1. Định nghĩa, đặc tính và công dụng của tinh dầu.
Tinh dầu (essential oils) là hỗn hợp các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi, có mùi thơm đặc trưng, được chiết xuất từ thực vật (hoa, lá, vỏ, rễ, hạt, gỗ, nhựa…). Mỗi loại tinh dầu từ thiên nhiên có bảng thành phần đa dạng, được đặc trưng bởi một số thành phần chính. Hàm lượng các chất trong một loại tinh dầu có thể thay đổi phụ thuộc vào chất lượng giống cây, thời gian sống, điều kiện thổ nhưỡng, khí hậu ở vùng cây sinh trưởng và phát triển. Tinh dầu oải hương cùng chiết từ Lavandula angustifolia nhưng trồng tại Provence (Pháp) sẽ có thành phần linalool và linalyl acetate khác so với loại trồng ở Trung Á hoặc Đông Âu. Ví dụ khác, tinh dầu hoa hồng chịu ảnh hưởng mạnh của điều kiện khí hậu, trong đó vùng ôn đới với khí hậu mát mẻ cho ra loại tinh dầu có hàm lượng cao các alcohol thơm như citronellol, geraniol, tạo mùi hương bền và giá trị thương mại cao. Ngược lại, khí hậu nóng ẩm làm giảm hàm lượng tinh dầu hoa hồng và độ bền mùi do các hợp chất tạo nên mùi hương đặc trưng này dễ bay hơi hơn và làm giảm chất lượng trong tinh dầu thành phẩm.
Hình 1. Tinh dầu hoa oải hương từ thiên nhiên được bán trên thị trường
Hình 2. Tinh dầu hoa hồng trắng được bán trên thị trường
Tinh dầu nguyên chất từ thiên nhiên phải có bảng thành phần hóa học phù hợp với tiêu chuẩn quốc tế (AFNOR – ISO, ASTM, FDA, EU). Phân tích GC-MS giúp đánh giá chất lượng và giá trị thương mại của mẫu tinh dầu một cách chính xác và tối ưu nhất.
2. Phân biệt tinh dầu thiên nhiên và tinh dầu tổng hợp/ tinh dầu đã pha trộn
Nhiều loại tinh dầu giá rẻ thực chất là hương liệu nhân tạo pha thêm dung môi (như diethyl phthalate, propylene glycol…). Những dung môi và hóa chất này không có trong tinh dầu tự nhiên, được nhận danh bằng GC-MS đồng thời với các thành phần chính khác trong mẫu tinh dầu. Nếu tỉ lệ các hợp chất vượt ngưỡng cho phép hoặc có sự xuất hiện của chất lạ thì tinh dầu đó khả năng cao đã qua pha chế.
3. Cách định danh và bán định lượng tinh dầu thiên nhiên bằng Sắc ký khí ghép nối đầu dò khối phổ hai lần (GC-MS/MS)
Thành phần chính của tinh dầu bao gồm những hợp chất dễ bay hơi, chúng có nhiệt độ sôi tương đối thấp do đó có thể hóa hơi mẫu và phân tích bằng sắc ký khí (GC).
Ngoài ra, cần định danh và bán định lượng đồng thời các cấu tử có trong mẫu một cách nhanh chóng, chính xác để có thể đáp ứng sàng lọc, đánh giá nhanh các mẫu tinh dầu. Với bản chất mẫu và yêu cầu phân tích này thì đầu dò khối phổ hai lần (MS/MS) là một lựa chọn tối ưu, với độ chọn lọc và độ nhạy cao, thư viện phổ chuẩn đầy đủ và đa dạng.
4. Cấu tạo thiết bị Agilent GC-MS/MS 7010D
Hệ thống GC-MS/MS ba tứ cực Agilent 7010D (Agilent GC/TQ 7010D), là lựa chọn hoàn hảo và vượt trội dành cho các trung tâm phân tích. Hệ thống GC/TQ có nguồn ion HES 2.0 thế hệ mới, cung cấp độ nhạy ở cấp độ attogram, độ bền và thời gian hoạt động của hệ thống dẫn đầu ngành.
Hình 3-4. Hệ thống sắc ký khí ghép nối đầu dò khối phổ hai lần hãng Agilent (GC-MS/MS Agilent 7010D) tại Trung tâm phân tích Quốc tế
A/ Hệ thống sắc ký khí (GC) 7890B:
· Bộ phận tiêm mẫu (Inlet): có thể tích hợp bộ tiêm mẫu lỏng tự động. Hỗ trợ các chế độ tiêm chia dòng/ không chia dòng (split/splitless), đảm bảo độ lặp lại cao, tốc độ tiêm mẫu nhanh hạn chế việc mẫu hóa hơi không đồng bộ.
