác được thiết kế cho các tình huống đặc biệt.

Có một số đặc điểm quan trọng của máy phân tích. Khả năng phân giải khối lượng đo lường khả năng phân biệt hai cực đại có m/z hơi khác nhau. Độ chính xác khối lượng đo lường tỷ lệ giữa sai số đo m/z so với m/z thực. Độ chính xác khối lượng thường được đo bằng đơn vị ppm hoặc mili. Phạm vi khối lượng là phạm vi m/z có thể phân tích được bằng một máy phân tích nhất định. Dải động tuyến tính là dải mà tín hiệu ion tuyến tính với nồng độ chất phân tích. Tốc độ đề cập đến khung thời gian của thí nghiệm và cuối cùng được sử dụng để xác định số lượng quang phổ trên một đơn vị thời gian có thể được tạo ra.

b. Công cụ phân tích

Máy phân tích khối lượng trường khu vực sử dụng một điện trường tĩnh hoặc từ trường để ảnh hưởng đến đường đi hoặc vận tốc của các hạt mang điện theo một cách nào đó. Như đã đề cập ở trên, thiết bị này đo uốn cong của quỹ đạo của các ion khi chúng đi qua, tỷ lệ với khối lượng trên điện tích của chúng, làm chệch hướng các ion nhẹ hơn và di chuyển nhanh hơn. Máy phân tích có thể được sử dụng để chọn một phạm vi hẹp của m/z hoặc để quét qua một phạm vi m/z để lập danh mục các ion có mặt.

c. Máy phân tích thời gian bay (Time-of-flight)

Máy phân tích thời gian bay (time-of-flight / TOF) sử dụng điện trường để gia tăng tốc độ của các ion qua cùng một điện thế, sau đó đo thời gian chúng đi từ nguồn đến máy dò. Nếu tất cả các hạt đều có cùng điện tích, thì năng lượng động của chúng sẽ tương đương, và tốc độ của chúng chỉ phụ thuộc vào khối lượng. Các ion nhẹ sẽ đến đầu dò trước. Tuy nhiên, trong thực tế, ngay cả các ion có cùng m/z có thể đến tại các thời điểm khác nhau tại máy dò, vì chúng có tốc độ ban đầu khác nhau. Tốc độ ban đầu thường không phụ thuộc vào khối lượng của ion TOF-MS và sẽ dẫn đến sự biến đổi trong tốc độ cuối cùng. Vì vậy, các ion với cùng tỷ lệ m/z có thể đến máy dò tại các thời điểm khác nhau, mở rộng các đỉnh trên biểu đồ số lượng theo m/z, nhưng không thay đổi vị trí trung tâm của các pic, vì tốc độ ban đầu của các ion thường có giá trị trung bình 0 so với các ion khác. Để giải quyết vấn đề này, việc tính toán trễ thời gian/trích xuất trễ đã được kết hợp với TOF-MS.

d. Máy sử dụng bộ lọc khối lượng tứ cực (Quadrupole mass filter)

Máy phân tích khối lượng tứ cực (Quadrupole mass analyzers) sử dụng điện trường dao động để ổn định hoặc biến động có chọn lọc đường đi của các ion khi chúng đi qua trường tứ cực tần số vô tuyến (radio frequency – RF) giữa bốn thanh song song. Chỉ có các ion trong một phạm vi tỷ lệ khối lượng/điện tích cụ thể mới được truyền qua hệ thống bất kỳ lúc nào, nhưng các biến thay đổi đối với điện thế trên thanh cho phép quét một loạt các giá trị m/z nhanh chóng, liên tục hoặc rời rạc. Máy phân tích khối lượng tứ cực hoạt động như một bộ lọc chọn lọc khối lượng và chặt chẽ liên quan đến bẫy ion tứ cực, đặc biệt là bẫy ion tứ cực tuyến tính, trừ việc nó được thiết kế để truyền các ion chưa được đánh dấu thay vì thu thập các ion bị mắc kẹt, và vì vậy được gọi là tứ cực truyền dẫn. Máy phân tích khối lượng tứ cực có thể được tăng cường bằng từ trường, được đặt theo hướng trục hoặc theo phương ngang. Loại thiết bị này dẫn đến việc nâng cao hiệu suất về độ phân giải hoặc độ nhạy, phụ thuộc vào độ lớn và hướng của từ trường được áp dụng. Một biến thể phổ biến của tứ cực truyền qua là khối phổ ba tứ cực (triple quadrupole mass spectrometer).

