Hotline 247
04 6662 6362
 
Hà Nội
0968 378 899
 
Hồ Chí Minh
01289 777 888

Lựa chọn thiết bị GC/MS - Máy sắc ký khí ghép nối khối phổ

BioMedia

Kết hợp kỹ thuật sắc ký khí và đầu dò khối phổ cho kỹ thuật sắc ký khí khối phổ, với cấu tạo gọn nhẹ và giảm thời gian phân tích đi rất nhiều. Với loại thiết bị kết hợp này có thể cho khả năng phân tích trong rất nhiều ứng dụng. Mặc dù không được dùng nhiều như LC/MS nhưng GC/MS là công cụ hữu hiệu để xác định các hợp chất chưa biết, cho độ phân giải cao và nhiều dữ liệu về điện tử và hóa học của hợp chất. Ứng dụng nhiều trong pháp y, xét nghiệm, dược phẩm, hóa dầu, môi trường, phân tích sinh học…

Nguyên tắc hệ thống GC/MS:

GC/MS là kỹ thuật phân tích có độ chọn lọc cao để xác định các chất nhờ vào quá trình đo khối lượng. Giống như trong sắc ký lỏng LC, sắc ký khí GC cũng gồm một pha động là pha khí, còn trong sắc ký lỏng pha động là pha lỏng.

Sắc ký khí ghép nối khối phổ (Phần 1)

Sắc ký khí ghép nối khối phổ (Phần 2)

Xử lý các tình huống đối với máy GC và GC-MS

Sắc ký khí

Lưu ý trong GC/MS là quá trình chuẩn bị mẫu và lựa chọn dung môi vì mẫu bị bẩn hoặc phân hủy sẽ làm sai lệch độ nhạy của khối phổ rất nhiều. Các kỹ thuật chuẩn bị mẫu thường dùng: Chiết pha rắn (SPE), chiết lỏng – lỏng (LLE), vi chiết pha rắn (SPME).

Một dòng khí ở nhiệt độ cao và áp suất cao mang theo mẫu sẽ đi qua cột GC. Lột được đặt trong lò cột để điều khiển nhiệt độ của cột. Cột GC dạng mao quản làm giảm đáng kể tốc độ dòng mẫu, cho phép kết nối trực tiếp mới máy đo khối phổ. Các yếu tố ảnh hưởng tới thời gian phân tách trong cột GC gồm:

- Đặc điểm và quá trình chuẩn bị mẫu

- Loại pha động và pha tĩnh sử dụng

- Nhiệt độ điều chỉnh

- Cấu tạo của cột

Trước khi mua một hệ thống GC/MS cần lưu ý các điểm sau:

- Thiết bị và phần mềm có sử dụng được không? (liệu máy khối phổ có kết nối được với máy GC đang có không, phần mềm có thể điều khiển được cả hai không…)

- Diện tích bề mặt đặt máy, các kết cấu đường điện, đường ống phù hợp

- Dải nhiệt độ mong muốn cho hệ thống cột phân tích (nguồn ion hóa và bộ phân tích khối lượng có thể hoạt động ở nhiệt độ chênh lệch đáng kể)

- Dải khối lượng phân tích mẫu

- Khả năng phân tích tại hiện trường

- Loại thiết bị (phương pháp ion hóa, kiểu phân tích khối lượng) phù hợp nhất với ứng dụng cụ thể (môi trường, phân tích thực phẩm, hóa dầu, dược phẩm…)

Bảng 1: Các kỹ thuật, ứng dụng, nguyên tắc làm việc GC/MS và hệ thống minh họa

Kỹ thuật GC/MS

Nguyên tắc

Ứng dụng

Hệ thống minh họa và nhà cung cấp

Kỹ thuật phân tích nhiệt trọng lượng kết hợp với GCMS (TGA-GC/MS, TG-GC/MS)

Kỹ thuật này thích hợp để phân tích chuyên sâu các khí và cho phép tìm hiểu kỹ hơn các đặc tính của chất phân tích bằng cách giải thích từ các sản phẩm của quá trình TGA (nhiệt trọng trường) cho khối phổ và sự thay đổi entanpy. Ngoài ra, còn cung cấp thêm thông tin về quá trình trao đổi nhiệt, bao gồm cả quá trình truyền nhiệt, phân hủy vật chất, bay hơi và cấu trúc phân tử.

