Hệ thống ZenoTOF 7600: Tính linh hoạt trong phân tích định tính kết hợp với sức mạnh định lượng 

Hệ thống ZenoTOF 7600 là một trong những nền tảng khối phổ chính xác cao tiên tiến nhất hiện nay, được phát triển nhằm mở rộng giới hạn định tính và định lượng trong các nghiên cứu omics, dược phẩm và sinh học phân tử. Thiết bị thuộc dòng QTOF, tích hợp các công nghệ đột phá như Zeno trap và Electron Activated Dissociation (EAD), cho phép nâng cao đáng kể hiệu suất thu nhận ion, độ nhạy MS/MS và khả năng giải đoán cấu trúc phân tử phức tạp. Những tiến bộ công nghệ trong hệ thống ZenoTOF 7600 kết hợp linh hoạt phân tích định tính với sức mạnh định lượng, đáp ứng các loại mẫu và quy trình phân tích khắt khe nhất.

Cấu tạo và các cải tiến chính của hệ SCIEX ZenoTOF 7600

Về cấu tạo, ZenoTOF 7600 được thiết kế theo cấu trúc khối phổ QTOF hiện đại, bao gồm các thành phần chính như nguồn ion, hệ dẫn ion (ion optics), bộ tứ cực Q0, buồng va chạm LINAC, bẫy ion Zeno trap, cell phân mảnh EAD và bộ phân tích thời gian bay TOF. Zeno trap đóng vai trò then chốt khi tích lũy ion trước khi phóng xung vào TOF, giúp tăng hiệu suất sử dụng ion lên trên 90% và cải thiện độ nhạy MS/MS lên từ 4–20 lần so với hệ QTOF truyền thống. Đồng thời, EAD cell cung cấp cơ chế phân mảnh dựa trên electron với năng lượng điều chỉnh được, cho phép khảo sát toàn diện các loại phân tử từ small molecules đến protein nguyên vẹn, đặc biệt hiệu quả trong phân tích biến đổi hậu dịch mã (PTMs). Dải động tuyến tính giữa các lần quét lớn hơn 5 bậc và dải động tuyến tính trong cùng một lần quét lớn hơn 4 bậc ở cả chế độ MS và MS/MS. Hiệu năng được tối ưu sẵn để chuyển đổi dễ dàng giữa high flow, microflow, nanoflow với nguồn ion OptiFlow Turbo V. Bộ phân tích TOF sử dụng thiết kế N-optic tối ưu, đạt độ phân giải ≥42.000 và độ chính xác khối <1–2 ppm, đảm bảo khả năng phân biệt các ion có khối lượng gần nhau với độ tin cậy cao.

Trọng tâm của các cải tiến công nghệ là buồng va chạm lai (hybrid collision cell). Trước đây, các máy QTOF gặp hạn chế về duty cycle do sự kết hợp giữa:

• kỹ thuật đo dạng xung của TOF
• dòng ion liên tục từ đường dẫn ion quadrupole

Một chuỗi các quá trình dàn xếp ion và giải phóng ion theo thứ tự khối lượng ngược, cùng với các bẫy ion dung lượng cao, giúp giảm tổn thất duty cycle và tăng độ nhạy MS/MS từ 4–20 lần.

Buồng này cũng có khả năng thực hiện cả:

• CID (Collision-Induced Dissociation) – phân ly va chạm
• EAD (Electron-Activated Dissociation) – phân ly kích hoạt điện tử

Năng lượng động học của electron có thể điều chỉnh chính xác từ 0–25 eV mà không cần thuốc thử trung gian. Khả năng điều chỉnh này cho phép EAD áp dụng trên nhiều loại chất phân tích, từ peptide đa tích điện đến các phân tử nhỏ đơn tích điện.

Khả năng duy trì mật độ electron cao trong buồng EAD cho phép tốc độ phản ứng nhanh, phù hợp với các phép tách sắc ký tốc độ cao.