· Lò cột GC (Oven): đảm bảo nhiệt độ ổn định, gia nhiệt chính xác theo chương trình nhiệt, giúp quá trình tách trên cột GC hiệu quả.
· Cột sắc ký: cột mao quản (silica được phủ lên một lớp pha tĩnh): DB-5ms, HP-5ms, DB-Wax…
· Hệ thống khí mang: khí helium hoặc nitrogen, đạt tiêu chuẩn tinh khiết dùng cho sắc ký khí.
B/ Hệ thống đầu dò khối phổ hai lần (MS/MS) 7010:
· Transfer line (đường dẫn gia nhiệt): kết nối GC với MS, duy trì nhiệt độ ổn định để tránh ngưng tụ mẫu.
· Nguồn ion hóa (Ion Source) : Ion hóa va chạm điện tử (EI, 70 eV) – tiêu chuẩn trong phân tích tinh dầu và hợp chất hữu cơ bay hơi. Tạo ra các ion phân tử và ion mảnh đặc trưng, phục vụ cho định danh và MS/MS.
· Triple Quadrupole: Quadrupole 1 (Q1): chọn lọc ion phân tử (precursor ion) ; Buồng va chạm (Q2 – Collision Cell): gây phân mảnh ion phân tử bằng các phân tử khí trơ (N₂ hoặc Ar); Quadrupole 3 (Q3): phân tích và chọn lọc các mảnh ion con (product ion).
· Bộ xử lý kết quả : Agilent triple-axis HED-EM (High Energy Dynode – Electron Multiplier) Tích hợp bộ phận EM tuổi thọ cao, iris có tốc độ mở cao (dynamically ramped iris) cho phép thu tín hiệu ion với cường độ lớn, giảm nhiễu nền và tăng độ bền của đầu dò.
· Bộ bơm chân không (bơm turbomolecular và bơm sơ cấp) để duy trì môi trường chân không cho đầu dò khối phổ.
· Phần mềm xử lý kết quả Agilent MassHunter, thư viện phổ chuẩn.
Ngoài ứng dụng định danh và bán định lượng tinh dầu, hệ GC-MS/MS Agilent 7010 này còn được dùng để phân tích một số chỉ tiêu phổ biến cho các nền mẫu đa dạng từ dược, thực phẩm đến mẫu môi trường. Ví dụ: phân tích PAHs, phân tích Nitrosamines, phân tích MCPD và các dẫn xuất, phân tích các hợp chất bay hơi và bền nhiệt trong thực phẩm, bao bì,…
5. Một số vấn đề thường gặp khi phân tích mẫu tinh dầu và hướng giải quyết
Khi kết quả sắc ký đồ có các dấu hiệu sau: cường độ tín hiệu giảm (S/N giảm), phổ MS của các cấu tử và đường nền có tỉ lệ ion nước cao, lệch thời gian lưu, độ lặp giữa các lần phân tích kém. Khả năng cao mẫu tinh dầu đã bị nhiễm nước trong quá trình chưng cất, chiết tách. Vì mẫu nhiễm nước nên quá trình hóa hơi xảy ra không hoàn toàn, quá trình tách ở cột bị ảnh hưởng, dẫn tới quá trình ion hóa bất ổn, về lâu dài ảnh hưởng đến tuổi thọ của filement trong đầu dò. Do đó, cần phải làm khan mẫu bằng MgSO4 hoặc Na2SO4 trước khi tiêm vào hệ thống GC-MS/MS.
Khi sắc ký đồ có hiện tượng chồng chập peak, tín hiệu bị chẻ mũi, có thể do chương trình tách chưa tối ưu hoặc cột không đủ khả năng tách. Cần phải khảo sát lại chu trình nhiệt của buồng cột, pha loãng mẫu bằng dung môi hữu cơ phù hợp (methanol, dichloromethane,…) để tín hiệu không overload.
Tài liệu tham khảo:
(1) R. Oprean, M. Tamas, R. Sandulescu, L. Roman; Essential oils analysis. I. Evaluation of essential oils composition using both GC and MS fingerprints; Journal of Pharmaceutical and Biomedical Analysis; Volume 18, Issues 4–5, 1 December 1998, Pages 651-657
(2) Lining Pan, Yaqiong Qin, Mantang Chen, Huimin Liu, Shaofeng Liu, Xuehui Sun, Xiaoyu Wang, Li Chen, Fuwei Xie, Huapeng Cui, Tao Wang, Ruihong Liu, Peijian Sun; Accurate identification and quantification of ultra-multi-target flavours in essential oils through a combination of retention index distribution-based parallel dual-column GC-MS/MS and analyte protectants; Industrial Crops and Products; Volume 193, March 2023, 116186.