Các ứng dụng bao gồm: môi trường, thực phẩm, dầu khí… Kỹ thuật này phù hợp phân tích các mẫu có nền phức tạp do các khí bay hơi và các sản phẩm của quá trình nhiệt phân. Đặc biệt hiệu quả cho việc phân tích dữ liệu các loại khí tạo ra đồng thời, cho phép xác định các cấu tử riêng biệt của một hỗn hợp khí

Máy Pyris 1 TGA kết hợp với GC/MS   CLARUS 680 GC (perkin Elmer, Waltham, mass.)

Hệ thống TG/STA (phân tích nhiệt đồng thời) (Netzsch, Exton, Penn.) kết hợp với MSD (đầu dò khối phổ) và máy GC (Agilent, palo Alto, Calif.)

 

Sắc ký khí ghép nối khối phổ liên tục GC/MS (GC/MS/MS)

 

GC/MS/MS phân tích các chất trong phức hợp hoặc hỗn hợp yếu, độ nhạy gấp trên 20 lần so với phương pháp GC/MS tiêu chuẩn

Kỹ thuật MS/MS cho độ chọn lọc cao hơn, hiệu quả tốt hơn khi phân tích vết các hợp chất trong các mẫu yếu, trở thành công cụ hữu dụng cho ngành pháp y, môi trường và dược phẩm

Hệ thống sắc ký khí khối phổ của hãng Thermo Scientific TSQ 8000 Evo GC-MS/MS (thermo Fisher Scientific, Waltham, Mass.) và

GCMS-TQ8040 Triple Quadrupole GC/MS/MS (Shimadzu, columnia, Md.) Hình 1

GC/MS kết nối đầu dò phân tích mùi (ODP) (GC-O/MS)

GC-O/MS phân tích các mẫu nền phức hợp như thực phẩm, được bổ trợ bằng việc chuyển mẫu tới cột GC thứ hai với độ phân cực khác nhau

Kỹ thuật này thích hợp với phân tích các mẫu dược phẩm, thực phẩm để phân biệt các cấu tử của hỗn hợp chất phân tích có các đỉnh sắc ký bị xen phủ lên nhau, đặc biệt lý tưởng với các hợp chất có mùi.

Hệ thống phân tích GC-O/MS 1 chiều hoặc 2 chiều (1D and 2D GC-O/MS) (hãng GERSTEL, Linthicum, Md.)

 

 

Kết nối máy khối phổ với thiết bị GC có sẵn – khả năng nâng cấp máy

Hình 1. Hệ thống sắc ký khí ghép nối khối phổ liên tục GCMS-TQ8040 Triple Quadrupole GC/MS/MS của hãng Shimadzu.

Một số nhà sản xuất cung cấp các giải pháp để kết nối với hệ thống GC có sẵn của phòng thí nghiệm  bằng một đầu dò khối phổ phân giải cao hoặc công suất lớn TOF/MS.

Hình 2 – Dòng máy GC/MS Twin Line của Shimadzu

Ngày nay, các hãng sản xuất cũng đã phát triển rất nhiều công nghệ dành cho máy GC/MS như kết hợp GCMS với công nghệ Orbitrap (ThermoScientific), tạo ra bẫy orbit (hình cung) cho các phân tử tích điện trong trường tĩnh điện để đưa vào MS. Hệ thống GC/MS có kết hợp làm lạnh (cryo-GC/MS) được dùng để nghiên cứu sự thay đổi của các phân tử ở nhiệt độ tới -100ºC.

Ngoài ra, có nhiều loại phương pháp ion hóa đang được tiếp tục phát triển để có thể ứng dụng vào hệ GCMS để nâng cao công suất và độ nhạy của hệ thống: FD - field desorption, FI - field ionization, EI/FI/FD và LIFDI – iquid injection field desorption ionization.

Tìm kiếm máy GC/MS hiệu quả nhất cho phòng thí nghiệm phân tích môi trường

Các phòng thí nghiệm phân tích môi trường phải đối mặt với nhiều thách thức liên quan tới việc chuẩn bị mẫu, phân tích và báo cáo dữ liệu có hiệu quả - để tìm được hệ thống GC/MS phù hơp nhất với nhu cầu này không phải là điều đơn giản.