Hình 1. Phổ EAD MS/MS của melittin có và không kích hoạt bẫy Zeno. Phổ MS/MS được tăng cường bằng cách sử dụng bẫy Zeno (trên cùng, màu xanh lam) cho thấy độ nhạy được cải thiện gấp 5-10 lần trên toàn dải khối lượng so với phổ EAD MS/MS thu được mà không kích hoạt bẫy Zeno (dưới cùng, màu hồng), với sự thay đổi không đáng kể về nhiễu. EAD cung cấp độ bao phủ trình tự cao phục vụ phân tích cấu trúc.

Zeno Trap

Các hệ quadrupole time-of-flight (QTOF) thường sử dụng phương pháp tiêm ion theo phương vuông góc (orthogonal injection) từ buồng va chạm của quadrupole vào vùng ống bay (flight tube), bởi vì cấu hình này tối ưu hóa độ phân giải TOF, độ chính xác khối và độ nhạy cho toàn bộ phổ mà không cần thực hiện quét. Tuy nhiên, kiểu phát xung ion này lại có duty cycle tương đối thấp. Thông thường, chỉ khoảng 5–25% số ion được đẩy ra trong mỗi xung của bộ gia tốc, tùy thuộc vào hình học hệ thống và dải m/z.

Điều này thường không phải là vấn đề trong chế độ MS1, bởi vì dòng ion được tạo ra từ các nguồn hiện đại (ví dụ như nguồn ion Turbo V) và được truyền qua các công nghệ dẫn ion tiên tiến (như QJet ion guide) thường đủ lớn, thậm chí cần phải giảm bớt để tránh bão hòa và bảo vệ tuổi thọ của detector TOF. Tuy nhiên, trong chế độ MS/MS, việc cải thiện duty cycle có thể mang lại sự gia tăng đáng kể về độ nhạy.

Sự mất mát ion là kết quả của vùng trôi (drift region) giữa buồng va chạm và bộ gia tốc TOF. Vùng này hoạt động như một hệ phân tách TOF thô, trong đó các ion có m/z thấp di chuyển nhanh hơn các ion có m/z cao. Kết quả là một phần đáng kể các ion bị di chuyển vượt quá hoặc chưa tới vùng gia tốc và bị mất đi trong mỗi xung.

Trước đây, đã có nhiều nỗ lực nhằm khắc phục sự thiếu đồng bộ này, tuy nhiên chỉ đạt được trong phạm vi dải khối lượng hẹp hoặc ở tần số thu nhận thấp. Việc sử dụng Zeno trap đã vượt qua các rào cản công nghệ này, cho phép thu hồi tổn thất duty cycle trên toàn bộ dải m/z với tần số thu nhận lên tới 100 Hz.

Điều này đạt được bằng cách sử dụng một bẫy ion tuyến tính (linear ion trap), được gọi là Zeno trap, đặt tại đầu ra của buồng va chạm. Cơ chế giữ và giải phóng ion được minh họa trong Hình 2. Các ion đi vào bẫy và được giữ lại nhờ các rào thế điện tại các thấu kính ZG và IQ3, trong khi các gói ion tiếp theo được tích lũy trong buồng va chạm LINAC, giúp ngăn chặn sự mất mát ion.

Các ion bị giữ sẽ được làm nguội năng lượng, sau đó được giải phóng dựa trên thế năng, dẫn đến quá trình giải phóng có trật tự, thường theo thứ tự từ m/z cao đến m/z thấp. Bằng cách này, tất cả các ion trên toàn bộ dải khối lượng sẽ đến trung tâm của bộ gia tốc TOF đồng thời.

Hình 2: Sơ đồ thời gian của điện áp cổng (gating voltages), điện áp quét AC (AC ramp) và các xung gia tốc TOF. Các ion được tích lũy trong một bẫy ion nhỏ tại đầu ra của buồng va chạm, sau đó được giải phóng theo thứ tự khối lượng ngược để đồng bộ hoàn hảo với từng xung gia tốc.

Cơ chế bẫy và giải phóng ion đơn giản này mang lại sự cải thiện đáng kể về độ nhạy MS/MS, như minh họa trong Hình 3.

