(Trích từ tạp chí Hóa học Phân tích, 01/10/1994 (Analytical Chemistry 1994, 66, 969 A-975 A, copyright 1994 by American Chemical Society).
Robert E. Finnigan (125 Los Altos Ave., Los Altos, CA 94022) là người sáng lập ra công ty Finnigan chuyên nghiên cứu và chế tạo các thiết bị khối phổ lớn nhất trên thế giới. Hiện tại (thời điểm của bài báo này là 1994), công ty là một phần lớn nhất của tập đoàn Thermo Electron. Ông cũng là cố vấn của Quỹ Công nghệ Môi trường Hambrecht và Quist, một quỹ đầu tư chủ yếu vào những công ty môi trường nhỏ. Ông đã nhận bằng cử nhân của Học viện Naval Mỹ, nhận bằng Thạc sỹ và Tiến sỹ của Trường Đại học Illinois. Ông sống với vợ Bette tại Los Altos và Arnold (Central Sierra), California, Mỹ. Họ có bảy người con và bảy đứa cháu (tại thời điểm năm 1994).
Thiết bị phổ khối tứ cực
Từ phát triển đến phổ cập hóa
Phát minh ra thiết bị phổ khối tứ cực đã giúp cho phổ khối trở thành một kỹ thuật quan trọng trong hóa học hữu cơ
Việc phát triển và phổ cập các thiết bị phổ khối tứ cực (Quadrupole Mass Spectrometers – QMS) bắt đầu từ những năm đầu thập kỷ 60 và có một tác động lớn lên việc phát triển và mở rộng của thị trường thiết bị phổ khối (MS). Khi QMS được giới thiệu như một thiết bị phân tích thương mại trong những năm giữa và cuối thập kỷ 60, MS đã được sử dụng chủ yếu trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu của các Viện và các công ty hóa dầu; những hoạt động như vậy thông thường đòi hỏi việc theo dõi liên tục của những người chuyên làm về khối phổ có trình độ cao. Người ta ước lượng rằng toàn doanh số của các thiết bị phổ khối năm 1967 trên toàn thế giới nằm trong khoảng 20~30 triệu Đô la Mỹ, với đa số là các thiết bị phổ khối loại cung từ (magnetic sector MS).
QMS, được sử dụng nhiều nhất trong các hệ thống sắc ký khí khối phổ (GC/MS), đã mang đến sự phát triển ấn tượng trong hàng thập kỷ tiếp theo, đưa MS trở thành thị trường thiết bị phân tích lớn thứ 3 (sau sắc ký lỏng LC và sắc ký khí GC) ở cuối những năm 80. Hiện tại (thời điểm của bài báo này là 1994), thị trường MS toàn thế giới là khoảng 750 triệu Đô la Mỹ, với QMS (bao gồm cả MS loại bẫy ion) chiếm khoảng 75% trong số này. Nhiều người tin rằng MS, bao gồm gồm các kỹ thuật ghép nối như GC/MS và LC/MS, sẽ trở thành phân khúc lớn nhất của thị trường thiết bị phân tích đến trước năm 2000.
Việc phát triển MS đã lớn hơn nữa bằng việc tích hợp nó với các kỹ thuật tách: Rất khó khăn để phân biệt thị trường sắc ký và MS. MS đã từng được coi như một phương pháp phân tích đặc biệt đòi hỏi việc vận hành rất tinh vi và phức tạp bởi các nhà khoa học có kỹ năng cao, đã nhanh chóng trở thành một công cụ phổ biến trong các phòng thí nghiệm phân tích. Hiện tại, đa số các nhà hóa học phân tích sử dụng MS trong hàng loạt các ứng dụng. Trong tương lai, nhiều hệ thống MS sẽ được tích hợp hoàn toàn với các kỹ thuật khác mà người dùng sẽ thậm chí không nhận ra thiết bị bao gồm một thiết bị phổ khối bên trong. Chúng ta có thể thực sự nhìn thấy xu hướng này trong một số sản phẩm thương mại gần đây.
Trong bài báo này, tôi sẽ kể về lịch sử của QMS: sự bắt đầu, sự phát triển ban đầu và thương mại hóa, và nó đã giúp cho MS trở thành một kỹ thuật phân tích được chấp nhận rộng rãi như thế nào đối với phân tích hữu cơ.