Những yêu cầu của các phòng thí nghiệm như cho kết quả chính xác, tính nhất quán, độ lặp lại và phân tích ở dạng vết cũng như phải tuân thủ nghiêm các yêu cầu các quy định pháp luật. Trong lĩnh vực pháp lý môi trường hiện nay, tầm quan trọng của việc đột phá công nghệ để đáp ứng các yêu cầu qui định ngày càng lớn, để đảm bảo an toàn và kiểm soát chất lượng của toàn bộ các quá trình lấy mẫu, kiểm tra và báo cáo. GC/MS là một công nghệ tiên tiến, cực kỳ thích hợp với nhu cầu này của phòng thí nghiệm môi trường.

Bảng 2: 9 tiêu chí để lựa chọn công nghệ GC/MS

Các yếu tố cần quan tâm

Hệ thống GC/MS single quad (một đầu dò khối phổ)

GC-MS Bẫy Ion

Hệ thống GC/MSMS (kết nối khối phổ liên tục)

Độ chọn lọc

√√

√√√

Độ nhạy

√√√

√√

√√√

Mẫu bản

√√

√√

√√√

Đa mục tiêu

√√

√√√

Ngân sách có hạn

√√√

√√√

Dễ sử dụng

√√√

√√

√√

Chất lượng quét phổ toàn dải

√√√

√√

Xác nhận phân tích đa mục tiêu

√√√

√√

√√√

Độ linh hoạt khi phân tích

√√

√√√

√√

 

Đầu tiên là quá trình tiêm mẫu, các tính năng của bộ đưa mẫu tự động có thể có ảnh hưởng lớn đến toàn bộ hệ thống trong phòng thí nghiệm. Hiện có rất nhiều kỹ thuât được dùng như tứ cực đơn (single quadruple), bẫy ion và tứ cực ba lần (triple quadrupole). Dưạ vào bảng 2 có thể cân nhắc các yêu cầu cụ thể để lựa chọn.

Trong trường hợp, khi lượng mẫu nhỏ, cần sử dụng bộ đưa mẫu có thể lấy được tới hết mẫu mà không làm hỏng đầu kim mà vẫn cho phép tiêm chính xác. Khi lượng mẫu phân tích lơn, cần lựa chọn loại cần đến loại đưa mẫu tự động với công suất lớn, duy trình quá trình bơm mẫu liên tục, quá trình vận hành không bị gián đoạn.

Hình 3: Sắc ký đồ và quá trình phân tách sắc ký của của các hợp chất dễ bay hơi (dung tích bơm mẫu là 1 µL, nồng độ 200 ng/µL)

Liên quan đến chất lượng mẫu và sự phức tạp của ứng dụng cụ thể, cần lựa chọn bộ đưa mẫu tự động có tính linh hoạt để dễ dàng thay đổi loại chất lỏng, headspace và chế độ tiêm vi chiết pha rắn (SPME). Tính năng ưu việt này của bộ đưa mẫu tự động rất thích hợp với các phòng thí nghiệm lớn, hoạt động liên tục và cho hiệu suất phân tích lớn.

Ngoài ra, lựa chọn một hệ thống đáp ứng nhiệm vụ hàng ngày, có thể giảm được thời gian chuẩn bị mẫu vì các lỗi phát sinh do việc chiết tách trước đó sẽ được loại bỏ. Bộ đưa mẫu tự động được chọn cũng phải đủ linh hoạt để đáp ứng nhu cầu mở rộng của phòng thí nghiệm khi cần. Ban đầu có thể chỉ cần trang bị một bộ đưa mẫu tự động cơ bản rồi sau đó có thể nâng cấp, bổ sung thêm các khay đưa mẫu khác. Khả năng chuẩn bị mẫu có vortex (lắc trộn), chức năng đọc mã vạch của mẫu, quá trình kiểm soát chặt chẽ,… cũng là các tính năng cần quan tâm.

Công nghệ GC/MS tự cực một lần được thiết kế phù hợp với các phòng thí nghiệm với nhiều ưu điểm: kết cấu vững chắc, độ đồng đều đưa mẫu, độ nhạy cao, độ chính xác tối ưu, độ lặp lại tốt; thích hợp với các qui trình vận hành liên tục, phân tích lượng mẫu lớn mà không cần tạm dừng để rửa hay bảo trì. Ngoài ra, công nghệ này cho phép chuyển đổi nhanh và dễ dàng giữa chế độ quét toàn dải và chế độ lựa chọn ion (SIM) để sàng lọc phổ của các hợp chất chưa biết, phân tích ở mức nhỏ. Được kết hợp với nguồn ion nhiệt độ cao, trơ và hệ quang ion mạnh, thiết bị này cho hiệu suât làm việc tối ưu trong một thời gian dài.

