Sắc ký khí ghép khối phổ và một số ứng dụng (GC/MS-Gas Chromatography Mass Spectometry)

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS_Gas Chromatography Mass Spectometry) là một trong những phương pháp sắc ký hiện đại nhất hiện nay với độ nhạy và độ đặc hiệu cao và được sử dụng trong các nghiên cứu và phân tích kết hợp. Thiết bị GC/MS được cấu tạo thành 2 phần: phần sắc ký khí (GC) dùng để phân tích hỗn hợp các chất và tìm ra chất cần phân tích, phần khối phổ (MS) mô tả các hợp phần riêng lẻ bằng cách mô tả số khối. Bằng sự kết hợp 2 kỹ thuật này (GC/MS_Gas Chromatography Mass Spectometry), các nhà hoá học có thể đánh giá, phân tích định tính và định lượng và có cách giải quyết đối với một số hóa chất. Ngày nay, người ta ứng dụng kỹ thuật GC/MS rất nhiều và sử dụng rộng rãi trong các nghành như y học, môi trường, nông sản, kiểm nghiệm thực phẩm…

Sắc ký khí (GC_Gas Chromatography)

Sắc ký khí được dùng để chia tách các hỗn hợp của hóa chất ra các phần riêng lẻ, mỗi phần có một giá trị riêng biệt. Trong sắc ký khí (GC) chia tách xuất hiện khi mẫu bơm vào pha động. Trong sắc ký lỏng (LC) pha động là một dung môi hữu cơ, còn trong GC pha động là một khí trơ gống như helium. Pha động mang hỗn hợp mẫu đi qua pha tĩnh, pha tĩnh được sử dụng là các hóa chất, hóa chất này có độ nhạy và hấp thụ thành phần hỗn hợp trong mẫu.

Thành phần hỗn hợp trong pha động tương tác với pha tĩnh, mỗi hợp chất trong hỗn hợp tương tác với một tỷ lệ khác nhau, hợp chất tương tác nhanh sẽ thoát ra khỏi cột trước và hợp chất tương tác chậm sẽ ra khỏi cột sau. Đó là đặc trưng cơ bản của pha động và pha tĩnh, hơn nữa quá trình chia tách có thể xảy ra bởi sự thay đổi nhiệt độ của pha tĩnh hoặc là áp suất của pha động.

Cột trong GC được làm bằng thủy tinh, inox hoặc thép không rỉ có kích thước, kích cỡ rất đa dạng. Cột của GC dài có thể là 25m, 30m, 50m, 100m và có đường kính rất nhỏ, bên trong đường kính được tránh bằng một lớp polimer đặc biệt nhưphenyl 5% + dimetylsiloxane polymer 95%), đường kính cột thường rất nhỏ giống như là một ống mao dẫn. Thông thường cột được sử dụng là semivolatile, hợp chất hữu cơ không phân cực như PAHs, các chất trong hỗn hợp được phân tích bằng cách chạy dọc theo cột này.

Một chất chia tách, rửa giải phóng đi ra khỏi cột và đi vào đầu dò. Đầu dò có khả năng tạo ra một tín hiệu bất kỳ lúc nào, khi phát hiện ra chất cần phân tích. Tín hiệu này phát ra từ máy tính, thời gian từ khi bơm mẫu đến khi rửa giải gọi là thời gian lưu (TR).

Trong khi các thiết bị chạy, máy sẽ đưa ra các biểu đồ từ các tín hiệu như hình 1. Đây gọi là sắc đồ, mỗi một peak trong sắc đồ sẽ miêu tả một tín hiệu tạo nên khi chất giải hấp từ cột sắc ký và đi vào đầu dò detector, trục hoành biểu diễn thời gian lưu và trục tung biểu diễn cường độ của tín hiệu, trong hình 1 mỗi đỉnh (peak) biểu diễn một chất riêng lẻ, chất này được tách từ hỗn hợp mẫu phân tích, peak có thời gian lưu (TR) 4,97 phút là dodecane, 6.36 phút là biphenyl, 7.64 phút là chlolobiphenyl, 9.41 phút là hexadecanoic acid methyl ester.

Nếu trong cùng điều kiện sắc ký như nhiệt độ, loại cột… gống nhau thì cùng chất luôn có thời gian

lưu giống nhau, khi biết thời gian lưu của hợp chất thì chúng ta có thể chấp nhận được độ nhạy của nó. Tuy

nhiên, chất có tính chất giống nhau thì thường có thời gian lưu giống nhau.