Hình 3: Mức tăng độ nhạy lý thuyết trong MS/MS như một hàm của m/z của ion mảnh và giới hạn trên của dải khối lượng thu nhận khi sử dụng Zeno trap. Sự gia tăng độ nhạy là kết quả của việc thu hồi các tổn thất duty cycle – vốn là hệ quả tự nhiên của việc kết hợp giữa phép đo TOF (kỹ thuật đo dạng xung) và dòng ion liên tục từ đường dẫn ion của quadrupole. Tổn thất ion sẽ tăng lên khi giới hạn trên của dải quét MS/MS tăng. Công nghệ Zeno trap có khả năng thu hồi trên 95% các tổn thất này.

Khi kích hoạt Zeno trap, tín hiệu MS/MS tăng từ 4 đến 15 lần (hoặc hơn), với mức tăng rõ rệt hơn đối với các mảnh ion có m/z thấp. Hiệu suất của Zeno trap, kết hợp với việc kiểm soát chính xác thời điểm giải phóng ion, giúp đạt được ≥90% mức tăng lý thuyết trên toàn bộ dải khối lượng. Nhờ mức độ chọn lọc cao của dữ liệu MS/MS độ phân giải cao, sự gia tăng tín hiệu này đi kèm với sự thay đổi nhiễu không đáng kể, dẫn đến tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N) trong cả phổ và sắc ký tăng tương ứng với mức tăng của tín hiệu thô (Hình 4, 5).

Hình 4: Sự gia tăng độ nhạy khi sử dụng Zeno trap đối với difenoxuron trong chế độ thu nhận MRMHR. Nhờ độ chọn lọc cao của MRMHR, mức tăng tín hiệu từ Zeno trap chỉ đi kèm với sự gia tăng nhiễu rất nhỏ: (trái) Cường độ tín hiệu tăng 13 lần dẫn đến tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N) tăng 12 lần đối với ion mảnh m/z = 72.044 của difenoxuron; (phải) Tất cả các đỉnh trong phổ MS/MS đều cho thấy sự cải thiện độ nhạy (tăng 6–13 lần) khi sử dụng Zeno trap.

Hình 5: Sự gia tăng độ nhạy khi sử dụng Zeno trap đối với peptide SPYVITGPGVVEYK từ hỗn hợp chuẩn PepCalMix trong chế độ thu nhận MRMHR: (Bên trái) Diện tích peak tăng 5,65 lần đối với ion mảnh m/z = 1070.50, đồng thời tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N) tăng 5,34 lần; (Bên phải) Đối với các ion mảnh peptide có m/z cao hơn, mức tăng ghi nhận khoảng 5–7 lần trên toàn bộ dải khối lượng MS/MS khi bật Zeno trap.

Những cải thiện về độ nhạy MS/MS này không chỉ giúp giảm đáng kể giới hạn định lượng (LOQ) trong các phép phân tích định lượng, mà còn có thể thay đổi toàn bộ quy trình phân tích. Khi sử dụng Zeno trap, phổ MS/MS chất lượng cao có thể được sử dụng để xác nhận, định danh hoặc so khớp thư viện ngay cả ở mức tải mẫu rất thấp. Điều này cho phép pha loãng đáng kể các mẫu quý, đồng thời cải thiện hiệu suất ion hóa bằng cách giảm thiểu hiệu ứng nền (matrix effect) và tăng độ bền của hệ thống khi làm việc ở tải mẫu thấp. Với cùng một lượng mẫu nạp, việc sử dụng Zeno trap giúp tăng độ tin cậy trong định danh, đồng thời mở ra khả năng phát hiện các chất chuyển hóa mới, peptide chỉ thị sinh học và các chất ô nhiễm ở nồng độ thấp hơn bao giờ hết.