Hình 4: Hình minh họa cho khả năng quét và phân tách nhanh của kỹ thuật GC/MS tứ cực đơn với các hợp chất dễ bay hơi (hình ở trên cần nhiều phương pháp để phân tách, hình ở dưới 3 peak được tách rõ ràng không bị kéo đuôi – lỗi hay gặp khi phân tách các hợp chất này)

Quá trình vận hành có thể linh hoạt hơn cho nhu cầu sử dụng thời gian dài trong PTN là nguồn ion hóa hóa học xung ion dương, ion âm (PPINICI). Kiểu ion hóa này cho phép các nhà khoa học thu được đồng thời ion dương và ion âm trong cùng 1 lần phân tích, cực kỳ thích hợp với phân tích các hợp chất thuốc trừ sâu và các biphenyl polyclorat (PCBs), thông qua phần mềm dễ dàng so sánh đối chiếu dữ liệu phổ. Vấn đề hay gặp với hệ GCMS là làm sạch nguồn ion hóa. Hệ thống GCMS cần phải được đặt trong điều kiện chân không khi tháo nguồn ion hoặc thay thế nguồn ion thì mới đảm bảo được điều kiện và hiệu suất làm việc tối ưu. Người sử dụng có thể chuyển đổi nhanh chóng và dễ dàng giữ nguồn ion hóa điện tử (EI) và nguồn ion hóa hóa học (CI) để đáp ứng nhu cầu sử dụng khác nhau.

Vì tất cả các nguyên nhân trên nên GCMS tứ cực một lần thích hợp với phân tích các hợp chất dễ bay hơi trong hỗn hợp mẫu mà không cần pha loãng và bơm thêm mẫu

Hình 5: Phương pháp quét toàn dải và chế độ SIM trên hệ thống GC-MS tứ cực 1 lần khi phân tích mẫu nước uống

Ba hợp chất dễ bay hơi trong nước uống được phân tích bằng hệ GCMS tứ cực đơn, cho thấy khả năng phân tích cực tốt của hệ thống với loại mẫu này (chế độ toàn dải và chế độ SIM mode) (hình 3). Việc quét toàn dải dữ liệu cho phép định lượng ở mức tương đối cao và sàng lọc các chất chưa biết. Chế độ SIM dữ liệu cho phép phân tích mục tiêu ở nồng độ rất thấp cho cả 3 hợp chất này. 2 trong số 3 chất cho dưới hạn phát hiện ở mức 2ppt. Hợp chất thứ 3 có giới hạn phát hiện là 4ppt. Nhằm đáp ứng yêu cầu của phòng QC và giới hạn phát hiện rất thấp áp dụng ở nhiều bang của Mỹ cần phải dùng chế độ SIM.

Công nghệ GC-MS bẫy ion cũng cho tính đặc hiệu và độ chọn lọc cao hơn so với GC-MS tứ cực 1 lần, vì vậy phù hợp phân tích nồng độ các chất thấp và khi nhiễu nền rất cao. GCMS bẫy ion cũng có thể hoạt động ở chế độ quét toàn dải. Tuy nhiên, ưu điểm quan trọng nhất của loại này là khả năng phân tích khối phổ liên tục (MS/MS), do đó cho phép thu giữ mục tiêu và phân mảnh liên tục các hợp chất nhất định. Và đương nhiên, nhiễu nền cũng được giảm thiểu và độ đặc hiệu tăng lên. Ngoài ra, khi sử dụng phương pháp phân mảnh, có thể phân tích được các đặc điểm cấu trúc đáng tin cậy của các hợp chất cần kiểm tra. Khả năng này càng được nâng cao khi kết nối máy GC/MS-MS bẫy ion với nguồn ion hóa hóa học (CI). Ngoài ra có khả năng nâng cấp lên thành hệ MS liên tục như MS/MS/MS/MS/MS.

Công nghệ GC-MS 3 tứ cực cho phép các nhà khoa học tăng độ đặc hiệu phân tích và đạt được kết quả sàng lọc mục tiêu có độ chính xác cao cũng như định lượng các chất ở nồng độ thấp trong mẫu nền phức hợp. Ảnh hưởng của mẫu nền giảm đi đáng kể, tính toán phân tách các đỉnh sắc ký dễ dàng hơn. Các kỹ thuật ghi phổ có độ nhạy cao được sử dụng tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể:

- SRM – kiểm soát phản ứng lựa chọn: cô lập ion cần chọn, sau đó phân mảnh ion cô lập đó, trong các mảnh ion sinh ra, cô lập 1 mảnh ion con cần quan tâm và đưa vào đầu dò để phát hiện.

(Nguồn ảnh: Tạp chí Nature)

- MRM – kiểm soát đa phản ứng: Đầu tiên, cô lập ion cần chọn (ion mẹ) ở tứ cực thứ nhất, phân mảnh ion cô lập đó tại tứ cực thứ 2 (thực chất là buồng va chạm) thu được các ion con, cô lập 2 (hoặc nhiều) ion con cần quan tâm ở tứ cực thứ 3 và đưa vào đầu dò để phát hiện.

(Nguồn ảnh: mrmproteomics.com)

Công nghệ MRM được sử dụng trong proteomic cho phép các nhà khoa học chọn ra các peptide đang quan tâm, và từ đó xác định được chính xác nồng độ của nó.

Hình ảnh so sánh 2 chế độ MS/MS thường và MRM-MS

(Nguồn ảnh: broadinstitute.org)

- H-SRM – kiểm soát phản ứng độ lựa chọn cao.

- U-SRM – kiểm soát phản ứng độ lựa chọn cực cao.

Hàng trăm hợp chất có thể được phân tích chỉ trong một lần bơm mẫu khi sử dụng chế độ SRM hẹn giờ, chức năng tự động điều chỉnh thời gian SRM cho các điểm chọn phù hợp các peak ngay cả khi có sự xen phủ của các phân đoạn.

Hình 6: Phổ ion khi phân tích bằng GC/MS-MS của chlordane (một loại thuốc trừ sâu hữu cơ có chứa clo) trong mẫu trầm tích. Các ion bố mẹ được phân lập (trong ví dụ này m/z là 373) và sau đó bị phân mảnh. Các ion tạo thành từ ion bố mẹ này tạo ra phổ như trong hình, từ đó cải thiện được độ chọn lọc và cho phép xác nhận sự có mặt của chlordane trong mẫu.

Hình 7: phân tích DDT trong nước mặt bị nhiễm bẩn

Trên hình 7 là phổ đồ toàn dải của dichlorodiphenyltrichloroethane (DDT) trong nước mặt bị nhiễm bẩn khi phân tích bằng GCMS 3 tứ cực. Do ảnh hưởng của nhiễu nền, việc định lượng DDT bằng phương pháp này không sử dụng được. Phổ đồ ở giữa là quá trình phân tích bằng GCMS nhưng sử dụng chế độ SIM. Nhiễu nền đã giảm nhưng vẫn chưa đủ để định lượng DDT. Ở phồ đồ dưới cùng không còn ảnh hưởng của nhiễu nên, đó là khi áp dụng kỹ thuật SRM, bằng việc điều chỉnh chuyển hóa các ion mẹ DDT ở m/z 234.94 để tạo ra các ion con ở m/z 164.96, tất cả các ảnh hưởng nhiễu nền đều bị loại bỏ. Điểm hạn chế duy nhất đó là do giới hạn lượng mẫu được phân tách thực tế trên cột sắc ký trước đó.

Hình 8: Dữ liệu phổ toàn bộ khi phân tích đồng thời các thuốc trừ sâu

Việc phân tích đồng thời các thuốc trừ sâu khi sử dụng chế độ SRM có điều chỉnh thời gian với hệ GCMS 3 tứ cực. Sắc ký đồ ở hình 8 cho thấy toàn bộ dải dữ liệu thu được của một loạt các hợp chất đồng thời được rửa giải, công nghệ này cho phép thiết bị tối ưu hóa với từng hợp chất để xử lý kịp thời toàn bộ khối lượng lớn dữ liệu này và còn cho độ chính xác và độ lặp lại rất cao. Điều này giúp các nhà nghiên cứu có thể tập trung làm việc với các qui trình trong phòng thí nghiệm khác mà không cần phải quá quan tâm đến kết quả của quá trình phân tích này.

Nguồn bài: labcompare.com & labnews.co.uk

Dịch và tổng hợp: BioMedia Việt Nam

Các bài viết cùng chủ đề

Lựa chọn thiết bị GC/MS - Máy sắc ký khí ghép nối khối phổ

Kết hợp kỹ thuật sắc ký khí và đầu dò khối phổ cho kỹ thuật sắc ký khí khối phổ, với cấu tạo gọn nhẹ...