 

 Hình 1: sắc đồ của sắc ký khí

Khối phổ:

Khối phổ được dùng để xác định một chất hóa học dựa trên cấu trúc của nó. Khi giải hấp các hợp chất riêng lẻ từ cột sắc ký, chúng đi vào đầu dò có dòng điện ion hóa (mass spectrometry). Khi đó, chúng sẽ tấn công vào các luồng, do chúng bị bỡ thành những mảnh vụn, những mảnh vụn này có thể lớn hoặc nhỏ;

Những mảnh vụn thực tế là các vật mang điện hay còn gọi là iôn, điều này là quan trọng bởi vì các hạt cần ở trạng thái tích điện thì mới đi qua được bộ lọc. Các khối nhỏ chắc chắn, khối của mảnh vỡ được chia bởi các vật mang gọi là tỉ lệ vật mang khối (M/Z);

Hầu hết các mảnh vụn có điện tích là +1, M/Z thường miêu tả các phân tử nặng của mảnh vụn.Nhóm gồm có 4 nam châm điện gọi là tứ cực (quadrapole), tiêu điểm của các mảnh vụn đi xuyên qua các khe hở và đi vào đầu dò detector, tứ cự được thành lập bởi phần mền chương trình và hướng các mảnh vụn đi vào các khe của khối phổ.

Phân tích kết quả

Máy tính sẽ ghi lại các biểu đồ của mỗi lần quét. Trục hoành biểu diễn tỉ lệ M/Z còn trục tung biểu diễn cường độ tín hiệu của mỗi mảnh vụn được quét bởi đầu dò detector. Đây là đồ thị của số khối. Làm thế nào để phân tích các kết quả từ máy tính? Dưới đây là một hình khối phổ. Trục X là khối lượng còn trục Y là số lượng. Mỗi hóa chất chỉ tạo ra một mô hình duy nhất, nói cách khác mỗi chất có một “dấu vân tay” để nhận dạng, dựa trên mô hình ion của nó.

Trên hình ta thấy phân tử ban đầu có khối lượng là 5. Trên sơ đồ khối phổ hạt lớn nhất này được gọi là ion phân tử (molecular ion). Các hạt nhỏ hơn có khối lượng 1,2,3 và 4 được gọi là các ion phân mảnh (fragment ions). Trong trường hợp ví dụ trên ta thấy các phân tử của chất này có xu hướng bị phá vỡ thành các tổ hợp 1-4 hơn là 2-3.

Các nhà nghiên cứu có thể so sánh khối phổ thu được trong thí nghiệm của họ với một thư viện

khối phổ của các chất đã được xác đinh trước. Việc này có thể giúp họ định danh được chất đó (nếu phép

so sánh tìm được kết quả tương ứng) hoặc là cơ sở để đăng ký một chất mới (nếu phép so sánh không tìm

được kết quả tương ứng).

 

Trong hình 2, hình ảnh khối cao nhất là dodecane, phần nềm của GC/MS nó giống như là một thư

viện hình ảnh dùng để nhận ra các chất chưa biết tồn tại trong hỗn hợp mẫu. Thư viện này có thể so sánh

hình ảnh khối từ thành phần của mẫu với hình ảnh khối trong thư viện của máy.

 

 Hình 2: Mass-spectrum

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS_Gas Chromatography Mass Spectometry)

Sắc ký khí ghép khối phổ (GC/MS) có thể phân tích các hỗn hợp hóa chất phức tạp như không khí, nước…Nếu trong mẫu có một chất lạ xuất hiện, khối phổ có thể nhận dạng cấu trúc hóa học độc nhất của nó (giống như việc lấy dấu vân tay). Cấu trúc của chất này sau đó được so sánh với một thư viện cấu trúc các chất đã biết. Nếu không tìm ra được chất tương ứng trong thư viện thì nhà nghiên cứu, có thể dựa trên cấu trúc mới tìm được để phát triển các ý tưởng về cấu trúc hóa học. Nói cách khác, nhà nghiên cứu thu được 1 dữ liệu mới và có thể đóng góp vào thư viện cấu trúc nói trên, sau khi tiến hành thêm các biện pháp để xác định chính xác loại hợp chất mới này.

Khi GC kết hợp với MS, nó sẽ trở thành 1 máy phân tích đa năng, các nhà nghiên cứu hóa học có

thể hòa tan hỗn hợp các hợp chất hữu cơ, tách chiết và bơm vào máy để nhận dạng chúng, hơn nữa các

nhà nghiên cứu cũng xác định nồng độ của mỗi thành phần hóa chất. Hình 3 sẽ mô tả 3 chiều (dài, rộng,

sâu) khi GC kết hợp với MS.

 

 Hình 3: Mô tả kết quả của phân tích qua hệ thống sắc ký khí khối phổ 3D

Một số ứng dụng của sắc ký khí ghép khối phổ

Khác với các máy phân tích dư lượng kháng sinh như sắc ký lỏng ghép khối phổ (LC/MS/MS), thì sắc ký khí ghép khối phổ độ phận giải cao (HRGC/HRMS), GC/MSN sắc ký ghép khối phổ có ứng dụng phân tích các độc chất trong nước tương, nước mắm (3 MCPD...);

Nghiên cứu chiết xuất và xác định thành phần các chất hóa học, độc chất, kháng sinh, đánh giá độ tồn lưu của hóa chất diệt côn trùng khác nhau trong các vật liệu hoặc hợp chất khác nhau. Ngày 04/11/2008 CN. Phạm Thanh Hiền và Ths.Bs.Huỳnh Hồng Quang(dịch & tổng hợp)  ________________________________________________________________________

Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ đầu dò Ion Trap

Hệ thống GCMS Thermo Polaris Q được kết hợp giữa máy sắc ký khí Ultra Trace GC và đầu dò khối phổ bẫy ion Polaris Q với hệ bộ phận bơm mẫu CompiPAL có khả năng phân tích nhận danh và định lượng nhiều loại hợp chất hữu cơ trong các nền mẫu khác nhau.

1. Nguyên tắc hoạt động hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS – Gas Chromatography Mass Spectrometry)

Tương tự như các hệ thống sắc ký khí khác, hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ cũng bao gồm các bộ phận: nguồn cung cấp khí, lò cột, bộ phận tiêm mẫu, cột phân tích, đầu dò, bộ phận ghi nhận tín hiệu, và bộ phận in dữ liệu phân tích; trong đó, đầu dò là đầu dò khối phổ.

Sơ đồ cấu tạo đầu dò khối phổ

Các cấu tử của mẫu sau khi tách ra khỏi cột mao quản sẽ đi vào trong đầu dò khối phổ. Tại đây, tùy thuộc vào bản chất của chất cần phân tích, sẽ diễn ra quá trình ion hóa với các kiểu ion hóa khác nhau (API, ESI hay APPI), sau đó các ion được ghi nhận bởi đầu dò.  2. Cấu tạo đầu dò khối phổ đầu dò bẫy ion (Ion trap)

Hệ thống GCMS Thermo Polaris Q bao gồm bơm chân không, bô bơm mẫu tự động (CompiPAL), máy sắc ký khí Trace GC Ultra, đầu dò khối phổ bẫy ion Polaris Q.

Đầu dò Polaris Q gồm có bốn bộ phận chính như sau:

Nguồn ion hóa tại áp suất khí quyển (API). Hệ quang học ion (ion optics).Bộ phân tích khối (mass analyzer).Hệ thống phát hiện ion (ion detection system)

Cấu tạo đầu dò khối phổ bẫy ion

3. Ứng dụng hệ thống Thermo Polaris Q

Phân tích dư lượng PCBs, PAHs, trong các nền mẫu thực phẩm, môi trường, nước, … theo yêu cầu của các cơ quan quản lý trong và ngoài nước.

Phân tích các hóa chất POPs (Persistent Organic Pollutants) trong môi trường, thực phẩm,…

Phân tích các dư lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm, thủy hải sản như Trifluralin, Chlorpyrifos,… với khả năng phát hiện đáp ứng yêu cầu khắt khe của các nước Nhật, châu Âu,…

Phân tích các độc chất trong thực phẩm (3-MCPD, Histamin, Urea,…)

Phân tích các hormone tăng trưởng trong các nền mẫu thịt, thức ăn chăn nuôi như học beta-agonist (Clenbuterol và Salbutamol), Testosterol, DES,… hỗ trợ các cơ quan chức năng trong công tác kiểm soát chất lượng và bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm của các sản phẩm lưu hành trên thị trường.

Hệ thống GCMS Ion trap Thermo Polaris Q

Phân tích các chất thuộc nhóm Phthalate (đặc biệt là DEHP) trong các nền mẫu thực phẩm, thôi nhiễm từ bao bì,… theo yêu cầu của Bộ Y tế và các cơ quan quản lý khác.

Phân tích Glyphosate trong các sản phẩm gạo trong việc kiểm soát chất lượng nông sản xuất khẩu sang châu Âu.