Buồng phân mảnh EAD (Electron Activated Dissociation)

Trong khối phổ tandem (MS/MS), cơ chế phân mảnh chủ đạo là phân ly do va chạm (Collision-Induced Dissociation – CID), tạo ra các ion mảnh phục vụ cho việc định lượng và định danh các phân tử. Trong CID, các ion được gia tốc trong một buồng chứa khí trung tính, thúc đẩy các va chạm phân tử dẫn đến sự bẻ gãy liên kết, thường xảy ra tại các vị trí liên kết kém bền nhất. Mặc dù nhanh và hiệu quả, CID thường chỉ tạo ra một số lượng hạn chế các ion mảnh mang tính chẩn đoán, không đủ để làm sáng tỏ thông tin cấu trúc của các hợp chất chưa biết hoặc để phân biệt các đồng phân.

Ngược lại, phân ly kích hoạt bằng electron (Electron Activated Dissociation – EAD) là một nhóm các cơ chế phân mảnh dựa trên electron tự do, được đặc trưng bởi trạng thái điện tích của ion tiền chất và năng lượng động học của chùm electron. Các cơ chế EAD được biết đến là cung cấp thông tin bổ sung so với CID. Mức độ và vị trí bẻ gãy liên kết khác nhau giữa cơ chế gốc tự do (EAD) và cơ chế nhiệt (CID).

Hệ thống ZenoTOF 7600 được trang bị buồng EAD với thiết kế quang học chùm electron mới, cho phép đồng thời và độc lập giữ ion tiền chất và electron tự do nhằm thực hiện phân mảnh gốc tự do một cách hiệu quả. Với buồng EAD, hệ thống có khả năng điều chỉnh năng lượng electron lớn hơn 0, mở rộng phạm vi ứng dụng của phân mảnh gốc tự do vượt ra ngoài các phân tử sinh học.

Năng lượng động học của electron có thể điều chỉnh trong khoảng 0–25 eV, cho phép truy cập các cơ chế phân mảnh khác nhau (Hình 6), bao gồm:

• Electron Capture Dissociation (ECD): Phân ly bắt giữ electron
• Hot ECD: Phân ly bắt giữ electron năng lượng cao
• Electron Impact Excitation of Ions from Organics (EIEIO): Kích thích ion hợp chất hữu cơ bằng va chạm electron

Hình 6: Các cơ chế trong họ EAD được phân loại theo loại ion tiền chất và năng lượng động học của chùm electron.

Những cải tiến này cho phép thực hiện phân mảnh nhanh, chính xác và định lượng đối với nhiều loại chất phân tích, từ các phân tử nhỏ đơn tích điện đến các protein đa proton hóa. Ngoài ra, ở mức năng lượng cao hơn, thời gian phản ứng được rút ngắn, cho phép các kỹ thuật phân mảnh này hoạt động phù hợp với thang thời gian của quá trình sắc ký.

Sự kết hợp với Zeno trap chính là yếu tố giúp EAD đạt được độ nhạy và độ đặc hiệu cần thiết để có thể triển khai trong các ứng dụng phân tích thường quy.

ECD và hot ECD cho các peptit, protein và phân tử sinh học đa điện tích.

Các biến đổi sau dịch mã (Post-translational modifications – PTMs) đóng vai trò quan trọng trong nhiều chức năng của protein, bao gồm cấu hình không gian, truyền tín hiệu và hoạt tính sinh học. Một số PTM khó được đặc trưng bằng khối phổ; trong trường hợp các PTM kém bền, CID thường được sử dụng làm kỹ thuật phân mảnh. Tuy nhiên, các kỹ thuật phân mảnh theo cơ chế gốc tự do có khả năng bảo toàn các PTM, cho phép lập bản đồ khung peptide, đồng thời xác định được bản chất và vị trí của PTM.

Hình 7 minh họa ví dụ về một peptide phosphoryl hóa, LITV, được phân tích bằng hot ECD (KE = 7 eV). Trong trường hợp này, không chỉ gần như toàn bộ trình tự peptide được xác định bằng hot ECD, mà vị trí phosphoryl hóa cũng được bảo toàn.