Sự bắt đầu
QMS đã được phát minh bởi Wolfgang Paul của trường ĐH Bonn trong những năm đầu thập kỷ 50. Ông đã xuất bản công trình đầu tiên của mình năm 1954 và xin đăng ký bằng sáng chế cũng trong khoảng thời gian này. Thật không may, đơn xin đăng ký bằng sáng chế Mỹ của ông đã bị lưu hơn một năm sau khi đã xuất bản lần đầu tiên, do đó nó đã mất hiệu lực; bằng sáng chế đã không được xác nhận. Sau rất nhiều năm đến tận 1989, Paul đã được ghi nhận với giải Nobel cho công trình phát minh ra tứ cực cũng như bẫy ion của mình.
Cũng đầu những năm 50, Richard Post của phòng thí nghiệm Lawrence Berkeley, trường ĐH California, đã thực hiện công trình nghiên cứu trên QMS, độc lập với Paul. Ông cũng không xuất bản mà cũng không đăng ký bằng sáng chế. Hồ sơ duy nhất về công trình của ông là một bài báo của phòng thí nghiệm Phóng xạ, trường ĐH California (UCRL 2209) xuất bản năm 1953 và các dữ liệu trong sổ tay cá nhân của ông.
Các ứng dụng thực tế đầu tiên của QMS xuất hiện đã được làm ở Viện nghiên cứu Stanford (SRI) năm 1958. Ở thời điểm đó, Ken Shoulders, một nhà vật lý nghiên cứu, đã bắt đầu một chương trình nghiên cứu vi điện tử tiên tiến. Mục tiêu của nó là để sản xuất các hệ thống điện tử tích hợp được xây dựng bởi những đèn triode thu nhỏ. Những triode này sẽ được gắn bên trong một vi mạch mà môi trường có độ siêu sạch và chân không siêu cao (UHV: 10-11 torr). Các triode sẽ được sản xuất sử dụng kỹ thuật cộng kết màng mỏng kết hợp với các kỹ thuật khắc bằng chùm điện tử điều khiển máy tính. Shoulders nhận thấy nhu cầu đối với một máy phổ khối thu nhỏ để đảm bảo độ sạch của hệ thống UHV và để phát hiện và điều khiển quá trình cộng kết và chế tạo. Thiết bị phải chịu được nhiệt độ đến 900oC để có thể sử dụng trong hệ thống này.
Shoulders đã đọc các phát minh của Paul và đã quyết định để đi đến phát triển hệ thống QMS (Hình 1). Nhóm của ông đã chế tạo xấp xỉ khoảng 12 hệ thống QMS thử nghiệm trong các những năm 1956~62 và đã đạt được hiệu quả tốt (thang khối đến 500 Da với áp suất riêng phần tối thiểu có thể phát hiện là 10-15 torr) trước năm 1962. Công trình này đã được đăng tải trong một vài quyển sách và bài báo (1-4).
Năm 1962, P. M. (Mike) Uthe và tôi đã rời phòng thí nghiệm Quốc gia Lawrence Livermore và tôi ra nhập SRI để khởi đầu một nhóm nghiên cứu về điều khiển quá trình. Kiến thức cơ sở của tôi là về kỹ thuật điện, và Uthe là một nhà vật lý. Chúng tôi đã làm việc trong trong một phòng thí nghiệm cạnh nhóm của Shoulders và biết được nghiên cứu của ông với hiệu quả khá bất ngờ của QMS.
Chúng tôi nghĩ QMS có thể tạo ra một đầu dò tuyệt vời để đo và điều khiển các quá trình hóa học, và chúng tôi sau đó đã đề xuất các chương trình nghiên cứu đến bộ phận phát triển của Shell, bộ phận nghiên cứu của Monsanto, và tập đoàn thiết bị Perkin Elmer để đánh giá và phát triển thiết bị cho những mục đích như vậy. Giá thành ban đầu của chương trình đánh giá được ước chừng là 54.000 Đô la Mỹ. Phil Wadsworth ở bộ phận Phát triển của Shell (Emeryville, California) đã quyết định bắt đầu chương trình đánh giá cuối năm 1962, nhưng nó đã bị gạt bỏ bởi lãnh đạo của ông, người vừa trở về đúng lúc từ kỳ nghỉ và dừng chương trình lại.
(Còn tiếp…)