Phân tích các chất thuộc nhóm Nitroimidazole, thuốc diệt nấm (Propiconazole, Hexaconazole, Difenconazole) trong thủy sản, trái cây và các loại rau quả.

Phân tích 22 hợp chất amin thơm sinh ra do từ thuốc nhộm azo trong sản phẩm dệt may theo quy định của Bộ Công thương (QCVN 01:2010/BCT).

Phân tích nhận danh, định tính các tinh dầu và các hợp chất hữu cơ khác.…

 (Nguồn: Phòng Phân tích Sắc ký)

+Hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ đầu dò Ion Trap

Hệ thống GCMS Thermo Polaris Q được kết hợp giữa máy sắc ký khí Ultra Trace GC và đầu dò khối phổ bẫy ion Polaris Q với hệ bộ phận bơm mẫu CompiPAL có khả năng phân tích nhận danh và định lượng nhiều loại hợp chất hữu cơ trong các nền mẫu khác nhau.

1. Nguyên tắc hoạt động hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ (GCMS – Gas Chromatography Mass Spectrometry)

Tương tự như các hệ thống sắc ký khí khác, hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ cũng bao gồm các bộ phận: nguồn cung cấp khí, lò cột, bộ phận tiêm mẫu, cột phân tích, đầu dò, bộ phận ghi nhận tín hiệu, và bộ phận in dữ liệu phân tích; trong đó, đầu dò là đầu dò khối phổ.

Sơ đồ cấu tạo đầu dò khối phổ

Các cấu tử của mẫu sau khi tách ra khỏi cột mao quản sẽ đi vào trong đầu dò khối phổ. Tại đây, tùy thuộc vào bản chất của chất cần phân tích, sẽ diễn ra quá trình ion hóa với các kiểu ion hóa khác nhau (API, ESI hay APPI), sau đó các ion được ghi nhận bởi đầu dò.  2. Cấu tạo đầu dò khối phổ đầu dò bẫy ion (Ion trap)

Hệ thống GCMS Thermo Polaris Q bao gồm bơm chân không, bô bơm mẫu tự động (CompiPAL), máy sắc ký khí Trace GC Ultra, đầu dò khối phổ bẫy ion Polaris Q.

Đầu dò Polaris Q gồm có bốn bộ phận chính như sau:

Nguồn ion hóa tại áp suất khí quyển (API). Hệ quang học ion (ion optics).Bộ phân tích khối (mass analyzer).Hệ thống phát hiện ion (ion detection system)

Cấu tạo đầu dò khối phổ bẫy ion

3. Ứng dụng hệ thống Thermo Polaris Q

Phân tích dư lượng PCBs, PAHs, trong các nền mẫu thực phẩm, môi trường, nước, … theo yêu cầu của các cơ quan quản lý trong và ngoài nước.

Phân tích các hóa chất POPs (Persistent Organic Pollutants) trong môi trường, thực phẩm,…

Phân tích các dư lượng thuốc trừ sâu trong thực phẩm, thủy hải sản như Trifluralin, Chlorpyrifos,… với khả năng phát hiện đáp ứng yêu cầu khắt khe của các nước Nhật, châu Âu,…

Phân tích các độc chất trong thực phẩm (3-MCPD, Histamin, Urea,…)

Phân tích các hormone tăng trưởng trong các nền mẫu thịt, thức ăn chăn nuôi như học beta-agonist (Clenbuterol và Salbutamol), Testosterol, DES,… hỗ trợ các cơ quan chức năng trong công tác kiểm soát chất lượng và bảo đảm vệ sinh an toàn thực phẩm của các sản phẩm lưu hành trên thị trường.

Hệ thống GCMS Ion trap Thermo Polaris Q

Phân tích các chất thuộc nhóm Phthalate (đặc biệt là DEHP) trong các nền mẫu thực phẩm, thôi nhiễm từ bao bì,… theo yêu cầu của Bộ Y tế và các cơ quan quản lý khác.

Phân tích Glyphosate trong các sản phẩm gạo trong việc kiểm soát chất lượng nông sản xuất khẩu sang châu Âu.

Phân tích các chất thuộc nhóm Nitroimidazole, thuốc diệt nấm (Propiconazole, Hexaconazole, Difenconazole) trong thủy sản, trái cây và các loại rau quả.

Phân tích 22 hợp chất amin thơm sinh ra do từ thuốc nhộm azo trong sản phẩm dệt may theo quy định của Bộ Công thương (QCVN 01:2010/BCT).

Phân tích nhận danh, định tính các tinh dầu và các hợp chất hữu cơ khác.…

 (Nguồn: Phòng Phân tích Sắc ký)