Hình 7: Peptide phosphoryl hóa LITV được phân tích bằng EAD-MS/MS.
(Trên) Phổ EAD-MS/MS của LITV khi bật Zeno trap. (Dưới) Phổ EAD-MS/MS của LITV khi tắt Zeno trap: Độ nhạy MS/MS được cải thiện đáng kể khi kích hoạt Zeno trap. Khi bật Zeno trap, đạt được 100% độ bao phủ trình tự (sequence coverage), đồng thời vị trí phosphoryl hóa được xác nhận trên nhiều chuỗi ion c và z.

Kích thích ion bằng va chạm electron đối với hợp chất hữu cơ (EIEIO) cho các phân tử đơn tích điện

Khả năng điều chỉnh năng lượng động học của electron trong khoảng 5–15 eV mở rộng phạm vi ứng dụng của EAD sang các phân tử đơn tích điện. Ở mức năng lượng này, hiện tượng bắt electron dẫn đến trung hòa bị giảm, cho phép electron gây ra phân mảnh thông qua cơ chế gốc tự do.

Hình 8 minh họa sự so sánh giữa CID và EIEIO trong phân mảnh một phân tử lipid sphingomyelin. EIEIO cung cấp thông tin phổ cho gần như mọi liên kết, cho phép làm sáng tỏ:

•         cấu trúc nhóm đầu (head group)
•         loại khung phân tử (backbone)
•         độ dài chuỗi carbon
•         vị trí liên kết đôi
•         cấu hình lập thể của liên kết đôi

Hình 8: So sánh phổ sản phẩm phân mảnh giữa EIEIO (A) và CID (B). Mẫu phân tích là chất chuẩn tổng hợp sphingomyelin (SM), ký hiệu SM(d18:1,12:0).

Tương tự, EIEIO cũng có thể được sử dụng để phân biệt các đồng phân của phân tử nhỏ. Hình 9 làm nổi bật các mảnh ion đặc trưng riêng biệt của darunavir liên hợp O-glucuronide so với đồng phân N-glucuronide, cho phép cung cấp thông tin phân tử chính xác hơn trong các quy trình định danh chất chuyển hóa.

Hình 9: Phổ EAD (trên) và CID (dưới) của darunavir liên hợp O-glucuronide. Phân mảnh EIEIO tạo ra các ion mảnh đặc trưng, phản ánh vị trí liên hợp glucuronide.

Phân mảnh EIEIO cũng mang lại mức độ đặc hiệu bổ sung cho các quy trình phân tích không mục tiêu (non-targeted) và sàng lọc nghi vấn (suspect screening). Hình 10 minh họa sự khác biệt giữa EIEIO và CID trong phân mảnh azoxystrobin, một loại thuốc trừ nấm. Phổ CID chủ yếu bị chi phối bởi hai mảnh ion chính, trong khi phổ EIEIO chứa hơn 200 peak với S/N >10, từ đó giúp cải thiện đáng kể độ tin cậy trong quá trình so khớp thư viện và suy luận cấu trúc.

Hình 10: So sánh phổ MS/MS giữa CID và EAD đối với azoxystrobin. Phân mảnh EIEIO (giữa, phía trên – màu xanh) tạo ra số lượng ion mảnh nhiều hơn khoảng 100 lần với S/N >10 so với CID (giữa, phía dưới – màu hồng). Các sắc ký ion trích xuất (XIC) của EAD (bên trái) và CID (bên phải) cho thấy tính linh hoạt của EAD trong việc xác nhận dựa trên tỷ lệ ion.

Dải động tuyến tính (Linear Dynamic Range – LDR)

LDR là thông số quan trọng trong nhiều ứng dụng mà nồng độ chất phân tích thay đổi trên một khoảng rộng. Hệ thống ZenoTOF 7600 được trang bị detector MCP 4 kênh kết hợp với xử lý tín hiệu ADC, cho phép đạt được hơn 5 bậc dải động tuyến tính giữa các lần quét (inter-scan) trong cả chế độ ion dương và ion âm, cũng như trong cả phép đo MS và MS/MS (Hình 11).

