Phổ khối lượng là gì? Nguyên lý hoạt động và ứng dụng trong phân tích hiện đại

Chu Văn An

Nội dung bài viết

Bạn có biết rằng chỉ với một lượng mẫu rất nhỏ, các nhà khoa học có thể xác định được thành phần chính xác của một hợp chất? Điều này có thể thực hiện được nhờ phép đo phổ khối – một kỹ thuật phân tích tiên tiến giúp đo và xác định khối lượng phân tử một cách nhanh chóng và chính xác.

Từ nghiên cứu y học, dược phẩm đến khoa học pháp y, khối phổ đóng vai trò quan trọng trong việc phát hiện chất cấm, phân tích ô nhiễm môi trường và kiểm soát chất lượng thực phẩm. Vậy phương pháp này hoạt động như thế nào? Những công nghệ hiện đại nào đang được áp dụng? Hãy cùng tìm hiểu tất cả trong bài viết dưới đây nhé!

1. Giới thiệu về khối phổ

Mass Spectrum là một kỹ thuật phân tích hiện đại giúp xác định thành phần, cấu trúc hóa học và khối lượng phân tử của một chất. Kỹ thuật này dựa trên nguyên tắc ion hóa mẫu, tách ion theo tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) và phát hiện tín hiệu để tạo ra phổ khối.

Xem thêm Độ tan là gì? Tham Cách đọc, ghi nhớ bảng tính tan đơn giản nhất

Khối phổ không chỉ hữu ích trong nghiên cứu hóa học mà còn có giá trị trong y học, pháp y, kiểm soát chất lượng thực phẩm, nghiên cứu môi trường và vật liệu. Nó cho phép các nhà khoa học phân tích thành phần của một hợp chất chỉ với một lượng mẫu rất nhỏ, mang lại độ chính xác cao và tốc độ xử lý nhanh.

Tại sao khối phổ lại quan trọng?

Giúp xác định chính xác các hợp chất phức tạp như protein, thuốc và hóa chất độc hại.
Phát hiện tạp chất, chất cấm trong thực phẩm và môi trường.
Hỗ trợ nghiên cứu phát triển các loại thuốc mới và các phản ứng hóa học phức tạp.

Phổ khối của ethanol

2. Nguyên lý hoạt động của khối phổ

Phép đo khối phổ được thực hiện qua ba bước cơ bản:

2.1. Ion hóa mẫu

Mẫu được chuyển thành các ion để có thể phân tích. Có nhiều phương pháp ion hóa khác nhau tùy thuộc vào đặc điểm của mẫu, bao gồm ion hóa tác động điện tử (EI), ion hóa hóa học (CI), phun điện (ESI) và MALDI.

2.2. Phân tích khối lượng

Các ion được tách dựa trên tỷ lệ khối lượng trên điện tích (m/z) bằng nhiều máy phân tích khác nhau như Thời gian bay (TOF), Tứ cực hoặc Orbitrap.

2.3. Phát hiện và ghi lại tín hiệu

Các ion được hệ thống cảm biến phát hiện, sau đó dữ liệu được xử lý để tạo ra phổ khối, từ đó xác định thành phần chính xác của mẫu.

Xem thêm Vanilin là gì và có an toàn cho sức khỏe con người không?

Ví dụ, nếu phân tích một mẫu thuốc giả, phép đo phổ khối có thể giúp xác định xem mẫu đó có chứa các thành phần nguy hiểm hay không.

3. Phương pháp ion hóa trong khối phổ

Ion hóa là bước quan trọng đầu tiên trong phân tích khối phổ. Các phương pháp phổ biến bao gồm:

3.1. Sự ion hóa điện tử (EI)

Được sử dụng trong phân tích các hợp chất dễ bay hơi như khí và dung môi hữu cơ.
Cơ chế: Chùm electron năng lượng cao đập vào phân tử mẫu, làm mất electron và tạo ra ion dương.

3.2. Ion Hóa Hóa Học (CI – Chemical Ionization)

Sử dụng khí phản ứng như metan để tạo ra các ion mà không phá hủy cấu trúc phân tử.
Thích hợp cho phân tích hợp chất nhạy cảm.

3.3. Ion hóa phun điện (ESI – Electrospray Ionization)

Thích hợp cho các hợp chất sinh học như protein, peptide.
Thích hợp cho phân tích thuốc và nghiên cứu dược phẩm.

3.4. Ion hóa bằng MALDI (Khử hấp thụ/ion hóa bằng laser được hỗ trợ bằng ma trận)

Sử dụng tia laser để ion hóa mẫu trộn với nền hóa học.
Ứng dụng trong phân tích protein, polymer và sinh học phân tử.

4. Các loại máy khối phổ

Mỗi loại khối phổ kế đều có những đặc điểm riêng:

Các loại máy quang phổ	Nguyên lý hoạt động	Ứng dụng
TOF (Thời gian bay)	Đo thời gian bay của ion tới detector	Phân tích nhanh, chính xác
tứ cực	Lọc các ion theo m/z bằng trường điện từ	Nghiên cứu môi trường và thực phẩm
quỹ đạo	Bẫy các ion trong trường điện từ để phân tích m/z	Dược phẩm, sinh học
FT-ICR	Sử dụng từ trường mạnh để đo m/z	Phân tích vật liệu phức tạp

Xem thêm Phản ứng trùng hợp là gì? Phân biệt với phản ứng trùng ngưng

5. Ứng dụng của khối phổ

Khối phổ có mặt trong nhiều ngành khoa học và công nghiệp:

5.1. Trong y học và dược phẩm

Phân tích thuốc để đảm bảo chất lượng và hiệu quả điều trị.
Chẩn đoán bệnh thông qua dấu ấn sinh học trong máu hoặc nước tiểu.

5.2. Trong công nghệ thực phẩm

Kiểm tra dư lượng thuốc trừ sâu, kháng sinh trong thực phẩm.
Xác định thành phần thực phẩm để đảm bảo chất lượng và an toàn.

5.3. Trong phân tích môi trường

Phát hiện ô nhiễm hóa chất trong nước, không khí và đất.
Giám sát kim loại nặng và các chất độc hại sinh thái.

5.4. Trong pháp y

Xác định chất gây nghiện và ma túy trong cơ thể.
Phân tích dấu vết hóa học tại hiện trường vụ án.

Khối phổ là một công cụ không thể thiếu trong nghiên cứu khoa học, y tế, pháp y và môi trường. Với sự phát triển của công nghệ, kỹ thuật này sẽ trở nên chính xác, nhạy bén và dễ tiếp cận hơn, mang lại lợi ích to lớn trong việc bảo vệ sức khỏe con người và môi trường.

Câu hỏi thường gặp – Câu hỏi thường gặp

Phổ khối có chính xác không? → Rất chính xác, sai số thường chỉ vài phần triệu (ppm).
Khối phổ có thể được sử dụng để phát hiện ma túy không?→ Có, khối phổ là công cụ chính trong pháp y để phát hiện các chất bị cấm.

Hóa Chất