Trong những năm gần đây phương pháp phổ khối mốt ion âm được sử dụng để nghiên cứu cấu trúc phân tử và các vấn đề phân tích khác. Trước đây việc sử dụng phương pháp này chưa đươc phổ biến do nhiều nguyên nhân khác nhau về mặt kỹ thuật.
1. Nguyên tắc chung
Trong phương pháp phổ khối mốt ion âm mẫu có thể ở dạng khí, lỏng và rắn. Chất rắn phải chuyển thành trạng thái hơi tạo ra một dòng phân tử đi vào buồng ion hóa trộn lẫn với khí, sau đó phân tử dạng hơi chuyển thành các phần tử ion âm hay anion gốc qua sự bắt electron bởi nguồn ion như dòng plasma cảm ứng từ các electron này sinh ra. Theo cách này có sự va chạm giữa phân tử dạng hơi và dòng electron plasma dẫn đến phân tử bắt được electron như sơ đồ sau:
M e
M
Để tạo ra ion âm và ion dương một vài kỹ thuật ion hóa đã sử dụng như ion hóa phun electron, ion hóa nén phân tử, ion hóa giải hấp laze dựa trên khuôn mẫu (matrix assisted ionization). Để tạo ra riêng ion âm chỉ dùng kỹ thuật ion hóa hóa học âm.
2. Kỹ thuật ion hóa
Trong phương pháp phổ khối mốt ion âm nguồn ion được vận hành ở áp suất đến 1 torr (133pa), sinh ra lượng lớn electron năng lượng thấp để phản ứng trực tiếp với phân tử mẫu tạo ra
các ion phân tử âm và các ion mảnh thông thường. Tác nhân khí có thể sử dụng để sinh ra phổ khối ion hóa hóa học âm, nói chung phổ mốt ion âm có ít ion mảnh (fragment ions) hơn phương pháp mốt ion dương. Độ nhậy của electron trong quá trình rất cao đối với các nguyên tố âm điện. Dưới điều kiện ion hóa hóa học tác nhân ion phản ứng như các bazơ Bronsted thường cho ion (M-1)– với cường độ mạnh, nhờ đó có thêm thông tin cấu tạo của hợp chất nghiên cứu.
Một số kỹ thuật ion hóa đã được sử dụng như dưới đây.
a) Ion hóa hóa học (Chemical ionization): đó là quá trình ion hóa năng lượng rất thấp so với sự ion hóa electron. Do năng lượng thấp nên sinh ra ít ion mảnh, phổ trở nên đơn giản.
Cơ chế: trong kỹ thuật ion hóa hóa học ion được sinh ra qua sự va chạm của chất phân tích với ion của tác nhân khí có mặt ở nguồn ion. Một vài tác nhân khí thông thường là: metan, ammoniac và isobutan. Tác nhân khí có mặt một lượng dư lớn so với mẫu phân tích. Các electron đi vào nguồn sẽ ion hóa tác nhân khí. Kết quả của sự va chạm với tác nhân khí phân tử sẽ tạo ra plasma ion hóa. Các ion âm của chất phân tích được hình thành bởi phản ứng với plasma này. Ở đây yêu cầu mẫu phải dễ bay hơi nhiệt và bền.
b) Ion hóa phun electron
Quá trình phun electron sinh ra ion (M-H)– ở áp suất thường. Axit, phenol, hợp chất nitro dễ dàng ion hóa trong mốt ion hóa âm bởi ESI.
c) Giải hấp laze kết hợp chất khuôn mẫu (Matrix assisted laser desorption)
Phổ khối ion hóa/giải hấp laze kết hợp chất khuôn mẫu (MALDI-MS) là phương pháp có hiệu quả nghiên cứu phân tích phân tử sinh học. Trong phương pháp này các mẫu chứa phân tử phân tích pha loãng trong chất khuôn mẫu, hấp thụ ánh sáng mạnh như UV hay IR, năng lượng hấp thụ phá vỡ mẫu và ion hóa các phần phân tử. Kết quả chất mẫu và chất khuôn mẫu chuyển thành tướng khí. Chất này chứa cả phần tử trung hòa phần tử điện tích, chúng tương tác với nhau trở thanh nguồn ion.
Nguồn ion MALDI vận hành dưới áp suất cao, 1026 torr và kết hợp với thiết bị phân tích khối lượng TOF. Phương pháp MALDI được sử dụng rộng rãi phân tích các chất peptit và protein
3. Ứng dụng
a) Phương pháp phổ khối mốt ion âm là một kỹ thuật phân tích, cho thông tin về cấu tạo phân tử của các hợp chất hữu cơ và vô cơ.
b) Nó là một phương pháp nhanh xác định khối lượng phân tử.
c) Nghiên cứu hỗn hợp phản ứng (khí, lỏng, rắn) và động học phản ứng.
d) Khi sử dụng chiết pha rắn và sắc kí lỏng, phổ khối ghép đôi (LC/MS/MS) đã phân tích 46 thuốc trừ sâu bằng phổ khối mốt ion dương và 14 thuốc trừ sâu với phổ mốt ion âm.
e) ESI với mốt ion âm được sử dụng để xác định glycolsit của anthraquinon, coumarin, flavonoide, iridoide, aromatic, cardenolide và triterpene.
g) Phân tích các tác nhân gây nổ, phẩm nhuộm bằng cách sử dụng cả mốt ion dương và âm trong phương pháp phổ khối sắc kí lỏng.
Trong phổ khối mốt ion âm ít tạo ra các ion mảnh âm nhưng luôn hình thành ion phân tử âm (M-1)– bền vững do nó bắt electron, nhờ đó có thể xác định được trọng lượng phân tử. Các ion
mảnh thường xuất hiện với cường độ thấp hơn ion phân tử, ví dụ phổ khối mốt ion âm của chất dưới đây cho các ion mảnh cường độ thấp:
CO NH CH2 CO NH CH2CO NH CH2CO2CH3 O2N
B A D C
%
B A C
100 200 300
352 ( M )
293 207 264
150
46 46
NO2
Hình 76. Phổ khối ion âm cường độ ion mảnh thấp (lượng vết).
Điều kiện thực nghiệm: 70eV, áp suất nguồn 2.10–6 torr, thế tăng tốc –3,6kV
Tuy nhiên cũng có trường hợp các pic ion mảnh có cường độ mạnh, ví dụ phổ khối mốt ion âm của o-nitrophenyl benzoat (hình 77) chỉ ra pic cơ sở ở m/z 121 là anion benzoat (A), ion âm m/z 138 (B) và m/z 105 (C) qua sự phân cắt phân tử theo sơ đồ dưới.
%
46
121
138 243(M )
m/z N O O
O C
O C6H5
121
Hình 77. Phổ khối ion âm của o-nitrophenyl benzoat
Điều kiện thực nghiệm: 70eV, áp suất nguồn 2.10–6 torr, thế tăng tốc –3,6kV
Sơ đồ phân cắt phân tử của o-nitrophenyl benzoat trong phổ khối mốt ion âm:
m/z 121
O O C O
O C6H5 O
N O C6H5
O
O O
N O
C O
m/z 105
N
O O O
m/z 138 N
O O O
O C6H5 N
O
O O
O C6H5
( C ) ( B )
( A )