Bộ ba phần tư (triple quadrupole) có ba giai đoạn tứ cực liên tiếp. Giai đoạn đầu tiên hoạt động như một bộ lọc khối lượng để truyền một ion đến cụ thể cho tứ cực thứ hai, nơi ion đó tiếp xúc với một buồng va chạm, có thể làm vỡ ion thành các mảnh. Tứ cực thứ ba cũng hoạt động như một bộ lọc khối lượng để truyền một ion mảnh cụ thể đến máy dò. Nếu tứ cực được lập trình để quay vòng nhanh chóng và lặp lại qua một loạt các cài đặt bộ lọc khối lượng, thì phổ đầy đủ có thể được tạo ra. Tương tự, một bộ ba phần tư có thể được lập trình để thực hiện các loại quét khác nhau, đặc trưng của phép đo khối phổ song song.

e. Máy bẫy ion tứ cực ba chiều (Three-dimensional quadrupole ion trap)

Bẫy ion tứ cực (quadrupole ion trap) hoạt động dựa trên các nguyên lý vật lý tương tự như máy phân tích khối lượng tứ cực, nhưng các ion bị mắc kẹt và đẩy ra một cách tuần tự. Các ion bị mắc kẹt trong trường RF chủ yếu là tứ cực, nằm trong không gian được xác định bởi điện cực vòng (thường kết nối với điện thế RF chính) giữa hai điện cực endcap (thường kết nối với điện thế DC hoặc AC phụ). Mẫu có thể được ion hóa bên trong (ví dụ như với tia điện tử hoặc tia laser) hoặc bên ngoài; trong trường hợp sau, các ion thường được đưa vào qua một lỗ trong điện cực endcap.

Có nhiều phương pháp cô lập và phân tách khối lượng/điện tích được sử dụng phổ biến, nhưng phương pháp không ổn định khối lượng thường được sử dụng, trong đó thế RF được tăng cường để quỹ đạo của các ion có khối lượng a > b trở nên ổn định, trong khi các ion có khối lượng b trở nên không ổn định và được đẩy ra theo trục z lên một máy dò. Ngoài ra, còn có các phương pháp phân tích không phá hủy.

Các ion cũng có thể được đẩy ra bằng phương pháp kích thích cộng hưởng, trong đó một điện áp kích thích dao động bổ sung được áp dụng cho các điện cực đầu cuối và biên độ hoặc tần số của điện áp kích thích được điều chỉnh để đưa các ion ra khỏi bẫy theo thứ tự khối lượng của chúng hoặc tỷ lệ điện tích.

f. Máy khối phổ bẫy ion hình trụ (Cylindrical ion trap)

Máy phân tích khối lượng sử dụng bẫy ion hình trụ (cylindrical ion trap mass spectrometer – CIT) là một biến thể của bẫy ion tứ cực, trong đó các điện cực được tạo thành từ các vòng phẳng thay vì các điện cực hình hyperbol. Kiến trúc này có lợi cho việc thu nhỏ, vì khi kích thước của bẫy giảm xuống, hình dạng của trường điện gần trung tâm của bẫy, nơi các ion bị giữ lại, sẽ hình thành một hình dạng tương tự như hình dạng của một bẫy hyperbol.

g. Bẫy ion tứ cực tuyến tính (Linear quadrupole ion trap)

Bẫy ion tứ cực tuyến tính hoạt động tương tự như bẫy ion tứ cực, nhưng nó bẫy các ion trong một trường tứ cực hai chiều thay vì trường tứ cực ba chiều như trong bẫy ion tứ cực 3D. Một ví dụ điển hình của loại bẫy này là LTQ của Thermo Fisher, được gọi là “bẫy tứ cực tuyến tính”.

Bẫy ion hình xuyến có thể được miêu tả như một bẫy tứ cực tuyến tính uốn cong xung quanh, được kết nối ở hai đầu, hoặc như một mặt cắt của bẫy ion tứ cực 3D xoay quanh trục của nó để tạo thành một hình xuyến, tương tự như hình bánh rán. Bẫy có khả năng lưu trữ một lượng lớn các ion bằng cách phân bố chúng trên cấu trúc vòng của bẫy. Cấu trúc này cho phép tăng khả năng thu nhỏ của máy phân tích khối lượng bẫy ion. Hơn nữa, tất cả các ion được lưu trữ trong cùng một trường bẫy và được đẩy ra cùng nhau, giúp đơn giản hóa quá trình phát hiện, đặc biệt khi có một mảng các ion có thể phức tạp về căn chỉnh máy dò và xử lý dữ liệu.

Tương tự như bẫy hình xuyến, bẫy tứ cực tuyến tính và bẫy ion tứ cực 3D là hai loại máy phân tích khối lượng thu nhỏ phổ biến nhất, với đặc điểm là độ nhạy cao, khả năng chịu áp suất mTorr và khả năng đo khối phổ song song của máy phân tích, bao gồm cả quét ion sản phẩm.

h. Máy Orbitrap

Máy Orbitrap hoạt động tương tự như máy quang phổ khối biến đổi Fourier (FTICR), nơi các ion bị giữ lại tĩnh điện trong một quỹ đạo xoay quanh một điện cực trung tâm, hình trục chính. Điện cực này hướng các ion để chúng quay quanh trục trung tâm và dao động dọc theo trục này. Sự dao động tạo ra một dòng điện hình ảnh được ghi lại trên các bản ghi. Tần số của các dòng này phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion. Khối phổ được xác định thông qua biến đổi Fourier của các dòng ghi lại. Máy Orbitrap được biết đến với độ chính xác khối lượng cao, độ nhạy lớn và dải động tốt.

i. Cộng hưởng cyclotron ion biến đổi Fourier

Phép đo khối phổ biến đổi Fourier (Fourier-transform mass spectrometry – FTMS), hoặc MS cộng hưởng cyclotron ion biến đổi Fourier (Fourier-transform ion cyclotron resonance), đo khối lượng bằng cách phát hiện dòng hình ảnh do các ion cyclotron tạo ra dưới ảnh hưởng của từ trường. Thay vì sử dụng máy dò như bộ nhân điện tử để đo độ lệch của các ion, các ion được dẫn vào bẫy Penning (bẫy ion điện tĩnh/từ tính) nơi chúng trở thành một phần của mạch điện. Các máy dò tại các vị trí cố định trong không gian ghi lại tín hiệu điện của các ion đi qua gần chúng theo thời gian, tạo ra một tín hiệu tuần hoàn. Do tần số chu kỳ của một ion phụ thuộc vào tỷ lệ khối lượng trên điện tích của nó, điều này có thể được giải mã bằng cách thực hiện biến đổi Fourier trên tín hiệu. FTMS có độ nhạy cao (vì mỗi ion được “đếm” nhiều hơn một lần) và độ phân giải cao hơn nhiều, do đó nó cung cấp độ chính xác cao.

Cộng hưởng cyclotron ion (Ion cyclotron resonance – ICR) là một kỹ thuật phân tích khối lượng tương tự như FTMS, nhưng khác biệt ở chỗ các ion được phát hiện bằng máy dò truyền thống. Các ion bị mắc kẹt trong bẫy Penning được kích thích bởi điện trường RF cho đến khi chúng tác động vào thành bẫy, nơi máy dò được đặt. Các ion với khối lượng khác nhau được phân giải theo thời gian tác động.

5. Máy dò khối phổ (Detector)

Yếu tố cuối cùng của máy phân tích khối lượng là máy dò. Máy dò ghi lại điện tích hoặc dòng điện được tạo ra khi một ion đi qua hoặc tiếp xúc với bề mặt của nó. Trong một thiết bị quét, tín hiệu được tạo ra trong máy dò trong quá trình quét, so với vị trí của các thiết bị trong quá trình quét (theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích), sẽ tạo ra một phổ khối lượng, ghi lại các ion dưới dạng hàm của tỷ lệ khối lượng trên điện tích.

Thường thì, một số loại nhận electron được sử dụng, tuy nhiên các loại máy dò khác như cốc Faraday và máy dò ion-sang-photon cũng được áp dụng. Bởi vì lượng ion rời khỏi máy phân tích khối lượng vào một thời điểm cụ thể thường rất nhỏ, nên thường cần phải tăng cường đáng kể để thu được tín hiệu. Máy dò tấm vi kênh là một lựa chọn phổ biến trong các thiết bị thương mại hiện đại. Trong FTMS và Orbitraps, máy dò bao gồm một cặp bề mặt kim loại nằm trong vùng bẫy ion/máy phân tích khối lượng, mà các ion chỉ đi qua gần khi chúng dao động. Không tạo ra dòng điện một chiều, máy dò chỉ tạo ra dòng điện xoay chiều yếu trong đoạn mạch giữa các điện cực. Các loại máy dò cảm ứng khác cũng đã được sử dụng.

=> Xem thêm: Các hệ thống khối phổ tại công ty Reecotech

6. Khối phổ song song (Tandem mass spectrometry)

Khối phổ song song là một dạng khối phổ có khả năng tạo ra nhiều chuỗi khối phổ, thường được phân tách bằng một loạt các phân đoạn của phân tử. Ví dụ, trong một quá trình phân tích khối lượng, một máy phân tích có thể chọn lọc một peptit từ một loạt peptit được đưa vào thiết bị. Tiếp theo, máy phân tích khối lượng thứ hai sẽ ổn định các ion peptit trong quá trình chúng va chạm với một chất khí, dẫn đến sự phân mảnh bởi va chạm (collision-induced dissociation – CID). Sau đó, máy phân tích khối lượng thứ ba sẽ phân loại các mảnh từ các peptit đã được tạo ra. Tandem MS cũng có thể được thực hiện trong một máy phân tích khối lượng đơn lẻ theo thời gian, như trong bẫy ion tứ cực. Có nhiều phương pháp khác nhau để phân mảnh các phân tử trong MS đồng thời, bao gồm phân mảnh do va chạm (CID), phân mảnh do bắt electron (electron capture dissociation – ECD), phân mảnh do truyền electron (electron transfer dissociation – ETD), phân mảnh bằng nhiều photon hồng ngoại (infrared multiphoton dissociation – IRMPD), phân mảnh bằng phát xạ hồng ngoại từ chất đen (blackbody infrared radiative dissociation – BIRD), phân mảnh do tách electron (electron-detachment dissociation – EDD) và phân mảnh do cảm ứng bề mặt (surface-induced dissociation – SID). Một ứng dụng quan trọng của khối phổ đồng thời là trong việc xác định protein.

Phép đo khối phổ song song mở ra nhiều loại thí nghiệm khác nhau. Các máy khối phổ thương mại thường được thiết kế để nhanh chóng thực hiện các quy trình thông thường như theo dõi phản ứng đã chọn (selected reaction monitoring – SRM) và quét ion tiền chất. Trong SRM, máy phân tích đầu tiên chỉ cho phép một khối lượng đi qua và máy phân tích thứ hai giám sát nhiều ion mảnh được người dùng xác định. SRM thường được sử dụng nhất với các thiết bị quét, trong đó sự kiện phân tích khối lượng thứ hai bị hạn chế chu kỳ nhiệm vụ. Các thí nghiệm này được sử dụng để tăng cường độ nhạy của việc phát hiện các phân tử đã biết, đặc biệt là trong nghiên cứu dược động học. Quét ion tiền chất liên quan đến việc theo dõi sự mất mát cụ thể từ ion tiền chất. Máy phân tích khối lượng thứ nhất và thứ hai quét qua phổ dưới dạng được phân vùng bởi người dùng xác định giá trị m/z. Thí nghiệm này được sử dụng để phát hiện các mẫu cụ thể trong các phân tử chưa biết.

Một loại phổ khối lượng song song khác được sử dụng để xác định niên đại cacbon phóng xạ là khối phổ gia tốc (accelerator mass spectrometry – AMS), sử dụng điện áp rất cao, thường là trong dải mega-volt, để tăng tốc các ion âm thành một loại khối phổ kế.

Cơ sở dữ liệu METLIN (METLIN Metabolite and Chemical Entity Database) là kho lưu trữ lớn nhất về dữ liệu khối phổ song song thu được từ các tiêu chuẩn. Dữ liệu khối phổ song song trên hơn 850.000 tiêu chuẩn phân tử (tính đến ngày 24 tháng 8 năm 2020) được cung cấp để xác định các thực thể hóa học từ các thí nghiệm khối phổ song song. Ngoài việc xác định các phân tử đã biết, nó cũng hữu ích để xác định các ẩn số bằng cách sử dụng tìm kiếm/phân tích tính tương tự của nó. Tất cả dữ liệu khối phổ song song đến từ việc phân tích các chất chuẩn ở nhiều năng lượng va chạm và ở cả chế độ ion hóa dương và âm.

7. Các cấu hình và kỹ thuật phổ biến của khối phổ

Khi một sự kết hợp cụ thể giữa nguồn, máy phân tích và máy dò trở thành thông thường trong thực tế, thường xuất hiện một từ viết tắt để chỉ định nó một cách ngắn gọn. Ví dụ, MALDI-TOF, dùng để chỉ sự kết hợp của nguồn ion hóa/khử hấp thụ laser được ma trận hỗ trợ với máy phân tích khối lượng thời gian bay. Các ví dụ khác bao gồm ICP-MS (khối phổ plasma kết hợp cảm ứng), AMS (khối phổ gia tốc), TIMS (khối phổ ion hóa nhiệt) và SSMS (khối phổ nguồn tia lửa).

Một số ứng dụng cụ thể của khối phổ đã được đặt tên riêng mặc dù dường như chỉ ám chỉ một ứng dụng rộng lớn. Tuy nhiên, thực tế là những từ này thường được sử dụng để chỉ định các cấu hình thiết bị cụ thể hoặc các ứng dụng cụ thể. Ví dụ điển hình là IRMS (phép đo khối phổ tỷ lệ đồng vị), mặc dù tên này có vẻ chỉ ám chỉ một loại phép đo khối phổ tỷ lệ đồng vị, nhưng thực tế nó đề cập đến việc sử dụng một số hạn chế của các máy phân tích khối lượng trong ngành.

8. Kỹ thuật phân tách kết hợp với khối phổ

Một tiến bộ quan trọng trong việc nâng cao khả năng phân giải và xác định khối lượng trong phép đo khối phổ là việc tích hợp nó với các kỹ thuật sắc ký và phân tách khác, đặc biệt là kỹ thuật sắc ký khối phổ.

a. Sắc ký khí khối phổ (Gas chromatography)

Một phương pháp kết hợp phổ biến là sắc ký khí khối phổ (GC/MS hoặc GC-MS). Trong kỹ thuật này, một máy sắc ký khí được sử dụng để phân tách các hợp chất khác nhau. Dòng các hợp chất này sau đó được đưa trực tuyến vào nguồn ion, nơi một dây tóc kim loại có điện áp được đặt. Dây tóc này phát ra các điện tử để ion hóa các hợp chất. Các ion sau đó có thể tiếp tục phân mảnh, tạo ra các mảnh có thể dự đoán được. Các ion và các mảnh này sau đó đi vào máy phân tích khối phổ và cuối cùng được phát hiện. Tuy nhiên, nhiệt độ cao (300°C) được sử dụng trong cổng phun GC-MS (và tủ sấy) có thể dẫn đến sự giảm nhiệt độ của các phân tử đưa vào, dẫn đến việc đo lường các sản phẩm suy thoái thay vì các phân tử thực tế được quan tâm.

b. Sắc ký lỏng khối phổ (Liquid chromatography)

Giống như sắc ký khí khối phổ (GC-MS), sắc ký lỏng khối phổ (LC/MS hoặc LC-MS) cũng phân tách các hợp chất trước khi chúng vào nguồn ion và máy phân tích khối phổ. Tuy nhiên, điểm khác biệt là trong LC-MS, pha động là chất lỏng, thường là một hỗn hợp của nước và dung môi hữu cơ, thay vì khí. Phổ biến nhất, một nguồn ion hóa tia điện được sử dụng trong LC-MS. Các loại nguồn ion LC-MS phổ biến và có sẵn trên thị trường bao gồm ion hóa hóa học áp suất khí quyển và ion hóa quang áp suất khí quyển. Ngoài ra, đã có một số kỹ thuật ion hóa mới được phát triển như ion hóa bằng tia laser.

c. Điện di mao quản khối phổ (Capillary electrophoresis-mass spectrometry)

Kết hợp quá trình phân tách chất lỏng của điện di mao quản với khối phổ, điện di mao quản khối phổ (CE-MS) là một kỹ thuật phổ biến. Thường được sử dụng với ion hóa tia điện, CE-MS kết hợp hai phương pháp này để phân tích mẫu.

d. Phép đo di động của ion (Ion mobility spectrometry-mass spectrometry)

IMS/MS hoặc IMMS là một kỹ thuật phổ biến trong đó các ion được phân tách theo thời gian trôi qua một số khí trung tính dưới một gradient điện thế trước khi được đưa vào khối phổ. Thời gian trôi là một thước đo liên quan đến bán kính và điện tích của ion. Với chu kỳ hoạt động dài hơn so với hầu hết các kỹ thuật khối phổ, IMS tạo điều kiện cho việc lấy mẫu khối phổ kế theo quá trình phân tách IMS. Điều này cung cấp dữ liệu về sự phân tách IMS và tỷ lệ khối lượng trên điện tích của các ion, tương tự như LC-MS.

Với chu kỳ hoạt động ngắn hơn so với các phương pháp sắc ký lỏng hoặc sắc ký khí, IMS có thể được kết hợp với những kỹ thuật này để tạo ra các phương pháp ba chiều như LC/IMS/MS.

9. Dữ liệu và phân tích khối phổ

a. Biểu diễn dữ liệu

hối phổ cung cấp nhiều loại dữ liệu khác nhau, trong đó biểu diễn dữ liệu phổ phổ biến nhất là phổ khối lượng.

Có nhiều loại dữ liệu khối phổ được hiển thị tốt nhất thông qua các biểu đồ sắc ký khối lượng. Các loại sắc ký khối lượng bao gồm theo dõi ion đã chọn (selected ion monitoring – SIM), tổng dòng ion (total ion current – TIC), và theo dõi phản ứng đã chọn (SRM), cùng với nhiều loại khác.

Các loại dữ liệu khối phổ khác cũng được biểu diễn dưới dạng bản đồ đường bao ba chiều. Trong định dạng này, khối lượng để tích điện, m/z, nằm trên trục x, cường độ trên trục y, và một tham số thực nghiệm bổ sung, chẳng hạn như thời gian, được ghi lại trên trục z.VVVV

b. Phân tích dữ liệu

Phân tích dữ liệu khối phổ đặc biệt quan trọng cho mỗi loại thí nghiệm tạo ra dữ liệu. Các đặc điểm chung của dữ liệu là cơ bản để hiểu và phân tích bất kỳ dữ liệu nào.

Nhiều loại máy phân tích khối phổ hoạt động trong chế độ ion âm hoặc dương. Việc biết xem các ion được quan sát mang điện tích âm hay dương là rất quan trọng. Điều này thường cần thiết để xác định khối lượng trung bình của các phân tử, nhưng cũng cung cấp thông tin về tính chất của chúng.

Các loại nguồn ion khác nhau dẫn đến việc tạo ra các mảnh phân tử khác nhau từ các phân tử ban đầu. Người ta sử dụng nguồn ion hóa điện tử để tạo ra nhiều mảnh phân tử, với phần lớn là các ion mang điện tích âm (1-) (có số lượng electron lẻ), trong khi nguồn tia điện tử thường tạo ra các ion bán phân tử không gốc và thường mang điện tích. Phép đo khối phổ song song cố ý tạo ra các ion mảnh sau nguồn ion và có thể thay đổi đáng kể loại dữ liệu thu được từ một thí nghiệm.

Hiểu biết về nguồn gốc của mẫu có thể cung cấp cái nhìn sâu sắc về thành phần phân tử của mẫu và cách chúng bị phân mảnh. Mẫu từ quá trình tổng hợp/sản xuất có thể chứa các tạp chất liên quan hóa học với thành phần mục tiêu. Mẫu sinh học được chuẩn bị thô sơ có thể chứa một lượng muối nhất định, tạo thành các phức hợp với các phân tử chất phân tích trong một số phép phân tích cụ thể.

Kết quả có thể phụ thuộc nhiều vào quá trình chuẩn bị mẫu và cách mẫu được đưa vào. Ví dụ, việc sử dụng ma trận nào cho đốm MALDI có thể ảnh hưởng đáng kể đến kết quả, vì phần lớn năng lượng của sự kiện khử hấp thụ/ion hóa được điều khiển bởi ma trận chứ không phải bởi công suất laser. Đôi khi, các mẫu được bổ sung với natri hoặc các ion khác để tạo ra các sản phẩm cộng hưởng thêm, thay vì chỉ là proton.

Khối phổ có thể cung cấp thông tin về khối lượng mol, cấu trúc phân tử và độ tinh khiết của mẫu. Mỗi câu hỏi này đòi hỏi một quy trình thí nghiệm riêng; do đó, việc xác định rõ ràng mục tiêu của thí nghiệm là điều kiện tiên quyết để thu thập và giải thích dữ liệu một cách hiệu quả.

c. Giải thích về khối phổ

Vì cấu trúc chính xác hoặc trình tự peptit của một phân tử thường được xác định thông qua sự phân mảnh của nó thành các khối phổ, việc giải thích khối phổ đòi hỏi sự kết hợp của nhiều kỹ thuật khác nhau. Thông thường, chiến lược đầu tiên để xác định một hợp chất chưa biết là so sánh phổ khối lượng thực nghiệm của nó với một thư viện phổ khối phổ. Nếu không có kết quả phù hợp từ quá trình tìm kiếm, thì phải thực hiện giải thích thủ công hoặc giải thích khối phổ với sự hỗ trợ của phần mềm. Mô phỏng các quá trình ion hóa và phân mảnh xảy ra trong khối phổ trên máy tính là công cụ chính để xác định cấu trúc hoặc trình tự peptit của một phân tử. Thông tin cấu trúc được phân mảnh trong silico và mô hình kết quả được so sánh với phổ quan sát được. Mô phỏng như vậy thường được hỗ trợ bởi một thư viện phân mảnh chứa các mẫu phản ứng phân hủy đã biết và đã được công bố. Phần mềm sử dụng ý tưởng này đã được phát triển cho cả các phân tử nhỏ và protein.

Phân tích khối phổ cũng có thể là phổ với khối lượng chính xác. Giá trị tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) chỉ với độ chính xác số nguyên có thể đại diện cho vô số cấu trúc ion có thể có về mặt lý thuyết; tuy nhiên, số liệu khối lượng chính xác hơn giúp giảm đáng kể số lượng công thức phân tử ứng viên. Một thuật toán máy tính được gọi là máy tạo công thức tính toán tất cả các công thức phân tử về mặt lý thuyết phù hợp với một khối lượng nhất định với dung sai được chỉ định.

Một kỹ thuật gần đây để làm sáng tỏ cấu trúc trong khối phổ, được gọi là dấu vân tay ion tiền chất, xác định các phần thông tin cấu trúc riêng lẻ bằng cách tiến hành tìm kiếm phổ song song của phân tử đang được khảo sát dựa trên thư viện phổ ion sản phẩm của các ion tiền chất được đặc trưng về cấu trúc.

10. Ứng dụng của khối phổ

Khối phổ có cả khía cạnh định tính và định lượng. Chúng hỗ trợ trong việc xác định các hợp chất chưa được biết đến, phân tích thành phần đồng vị của các nguyên tố trong phân tử, và giải mã cấu trúc của một hợp chất thông qua quá trình quan sát sự phân mảnh của nó. Các ứng dụng khác bao gồm việc định lượng các hợp chất trong mẫu hoặc nghiên cứu các nguyên lý cơ bản của hóa học ion pha khí.

Là một công cụ phân tích, khối phổ có những ưu điểm đặc biệt. Nó tăng độ nhạy so với hầu hết các phương pháp phân tích khác bởi vì máy phân tích hành động như một bộ lọc tích điện khối, giảm thiểu nhiễu nền và cung cấp độ đặc hiệu tốt từ các mẫu phân mảnh đặc trưng để xác định hoặc xác nhận sự hiện diện của các hợp chất nghi ngờ. Nó cung cấp thông tin về trọng lượng phân tử, đa dạng đồng vị của các nguyên tố, và dữ liệu hóa học có thể phân tích tạm thời.

Tuy nhiên, phương pháp này cũng có một số hạn chế. Thường không phân biệt được giữa các đồng phân quang học và đồng phân hình học, cũng như vị trí của nhóm thế ở các vị trí o-, m- và p- trong vòng thơm. Ngoài ra, phạm vi của nó bị hạn chế trong việc xác định các hydrocacbon, vì chúng tạo ra các ion phân mảnh có cấu trúc tương tự.

a. Tỷ lệ đồng vị MS xác định niên đại và truy tìm đồng vị

Khối phổ cũng được sử dụng để phân tích thành phần đồng vị của các nguyên tố trong mẫu. Sự chênh lệch về khối lượng giữa các đồng vị của một nguyên tố là rất nhỏ và các đồng vị hiếm hơn thường ít phong phú, vì vậy cần phải có công cụ cực kỳ nhạy. Những công cụ này, đôi khi được gọi là máy quang phổ khối lượng tỷ lệ đồng vị (IR-MS), thường sử dụng một nam châm duy nhất để điều chỉnh hướng chuyển động của một dòng ion hóa đến một loạt cốc Faraday để chuyển đổi tác động của ion thành dòng điện. Có thể thực hiện việc phân tích nhanh hàm lượng đơteri trong nước bằng phương pháp khối phổ phát sáng chảy sau, FA-MS. Một trong những loại máy khối phổ nhạy và chính xác nhất cho mục đích này là máy khối phổ gia tốc (AMS). Lí do là vì nó cung cấp độ nhạy cao nhất, có khả năng đo từng nguyên tử riêng lẻ và đo các nguyên tố với dải động khoảng ~ 10^15 so với đồng vị ổn định chính. Tỷ lệ đồng vị là một dấu hiệu quan trọng của nhiều quá trình. Một số tỷ lệ đồng vị được sử dụng để xác định tuổi của vật liệu, như trong việc xác định niên đại cacbon. Ghi nhãn với các đồng vị ổn định cũng được áp dụng để định lượng protein.

b. Khối phổ giới thiệu màng: Đo các khí trong dung dịch

Khối phổ giới thiệu kỹ thuật kết hợp tỷ lệ đồng vị MS với buồng phản ứng/tế bào, được phân chia bởi màng thấm khí. Phương pháp này cho phép nghiên cứu các chất khí trong quá trình phát triển trong dung dịch. Kỹ thuật này đã được sử dụng phổ biến để khảo sát quá trình sản xuất oxy bằng hệ thống quang học II.

c. Phân tích khí theo vết (Trace gas analysis)

Một số phương pháp sử dụng các ion tạo ra từ một nguồn ion đặc biệt được tiêm vào ống dòng chảy hoặc ống trôi, bao gồm ống dòng ion được chọn (Selected Ion Flow Tube | SIFT-MS) và phản ứng chuyển proton (Proton Transfer Reaction | PTR-MS). Đây là các dạng tiên tiến của quá trình ion hóa hóa học, đặc biệt được phát triển để phân tích khí vết trong không khí, hơi thở hoặc dung dịch, sử dụng thời gian phản ứng cụ thể để tính toán nồng độ chất phân tích từ động học phản ứng đã biết, mà không cần sử dụng chất chuẩn hoặc hiệu chuẩn nội bộ.

Một kỹ thuật khác phổ biến trong lĩnh vực phân tích khí vết là ion hóa tia điện thứ cấp (Secondary Electrospray Ionization | SESI-MS), là một dạng biến thể của ion hóa tia điện. SESI bao gồm sử dụng một chùm tia điện của dung môi axit hóa tinh khiết tương tác với hơi trung tính. Các phân tử hơi được ion hóa ở áp suất khí quyển khi điện tích được chuyển từ các ion tạo ra trong khay điện sang các phân tử. Một điểm mạnh của phương pháp này là tính tương thích với hầu hết các hệ thống SESI-MS.

d. Atom probe

Một đầu dò nguyên tử là một công cụ kết hợp giữa khối phổ thời gian bay và kính hiển vi bốc hơi trường để lập bản đồ vị trí của các nguyên tử riêng lẻ.

e. Dược động học (Pharmacokinetics)

Dược động học thường được thăm dò thông qua phương pháp khối phổ, đặc biệt vì tính phức tạp của môi trường nền (thường là máu hoặc nước tiểu) và sự cần thiết của độ nhạy cao để phát hiện dữ liệu từ điểm liều thấp và thời gian dài. Thiết bị phổ phổ biến nhất được sử dụng trong lĩnh vực này là LC-MS với khối phổ ba tứ cực. Phép đo khối phổ song song thường được áp dụng để tăng cường độ chính xác. Các đường chuẩn và chất chuẩn nội thường được sử dụng để định lượng, thường là một dạng thuốc trong mẫu. Các mẫu được thu thập tại các điểm thời gian khác nhau khi thuốc được sử dụng và sau đó được biotransform hoặc loại bỏ khỏi cơ thể. Mẫu trắng hoặc t = 0 được thu thập trước khi quản lý là cực kỳ quan trọng để xác định nền và đảm bảo tính toàn vẹn của dữ liệu, đặc biệt khi làm việc với các ma trận mẫu phức tạp như vậy.

Một số quan tâm đáng kể đang được đặt vào việc sử dụng khối phổ với độ nhạy cực cao cho nghiên cứu định lượng vi mô, một phương pháp được coi là một giải pháp thay thế hứa hẹn cho thí nghiệm trên động vật.

Nghiên cứu gần đây đã chỉ ra rằng ion hóa tia điện thứ cấp (Secondary Electrospray Ionization | SESI) là một công cụ mạnh mẽ để theo dõi động học của các loại thuốc thông qua phân tích hơi thở. Vì hơi thở được tạo ra tự nhiên, việc thu thập dữ liệu có thể được thực hiện một cách thuận tiện. Điều này cho phép tăng cường số lượng điểm dữ liệu thu thập được đáng kể. Trong các nghiên cứu động vật, phương pháp SESI này có thể giảm thiểu việc tiêu diệt động vật. Trên con người, phân tích không xâm lấn SESI-MS về hơi thở có thể hỗ trợ nghiên cứu động học của thuốc ở cấp độ cá nhân hóa.

f. Đặc điểm của protein

Khối phổ đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định tính chất và trình tự của protein. Hai phương pháp chính để ion hóa toàn bộ protein là ion hóa tia điện tử (ESI) và ion hóa laser hỗ trợ ma trận (MALDI). Để phù hợp với hiệu suất và phạm vi khối lượng của các khối phổ hiện có, có hai cách tiếp cận để xác định tính chất của protein.

Trong phương pháp “từ trên xuống” (top-down), protein nguyên vẹn được ion hóa trước đó bằng một trong hai phương pháp trên và sau đó được đưa vào máy phân tích khối lượng. Tuy nhiên, cách tiếp cận này thường bị hạn chế trong việc nghiên cứu về protein đơn có thông lượng thấp.

Trong phương pháp “từ dưới lên” (bottom-up), protein được tiêu hóa thành các peptit bằng enzym như trypsin hoặc pepsin, sau đó các peptit được phân tích bằng sắc ký trước khi đưa vào máy phân tích khối lượng. Phương pháp này bao gồm lấy dấu khối lượng peptit (PMF) để nhận dạng protein hoặc xác định trình tự peptit de novo nếu dữ liệu trình tự được xác định trong phân tích MS được sử dụng cho việc nhận dạng.

Một cách tiếp cận thứ ba đang được sử dụng là phương pháp “trung gian” (middle-down), liên quan đến phân tích các peptit phân giải từ protein lớn hơn peptit tryptic thông thường. Các phương pháp này cũng đã được áp dụng để nghiên cứu sự phân bố và vị trí của các biến đổi sau dịch mã như quá trình phosphoryl hóa trên protein.

g. Khám phá không gian bằng máy quang phổ

Là một công cụ tiêu chuẩn trong nghiên cứu và phân tích, khối phổ đã được sử dụng rộng rãi trên các hành tinh và mặt trăng khác nhau. Hai nhà du hành đã đặt chân lên sao Hỏa thông qua chương trình Viking. Vào đầu năm 2005, sứ mệnh Cassini – Huygens đã đưa một thiết bị GC-MS chuyên dụng lên tàu thăm dò Huygens khi đi qua bầu khí quyển của Titan, mặt trăng lớn nhất của Sao Thổ. Thiết bị này đã phân tích các mẫu khí quyển trên quỹ đạo đi xuống và có khả năng phân tích các mẫu bề mặt đóng băng, được phủ bởi hydrocacbon của Titan sau khi tàu thăm dò hạ cánh. Các phép đo này đã so sánh mức độ phong phú của các đồng vị của từng hạt so với mức độ tự nhiên trên Trái Đất. Ngoài ra, trên tàu vũ trụ Cassini – Huygens còn có một thiết bị khối phổ kế ion và trung tính được sử dụng để đo thành phần khí quyển của Titan cũng như của các chùm lông Enceladus. Một thiết bị khối phổ phân tích nhiệt và khí bốc hơi cũng đã được triển khai bởi Mars Phoenix Lander vào năm 2007.

Khối phổ cũng đã được sử dụng rộng rãi trong các sứ mệnh không gian để đo lường thành phần của các plasma. Ví dụ, tàu vũ trụ Cassini mang theo Máy quang phổ Plasma Cassini (CAPS), đo khối lượng các ion trong quyển của Sao Thổ.

i. Màn hình khí thở (Respired gas monitor)

Khối phổ kế đã được sử dụng trong lĩnh vực y tế để phân tích khí hô hấp từ khoảng năm 1975 đến cuối thế kỷ này. Một số thiết bị có thể vẫn còn tồn tại, tuy nhiên không có sản phẩm nào đang được sản xuất.

Thiết bị này thường được sử dụng trong phòng phẫu thuật và là một phần của hệ thống phức tạp. Trong hệ thống này, các mẫu khí từ bệnh nhân đang gây mê được hút vào thiết bị thông qua một cơ chế van được thiết kế để kết nối đến 32 phòng một cách tuần tự với khối phổ kế. Một máy tính điều khiển mọi hoạt động của hệ thống. Dữ liệu thu được từ khối phổ kế được chuyển đến các phòng riêng để các bác sĩ gây mê sử dụng.

Điều đặc biệt của khối phổ kế từ tính này là thực tế rằng nó là một mặt phẳng máy dò, mỗi máy được đặt cố ý để thu thập tất cả các loại ion dự kiến có trong các mẫu, cho phép thiết bị báo cáo đồng thời tất cả các loại khí mà bệnh nhân thở ra. Mặc dù phạm vi khối lượng giới hạn ở mức khoảng 120 u một chút, sự phân mảnh của một số phân tử nặng hơn đã vượt qua giới hạn phát hiện này.

k. Khối phổ dự bị (Preparative mass spectrometry)

Chức năng chính của khối phổ là làm công cụ cho phân tích hóa học dựa trên việc phát hiện và định lượng các ion dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích của chúng. Tuy nhiên, khối phổ cũng đang đem lại nhiều tiềm năng trong việc tổng hợp vật chất. Kỹ thuật hạ cánh mềm ion, một phương pháp đặc trưng bởi sự lắng đọng của các ion nguyên vẹn trên bề mặt ở năng lượng động học thấp, làm ngăn chặn sự phân mảnh của các ion. Kỹ thuật này được báo cáo lần đầu vào năm 1977 trong phản ứng của các ion chứa lưu huỳnh trên bề mặt chì.