Hình 11: Dải động tuyến tính của detector MCP 4 kênh với xử lý tín hiệu ADC. Có thể đạt được hơn 5 bậc dải động tuyến tính giữa các lần quét (inter-scan) trong cả chế độ ion dương (trên) và ion âm (dưới), đối với cả phép đo MS (bên trái) và MS/MS (bên phải).

Ngoài ra, detector ADC còn đạt được 4 bậc dải động tuyến tính trong cùng một lần quét (intra-scan), cho phép phát hiện đồng thời các chất có nồng độ cao và thấp mà không làm suy giảm chất lượng dữ liệu.

Tốc độ thu nhận (Acquisition speed)

Hệ thống ZenoTOF 7600 được trang bị buồng va chạm LINAC tốc độ cao, cho phép đạt tốc độ thu nhận nhanh, phù hợp với các thí nghiệm đa kênh phức tạp (highly multiplexed experiments) và các phép tách sắc ký lỏng (LC) tốc độ cao.

Kết hợp với tốc độ xử lý nhanh của detector MCP, hệ ZenoTOF 7600 có khả năng đạt tốc độ thu nhận >100 Hz, với thời gian tích lũy (accumulation time) thấp tới 5 ms, mà không làm suy giảm độ chính xác khối và độ phân giải khối.

Hình 12 minh họa việc duy trì ổn định độ chính xác khối, độ phân giải khối và cường độ peak trên một dải rộng các thời gian tích lũy.

Hình 12: Cường độ peak, độ phân giải khối và độ chính xác khối theo các thời gian tích lũy khác nhau. Việc rút ngắn thời gian tích lũy không làm suy giảm độ phân giải khối hoặc độ chính xác khối trên hệ thống ZenoTOF 7600. Độ phân giải khối được duy trì ổn định trên toàn bộ dải khối lượng.

Nguồn ion OptiFlow Turbo V cho sắc ký lưu lượng thấp 

Hệ thống ZenoTOF 7600 có tùy chọn trang bị nguồn ion OptiFlow Turbo V, được thiết kế cho các ứng dụng sắc ký microflow và nanoflow (Hình 13). Các tổ hợp đầu dò (probe) và điện cực đã được tối ưu sẵn về độ nhạy và độ bền hệ thống trong dải lưu lượng từ 0,1 đến 200 µL/phút. Điều này đồng nghĩa với việc không cần điều chỉnh thủ công để đạt hiệu suất tối ưu.

Hình 13: Các cấu hình của nguồn OptiFlow: (trái) Cấu hình microflow, (phải) Cấu hình nanoflow.

Hệ thống sử dụng ống dẫn và đầu nối SecurityLink, cho phép tất cả các kết nối đều có thể siết bằng tay, không rò rỉ và không có thể tích chết (dead volume). Đối với sắc ký microflow, đầu ra của cột được kết nối trực tiếp với đầu phun điện phun (electrospray probe), giúp giảm thiểu hiện tượng giãn đỉnh sau cột và cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu (S/N).

Thiết bị được cấu hình sẵn với giao diện OptiFlow, cho phép chuyển đổi giữa high flow, microflow và nanoflow một cách dễ dàng mà không cần dụng cụ và không cần phá chân không của hệ thống.

Tổng thể, cấu tạo của ZenoTOF 7600 thể hiện một kiến trúc tích hợp hiện đại, hướng tới tối ưu hóa đồng thời độ nhạy, độ chọn lọc và độ đặc hiệu, đáp ứng hiệu quả các yêu cầu phân tích phức tạp trong nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Tham khảo chi tiết sản phẩm tại: https://sciex.com/products/mass-spectrometers/qtof-systems/zenotof-7600-system

Công ty TNHH Thương mại Dịch vụ Kỹ thuật Việt Nguyễn là đơn vị phân phối chính thức các giải pháp phân tích từ SCIEX. Quý khách có nhu cầu tư vấn, vui lòng liên hệ: