đo lường y sinhhhh

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.08 MB, 32 trang )

<span class="text_page_counter">Trang 1</span><div class="page_container" data-page="1">

VIỆN ĐIỆN---o0o---

<b>THIT B ĐO Y SINH </b>

<b>Đ ti: Phương php ph k trng lư ng</b>

Sinh viên thực hiện:

<b>PHẠM TRUNG KIÊN</b> MSSV: <b>20173997VI TRUNG THÀNH</b> MSSV: <b>20174214HỒ VIỆT ANH</b> MSSV: <b>20173654</b>

Giảng viên hướng dẫn:

<b>PGS. TS NGUY7N TH LAN HƯƠNG </b>

<b>Lớp: 124752 - Nhóm : 6</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 3</span><div class="page_container" data-page="3">

<b>LỜI NĨI ĐẦU</b>

Hiện nay, thế giới ngày càng phát triển dẫn đến con người ngày cần nhiều nhucầu mới. Trong đó, việc phân tích các thành phần hợp chất là một trong những yêucầu vô cùng thiết yếu và quan trọng. Việc phân tích này đem lại rất nhiều ý nghĩathực tiễn về nhiều lĩnh vực: môi trường, y tế,… Một vài ứng dụng kể đến đó là:tách các chất khác nhau ra khỏi một hỗn hợp, xác định tên hợp chất hoặc điều chếcác chất từ hỗn hợp,…

Với mong muốn tìm hiểu thêm về vấn đề này, chúng em đã chọn đề tài “Phổ kếtrọng lượng”. Qua bài tập lớn chúng em đã có thêm được cái nhìn chung về phươngpháp phổ kế trọng lượng. Từ đó, chúng em hiểu rõ hơn về nguyên lí, cấu tạo, cáchhoạt động cũng như ứng dụng quan trọng của máy phổ kế trọng lượng. Qua đó bổsung kiến thức và ứng dụng trong thực tế về máy Phổ kế trọng lượng.

Dù rất cố gắng trong việc tìm hiểu tài liệu, xong do cịn nhiều thiếu sót về kiếnthức cơ bản nên báo cáo cịn rất nhiều hạn chế. Kính mong nhận được những ý kiếngóp ý để nhóm em hồn thiện hơn. Nhóm em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới

<b>PGS.TS. NGUY7N TH LAN HƯƠNG đã nhiệt tình hướng dẫn góp ý giúp em</b>

hồn thành báo cáo mơn học này. Nhóm em xin chân thành cảm ơn!

</div><span class="text_page_counter">Trang 4</span><div class="page_container" data-page="4">

<b>1) PHƯƠNG PHJP KHKI PHL [1]...2</b>

1.1) Khái niệm...2

1.2) Khối phổ kế...2

1.3) Phân loại...3

Phổ kế trọng lượng quỹ đạo bay...3

Phổ kế trọng lượng thời gian bay...4

<b>2) NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA MJY KHKI PHL [2]...6</b>

2.1) Cấu tạo chung của máy khối phổ...6

Nguồn ion hóa...7

</div><span class="text_page_counter">Trang 5</span><div class="page_container" data-page="5">

3.1) Ứng dụng trong sinh học, y tế...12

Xác định thành phần protein:...12

<b>DANH MỤC HÌNH WNH</b>

Hình 1: Mơ hình cơ bản của một khối phổ kế...3

Hình 2: Quang phổ kế từ tính...3

Hình 3: Phổ kế trọng lượng thời gian bay...5

Hình 4: Sơ đồ cấu tạo đơn giản của hê z thống khối phổ...6

Hình 12: Bộ phân tích thời gian bay...11

Hình 14: Ngun Lý Hoạt Động Electron Multiplier………16

Hình 15 Máy Khối Phổ So Sánh Tỷ Lệ Đồng Vị (IRMS)………..23

</div><span class="text_page_counter">Trang 6</span><div class="page_container" data-page="6">

<b>1) PHƯƠNG PHJP KHKI PHL [1]1.1) Khi niệm</b>

<b>Phương php khối ph (Mass spectrometry) là một kỹ thuật dùng để đo đạc</b>

tỉ lệ khối lượng trên điện tích của ion, dùng trong cách thiết bị chuyên dụng là khốiphổ kế. Kỹ thuật này có nhiều ứng dụng gồm:

Xác định các hợp chất chưa biết bằng cách dựa vào khối lượng của phân tửhợp chất hay từng phân tách riêng của nó.

Xác định kết cấu chất đồng vị của cách thành phần trong hợp chất.

Định lượng lượng hợp chất trong một mẫu dùng các phương pháp khác(phương pháp khối phổ khơng phải là định lượng).

Nghiên cứu cơ sở của hóa học ion thể khí (ngành hóa học về ion và chất trungtính trong chân khơng)

Xác định các thuộc tính vật lý, hóa học hay ngay cả sinh học của hợp chất vớinhiều hướng tiếp cận khác nhau.

</div><span class="text_page_counter">Trang 7</span><div class="page_container" data-page="7">

<b>1.2) Khối ph k</b>

Một khối phổ kế là một thiết bị dùng cho phương pháp phổ khối, cho ra phổkhối lượng của một mẫu để kiểm tra thành phần của nó. Có thể ion hóa mẫu và táchcác ion của nó với các khối lượng khác nhau và lưu lại thơng tin dựa vào việc đođạc cường độ dịng ion.

Một khối phổ kế thông thường gồm 3 phần: phần nguồn ion, phần phân tíchkhối lượng, các phần đo đạc.

Hình 1: Mơ hình cơ bản của một khối phổ kế

<b>1.3) Phân lobi</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 8</span><div class="page_container" data-page="8">

Hình 2: Quang phổ kế t t nhMô tả hoạt động:

Dưới tác đô zng của điê zn trường gia tốc có điê zn áp U, các ion dương có đơ zngnăng:

E = qU = <sup>1</sup><sub>2</sub><small>m</small>v<small>2</small>

v =

√

Dưới tác dụng của từ trường, các ion dương chuyển đô zng theo các quỹ đạo trịnbán kính r rồi hơ zi tụ trên kính ảnh hay detector. Khi chuyển đơ zng quỹ đạo tròn, ionchịu tác dụng của lực hướng tâm F và lực ly tâm F với:<small>htlt</small>

F<small>ht </small>= B.z.vF<small>lt </small>= m<sup>v</sup><sup>2</sup>

</div><span class="text_page_counter">Trang 9</span><div class="page_container" data-page="9">

B.z.v = m <sup>v</sup><sup>2</sup>

Hình 3: Phổ kế tr"ng lư%ng th&i gian bayMô tả hoạt động:

Bước 1: Các phân tử được ion hóa bằng nguồn ion (ion source) với vận tốc

</div><span class="text_page_counter">Trang 10</span><div class="page_container" data-page="10">

<b>2) NGUYÊN LÝ VÀ CẤU TẠO CHUNG CỦA MJY KHKI PHL[2]</b>

<b>2.1) Cấu tbo chung của my khối ph</b>

</div><span class="text_page_counter">Trang 11</span><div class="page_container" data-page="11">

Hình 4: Sơ đ+ c,u t-o đơn giản của hê 0 thống khối phổGồm bốn khối chức năng chính :

Hệ thống nạp mẫuBuồng ion hóaBộ phân tích Bộ ghi tín hiệu

Mỗi khối đều mang một chức năng quan trọng khác nhau, nhưng quan trọngnhất trong các khối – quả tim của máy khối phổ là bộ phận phân ly các ion thànhtừng phần.

<b>Nguồn ion hóa</b>

EI (Electron Ionization) : Gia tốc các điện tử sinh ra từ việc nung nóng dâykim loại, gia tốc để va cham với hợp chất tạo ra mảng ion.

</div><span class="text_page_counter">Trang 13</span><div class="page_container" data-page="13">

Hình 7: ESI (Electrospray Ionization)

MALDI – MS : Sử dụng chất nền với lượng phân tử lớn, sau đố chiếu xạbằng laser dẫn đến sự hóa hơi, tạo ra sự trao đổi proton dẫn tới tạo ra ion cầnkhảo sát.

</div><span class="text_page_counter">Trang 14</span><div class="page_container" data-page="14">

Hình 9: Bộ phân t ch hội tụ đơn

Bộ phân tích hội tụ kép: Các ion trước khi đi qua từ trường quạt sẽ đi quamột điện trường tĩnh để tách biệt với nhau.

Chức Năng: Sử dụng cả từ trường và điện trường tĩnh để tách biệt các ion trước

</div><span class="text_page_counter">Trang 15</span><div class="page_container" data-page="15">

khi chúng đi qua từ trường quạt.Nguyên Lý Hoạt Động:

Các ion trước khi vào từ trường quạt đi qua một điện trường tĩnh.Điện trường tĩnh tác động lên các ion và tách chúng ra dựa trên các thuộctính điện tích của chúng.

Các ion sau đó đi qua từ trường quạt, nơi chúng được phân tách theo khốilượng.

</div><span class="text_page_counter">Trang 16</span><div class="page_container" data-page="16">

Hình 11: Bộ phân t ch tứ cực

Bộ phân tích thời gian bay: Bộ phân tích thời gian bay cung cấp thơng tin vềtỷ lệ khối lượng (m/e) của các ion trong mẫu. Sự linh hoạt và khả năng đo đạcchính xác của nó làm cho nó trở thành một cơng cụ quan trọng trong phân tíchkhối phổ, đặc biệt là trong việc nghiên cứu hóa học và phân tích các hợp chấtphức tạp.

Chức Năng:

Đo thời gian mà các ion mất để di chuyển từ nguồn đến máy dò, dựa trên tỷ lệkhối lượng và năng lượng của chúng.

Nguyên Lý Hoạt Động:Gia Tốc Ion:

Các ion được gia tốc bởi một điện trường, đưa chúng vào khơng gianchứa khí hoặc va chạm.

Ion bắt đầu di chuyển với một năng lượng cố định.

</div><span class="text_page_counter">Trang 18</span><div class="page_container" data-page="18">

Yêu cầu không gian lớn và năng lượng cao để các ion có thể bay được.Phức tạp hóa thiết bị và cần các hệ thống chopper để đảm bảo thời gianđo chính xác.

</div><span class="text_page_counter">Trang 19</span><div class="page_container" data-page="19">

Hình 12: Bộ phân t ch th&i gian bay

Các ion đập vào bề mặt của dynode trong Faraday cup.

Các electron bị bức ra khỏi dynode, tạo điều kiện cho dòng điện hìnhthành.

Dịng điện này được đo lường và được sử dụng để xác định số lượng ion.

Photomultiplier Dynode: Các ion đập vào mang phospho thay vì đập vàodynode tạo ra photon và tăng lên theo cấp số nhân. Lượng photon được chuyểnhóa thành dịng điện như ngun lý quang điện để định lượng ion.

Chức Năng: Sử dụng để đo lường sự phát xạ photon từ các ion khi chúng vachạm vào màng phospho thay vì dynode.

</div><span class="text_page_counter">Trang 20</span><div class="page_container" data-page="20">

lý quang điện để định lượng ion

Hình 13 Nguyên Lý Ho-t Động Photomultiplier Dynode

Electron Multiplier: Các ion đập vào dynode bức ra electron và tiếp tục đậpvào các lớp tiếp theo để tạo thành dòng đủ lớn.

</div><span class="text_page_counter">Trang 21</span><div class="page_container" data-page="21">

Hình 14 Nguyên Lý Ho-t Động Electron Multiplier

Chức Năng: Sử dụng để tăng cường electron tạo ra từ ion và tạo thành mộtdòng đủ lớn để đo lường.

Nguyên Lý Hoạt Động:

Các ion đập vào dynode trong electron multiplier, tạo ra electron.Electron sau đó tiếp tục đập vào các lớp tiếp theo (dynode) để tạo thànhdòng electron đủ lớn.

Dòng electron này sau đó được đo lường để xác định số lượng ion.

Array detector: Sử với bộ phân tích Tdụngime-of-Flight, multichanneldetector.

</div><span class="text_page_counter">Trang 22</span><div class="page_container" data-page="22">

Mỗi điểm cảm ứng trên mảng ghi lại thông tin về thời điểm mà ion tới vàtạo ra một tín hiệu.

Tín hiệu từ mỗi điểm cảm ứng được sử dụng để xây dựng đồ thị phổ chitiết về thời gian bay của các ion.

<b>2.2) Nguyên lý của my khối ph</b>

Chuyển các hợp chất chưa biết sang trạng thái ion.

Chức Năng: Quá trình chuyển đổi hợp chất thành ion là bước quan trọng để tạođiều kiện cho phân tích khối phổ.

Quy Trình: Sự ion hóa có thể được thực hiện bằng nhiều phương pháp, chẳnghạn như ion hóa hóa học, ion hóa laser, hoặc ion hóa điện tử. Trong quá trìnhnày, các phân tử của mẫu được chuyển thành các ion, giúp chúng trở nên dễdàng hơn để phân tách và đo lường.

Mục Tiêu: Tạo ra một dải ion đa dạng từ mẫu để có thể phân tích đầy đủ thànhphần hóa học của nó.

</div><span class="text_page_counter">Trang 23</span><div class="page_container" data-page="23">

Sử dụng sự khác nhau trong khối lượng phần tử trong từng thành phần củahợp chất.

Chức Năng: Sự khác nhau trong khối lượng của các phần tử trong mẫu được sửdụng để phân tách ion.

Quy Trình: Bộ phân tích khối lượng (mass analyzer) tác động lên các ion vàphân tách chúng dựa trên tỷ lệ khối lượng. Các ion nhẹ di chuyển nhanh hơn vàcó quỹ đạo lớn hơn so với các ion nặng.

Mục Tiêu: Xác định khối lượng của từng ion để tạo ra một đồ thị phổ chi tiết vàchính xác.

Sử dụng tác động của điện từ trường và các định luật vật lý để phân tách ion.Chức Năng: Sử dụng từ trường để tác động lên các ion và phân tách chúng dựatrên tính chất của chúng trong mơi trường từ trường.

Quy Trình: Các bộ phân tích khối lượng thường sử dụng từ trường để tác độnglên các ion và tạo ra quỹ đạo di chuyển theo khối lượng.

Mục Tiêu: Phân tách các ion dựa trên tỷ lệ khối lượng của chúng để tạo ra mộtphổ chi tiết.

Gia tốc hạt và điều hướng di chuyển các ion và thu về bằng các đầu đọc điệntử

Chức Năng: Sử dụng điện từ để gia tốc và điều hướng di chuyển các ion, sauđó thu về dữ liệu sự va chạm của chúng với các điểm cảm ứng.

Quy Trình: Các ion được gia tốc bằng một điện trường và sau đó di chuyển đếncác bộ phân tích khối lượng. Sau khi được phân tích, các ion tương tác với cácdetector, chẳng hạn như electron multiplier, để tạo ra tín hiệu.

</div><span class="text_page_counter">Trang 24</span><div class="page_container" data-page="24">

bằng cách thêm hoặc mất electron.

Các mẫu được chế biến để tạo ra các ion thông qua q trình ion hóa.

Các phương pháp ion hóa có thể bao gồm ion hóa hóa học, ion hóa laser, hoặcion hóa điện tử.

Các ion được đưa vào buồng gia tốc để chuẩn bị cho bước phân tích.Phân Tích:

Q trình phân tích dựa trên sự khác biệt về khối lượng của các ion, được thựchiện dưới sự tác động của điện từ trường.

Các ion được đưa vào buồng phân tích khối lượng (mass analyzer).

Dưới tác động của điện từ trường, các ion sẽ có quỹ đạo di chuyển khác nhaudựa trên tỷ lệ khối lượng của chúng.

Các ion sẽ được phân tách và điều hướng theo quỹ đạo khác nhau để tạo thànhmột đồ thị phổ.

</div><span class="text_page_counter">Trang 25</span><div class="page_container" data-page="25">

Sự va chạm của ion với detector tạo ra một tín hiệu dựa trên số lượng ion vàđặc tính của chúng.

Tín hiệu này sau đó được chuyển đổi thành thơng tin về cường độ và vị trí củacác ion.

Hiển Thị:

Thơng tin về phổ được hiển thị và lưu trữ để đánh giá và phân tích.

Thơng tin về cường độ dịng ion và vị trí của các pic đỉnh trên đồ thị phổ đượcghi lại và hiển thị trên màn hình hoặc lưu trữ trong máy tính.

Phần mềm phân tích dữ liệu cung cấp thơng tin chi tiết về các chất hóa họctrong mẫu, bao gồm cả khối lượng và tỷ lệ khối lượng của các ion.

<b>3) ỨNG DỤNG CỦA PHƯƠNG PHJP PHL K TRỌNG LƯỢNG</b>

<b>3.1 Xc định thnh phần protein:</b>

Protein mà các nhà nghiên cứu sinh học quan tâm thường là sự kết hợp phứctạp của nhiều protein và phân tử khác nhau, cùng tồn tại trong một môi trường sinhhọc. Điều này đặt ra hai vấn đề chính:

Thứ nhất, hai kĩ thuật ion hóa dùng cho các phân tử lớn chỉ làm việc tốt khimà hỗn hợp từ các thành phần có cấu tạo gần giống, trong khi trong các mẫusinh học, các protein khác nhau thường là có lượng khác biệt nhau lớn. KhốiPhổ của nếu hỗn hợp được ion hóa dùng phương pháp phun ion (ESI) hayMALDI, thì những protein dạng mà dư thừa nhiều có xu hướng giảm tín hiệu sovới những cái ít dư thừa hơn.

Vấn đề thứ hai, quang phổ khối từ hỗn hợp phức tạp là rất khó để nghiên cứu25

</div><span class="text_page_counter">Trang 26</span><div class="page_container" data-page="26">

chuyển gel hai chiều (2-DE: two-dimensional gel electrophoresis).

Phương pháp thứ hai, ghi sắc lỏng hiệu năng cao (HPLC) được dùng với cácphân mảnh peptit sau khi protein phân tách bởi tác động của enzym. Trong mộtsố tình huống, có thể cần phải kết hợp cả hai phương pháp. Các vết gel được xácđịnh trên 2D Gel thường là thuộc về một protein. Nếu cần biết định danh củaprotein đó, thì có thể xem xét vết gel đó. Khối peptit kết quả từ tác động củaenzym lên protein có thể được xác định bằng khối phổ dùng lấy dấu khối peptit.Nếu thông tin này không cho phép xác định danh tính của protein một cáchchính xác, các peptit của nó có thể xem là thuộc về đo phổ khối tandem.

Việc xác định đặc tính của hỗn hợp protein dùng HPLC/MS còn được gọi làshotgun proteomics và mudpit. Một hỗn hợp là kết quả của sự tác động của enzymlên hỗn hợp protein sẽ được phân mảnh theo một hay hai bước bằng ghisắc lỏng.Chất tách rửa từ giai đoạn ghi sắc có thể hoặc là trực tiếp đưa vào máy đo phổ khốithơng qua ion hóa phun điện tử (ESI), hay tách ra thành một loạt các vết nhỏ để sửdụng sau này trong phân tích khối bằng MALDI. Có 2 cách chính trong khối phổ để lấy mẫu protein:

Lấy mẫu khối peptit (PMF) Tandem MS

Lấy dấu khối peptit (PMF): dùng khối của các peptit đã phân giải làm đầu vào

</div><span class="text_page_counter">Trang 27</span><div class="page_container" data-page="27">

để tìm kiếm trong CSDL của các khối đã biết trước từ danh sách các protein đãbiết. Nếu một chuỗi protein trong danh sách tham khảo trùng khớp với giá trị thửnghiệm thì có lí do để tin rằng protein đó có tồn tại trong mẫu gốc. Tandem MS: đang trở thành một phương pháp thử nghiệm phổ biến để xác địnhprotein. Phân ly do va chạm (CID) được dùng trong các ứng dụng chính để khởi tạomột tập các phân mảnh từ một ion peptit cụ thể. Quá trình phân tách chủ yếu dựavào các chế phẩm phân tách để bẻ gãy liên kết peptit. Vì sự đơn giản của việc phântách này, nó có thể dùng khối của các phân mảnh quan sát được để so trùng CSDLcủa các khối đã biết với một hay nhiều chuỗi peptit.

MS xác định khối lượng nguyên tử và truy tìm đồng vị

Dùng máy phổ khối lượng người ta xác định được không những khối lượng màcả hàm lượng % của các đồng vị.

Ví dụ: Khi khảo sát khí xenon bằng phương pháp phổ khối lượng ta tìm được 9đồng vị với hàm lượng tự nhiên giảm dần.

Một số tỷ lệ đồng vị được sử dụng để xác định tuổi của vật liệu, ví dụ như trongxác định niên đại carbon.

Do sự khác biệt về khối lượng giữa các đồng vị của một nguyên tố là rất nhỏ vìvậy cần phải có một dụng cụ rất nhạy

</div><span class="text_page_counter">Trang 28</span><div class="page_container" data-page="28">

Hình 15 Máy Khối Phổ So Sánh Tỷ Lệ Đ+ng Vị (IRMS<b>)</b>

Dược động học (Pharmacokinetics)

Dược động học thường được nghiên cứu bằng phương pháp khối phổ vì bảnchất phức tạp của chất nền (thường là máu hoặc nước tiểu) và cần độ nhạy caođể quan sát dữ liệu điểm liều thấp và thời gian dài.

Thiết bị đo đạc phổ biến nhất được sử dụng trong ứng dụng này là LC-MS

</div><span class="text_page_counter">Trang 29</span><div class="page_container" data-page="29">

Hình 16 Máy khối phổ một lần dùng trong dư%c động h"c

Máy khối phổ 2 lần (LC-MS/MS)

Vitamin tan trong dầu: vitamin A (retinol, retinyl palmitate, vitamin D (D2,D3), vitamin E (alphatocopherol, vitamin K (K1, K2, K3, MK4, MK7)…Vitamin tan trong nước: vitamin nhóm B (B1, B2, B3, B5, B6, B9, biotin, B12)Ngồi ra, hệ thống cịn sử dụng để xác nhận khi quy trình phân tích trên HPLCchưa thể khẳng định như: hàm lượng lactose trong sữa free lactose, saccarosetrong các sản phẩm khơng bổ sung đường, …

Chuẩn đốn lâm sàngPhân Loại Chất:

Ứng Dụng: Được sử dụng để phân loại và xác định các chất trong mẫu, giúpchuẩn đoán các bệnh lý và tình trạng sức khỏe của bệnh nhân.

</div><span class="text_page_counter">Trang 30</span><div class="page_container" data-page="30">

Lợi Ích: Giúp kiểm sốt chất lượng sản phẩm, đồng thời đảm bảo an toàn vàhiệu quả của liệu pháp dược học.

Kiểm Tra Dược Độ Học:

Ứng Dụng: Sử dụng để đo lường nồng độ các chất dược phẩm trong máu hoặcmơ.

Lợi Ích: Cho phép theo dõi liều lượng và hiệu quả của thuốc trong cơ thể bệnhnhân, đồng thời giúp điều chỉnh liều lượng để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

</div>