Kết thúc series giới thiệu về lịch sử thiết bị phổ khối tứ cực, ở phần cuối này chúng tôi sẽ giới thiệu đến quý bạn về ứng dụng và sự đóng góp của thiết bị phổ khối trong nghiên cứu và kiểm soát ô nhiễm môi trường.
Việc phát triển thị trường lĩnh vực môi trường
Việc hình thành ra Cục Bảo vệ Môi trường (EPA) cuối năm 1970 đã cung cấp một bước đột phá cho GC/MS máy tính hóa và đối với công ty Finnigan. Việc kiểm tra phân tích môi trường có thể có một kết quả rất hệ trọng. Các nhà máy có thể bị đóng cửa, hoặc bị phạt một khoản phạt lớn, nếu các chất ô nhiễm được phát thải cao hơn lượng cho phép. GC/MS đã thỏa mãn cao các ứng dụng này bởi vì việc kết hợp giữa thời gian lưu của GC và phổ MS sẽ đưa ra những chứng cớ rõ ràng về sự có mặt của các chất gây ô nhiễm. Những kỹ thuật mà đưa ra các kết quả không rõ ràng chỉ dẫn đến kiện tụng và tranh chấp dai dẳng.
Chúng tôi bắt đầu làm việc với một vài phòng thí nghiệm nghiên cứu môi trường của EPA trong năm 1970 trước khi hình thành chính thức EPA, thực hiện các phân tích phức tạp đối với chất ô nhiễm trong nước thải. Dựa trên những kết quả thành công ban đầu, EPA đã quyết định vào giữa năm 1971 để mua 20 hệ thống GC/MS được máy tính hóa cho một loạt các phòng thí nghiệm quan trắc và nghiên cứu của họ trên toàn quốc. Sau khi đánh giá tất cả các nhà sản xuất GC/MS lớn, Finnigan đã được lựa chọn để cung cấp Model 1015/System 150 cho tất cả 20 phòng thí nghiệm.
Những phòng thí nghiệm EPA thực hiện các phân tích lớn trong vòng vài năm tiếp theo. Ba nhà khoa học của EPA – Steve Heller, John McGuire, và BillBudde – đã viết những đánh giá sau đây về GC/MS được máy tính hóa trong một bài báo tóm chuyên ngành trong tạp chí Environmental Science & Technology năm 1975 (5): “Việc xác định các chất ô nhiễm môi trường ở mức một phần tỷ (ppb) với độ tin cậy cao của kết quả đã trở nên gần như bình thường ở một số phòng thí nghiệm của EPA. Điều mà đã từng là một nhiệm vụ không thể đối với một đội ngũ 100 người làm việc trong sáu tháng đôi khi có thể được hoàn thành bởi một cá nhân có kỹ năng chỉ trong vòng một vài giờ.”
Với những nhận xét kiểu này, người ta sẽ nghĩ rằng GC/MS được máy tính hóa sẽ sớm trở thành một kỹ thuật phân tích hàng đầu đối với phân tích hữu cơ. Điều đó đã không đúng. Chỉ những nhà sản xuất hóa dầu lớn mới cảm thấy rằng họ có đủ sức bỏ ra hơn 150.000 Đô la để mua hệ thống GC/MS được máy tính hóa đầu những năm 70. (Giá như vậy tương đương với 450.000 Đô la tính đến năm 1994). Những người buộc phải làm theo quy định đã chống lại yêu cầu phải có GC/MS và tiếp tục sử dụng các phương pháp chỉ có GC.
Điều mà chúng tôi lo lắng hơn là các nhân viên của EPA chịu trách nhiệm ra các quy định về phương pháp để yêu cầu ngành công nghiệp phải tuân theo cũng tin rằng giá thành và sự phức tạp của GC/MS được máy tính hóa là quá cao để dùng nó như một phương pháp bắt buộc. Ở phòng thí nghiệm Hỗ trợ và Quan trắc Môi trường của EPA ở Cincinnati, một nhân viên chịu trách nhiệm đưa ra các phương pháp để đo ô nhiễm môi trường đã nói với tôi năm 1978 rằng “ngày anh ta đề xuất GC/MS như là một phương pháp bắt buộc sẽ là ngày cuối cùng của anh ta ở EPA.” Anh ta tin rằng anh ta sẽ bị đuổi việc vì đã có một quyết định kém đến như vậy.
Lúc này, chúng tôi ở Finnigan đã nhận ra rằng chúng tôi sẽ phải chứng minh hiệu quả về giá thành và độ tin cậy của GC/MS được máy tính hóa cho cả người ra quy định cũng như những người phải làm theo quy định. Thêm nữa, chúng tôi sẽ phải chỉ ra rằng đã có những phòng thí nghiệm dịch vụ đủ tư cách sẵn có để thực hiện phân tích bằng GC/MS với giá thành hợp lý cho những người không thể đủ khả năng thiết lập một phòng thí nghiệm riêng.
Để làm điều này, chúng tôi đã bắt đầu một đợt khảo sát giữa năm 1978 để xác định hiệu quả giá thành của GC/MS so với các kỹ thuật đã được chấp nhận khác – đặc biệt là GC – như được thực hiện bởi các phòng thí nghiệm giỏi sử dụng cả hai kỹ thuật. Chúng tôi đã bao gồm trong đợt khảo sát xấp xỉ 100 nhà hóa học làm việc trong 60 phòng thí nghiệm của chính phủ, của các ngành công nghiệp và của các dịch vụ hợp đồng tư nhân. Chúng tôi đã hoàn thành đợt khảo sát vào mùa thu năm 1978.
Trong đợt khảo sát, chúng tôi đã gặp và thảo luận các vấn đề với nhiều nhà lãnh đạo, cả những người ra quy định, những người phải tuân thủ theo quy định và hiệp hội thương mại của những người phải làm theo các quy định. Chúng tôi nhận ra rằng nếu GC/MS được máy tính hóa trở thành một phương pháp bắt buộc, nó sẽ đòi hỏi sự đồng ý hoặc ít nhất là không có phủ quyết từ những người phải làm theo quy định, như được đại diện bởi các hiệp hội thương mại của họ. Nói chung, chúng tôi đã thấy rằng những người phải tuân thủ theo quy định (các công ty công nghiệp) thích một phương pháp rõ ràng kiểu như GC/MS mà tạo ra các dữ liệu có tính biện hộ pháp lý. Trong đợt khảo sát, chúng tôi đã thấy rằng có ít nhất sáu tổ chức khác nhau nằm trong EPA cũng sẽ phải thuận để sử dụng nó như một phương pháp bắt buộc. Một sự phủ quyết từ bất kỳ một trong số họ là có thể bóp chết hy vọng của chúng tôi về GC/MS như là một phương pháp bắt buộc.
Trong năm 1978, tôi đã tranh thủ được sợ trợ giúp của một người từng làm quản lý ở EPA, Roger Strelow (sau đó làm luật sư riêng), để giúp chúng tôi “học cách ra tiêu chuẩn” ở EPA. Chúng tôi đã có thể trình bày các kết quả thăm dò của chúng tôi cho từng bộ phận trong số khoảng nửa tá của EPA liên quan đến quá trình quyết định, và trong đa số các trường hợp, đều đạt được sự hợp tác tích cực của họ. Chúng tôi cũng đã phát hiện ra từ đợt thăm dò rằng đã có khoảng 52 phòng thí nghiệm hợp đồng dịch vụ ở Hoa Kỳ có khả năng thực hiện được các phân tích “chất gây ô nhiễm trọng yếu” cho các công ty công nghiệp ở giá thành hợp lý. EPA sau đó đã thực hiện một đợt đánh giá song song GC/MS về giá thành, độ tin cậy, và khả năng của các phòng thí nghiệm hợp đồng dịch vụ trước khi đề xuất GC/MS như là một phương pháp bắt buộc.
Các kết quả của đợt thăm dò này đã được xuất bản vào tháng 5 năm 1979 trong một bài báo tựa đề “Các chất gây ô nhiễm trọng yếu II – Phân tích hiệu quả giá thành,” trong tạp chí Công nghệ và Khoa học Môi trường (6). Bảng 1 và Hình 2, trích dẫn và sửa đổi từ bài báo này, tổng kết các kết quả đó, đã chỉ ra rằng giá thành để thực hiện một phép phân tích bằng GC/MS là ít hơn một chút so với thực hiện chỉ bằng GC, trên cơ sở giá thành của mỗi phép phân tích, trong khi độ tin cậy của phép phân tích bằng GC/MS là tốt hơn đáng kể đối với đa số các hợp chất. Theo chúng tôi biết, đây là so sánh các phương pháp môi trường được xuất bản lần đầu tiên mà đề cập đến giá thành của mỗi phép phân tích. Các so sánh trước đây chỉ đề cập đến tổng giá thành của mỗi thiết bị.
Năm 1979, GC/MS được máy tính hóa đã chính thức được đề xuất như một phần của các Phương pháp Phân tích Nước Sạch Chuỗi 600 (cùng với GC), được biết rộng rãi như các phương pháp 304(h), để phân tích các chất ô nhiễm hữu cơ trong nước. Năm 1982, GC/MS đã bao gồm trong Hướng dẫn Phân tích Chất thải Rắn SW-846, mà bắt buộc các phương pháp để đo các chất ô nhiễm hữu cơ trong các vật liệu rác thải độc hại và trong nước ngầm ở các Đạo luật Bảo tồn và Thu hồi tài nguyên. Mặc dù việc thông qua cuối cùng các phương pháp trong Chuỗi 600 đã không được thực hiện đến tận năm 1984 (7), hội đồng ra quy định đã thừa nhận nó một cách rộng rãi từ năm 1979.
Kinh doanh trong lĩnh vực môi trường đã có một ảnh hưởng lớn trong việc sử dụng GC/MS được máy tính hóa, trong đó có công ty như Finnigan. Việc kinh doanh của chúng tôi, mà chỉ khoảng 2 triệu Đô la một năm vào năm 1971 khi chúng tôi nhận được đơn đặt hàng đầu tiên của EPA, đã tăng lên hơn 130 triệu Đô la trước năm 1988, với thị phần cho môi trường chiếm hơn một nửa số này.
Các ứng dụng môi trường đòi hỏi phân tích nhanh một lượng lớn các mẫu rất phức tạp, mà không thể nếu không sử dụng máy tính. Trong vòng một vài năm từ đơn đặt hàng 20 hệ thống GC/MS đã được máy tính hoá từ EPA, hầu hết các thiết bị được đặt hàng từ chúng tôi đều bao gồm một hệ thống xử lý dữ liệu chuyên dùng. Thêm vào đó, nhiều công ty công nghiệp mà đã dùng những thiết bị GC/MS được máy tính hoá đầu tiên sớm dùng nó để áp dụng cho những ứng dụng khác. Từ năm 1984 Finnigan không bán một thiết bị nào mà không có hệ thống xử lý dữ liệu.
Sự phát triển của GC/MS và xu hướng của các thiết bị được máy tính hoá cũng được dự đoán trước bởi những nhà sản xuất như HP. Đầu dò khối phổ của họ trở thành một sản phẩm thành công trong lĩnh vực môi trường cũng như trong những phân khúc thị trường khác, đã giúp tăng nhu cầu về những hệ thống GC/MS giá thấp được thiết kế cho một dải rộng của những ứng dụng thường ngày.
Nhìn vào tương lai
Tại thời điểm này, nhìn một chút về tương lai là một việc cần thiết. Tôi đã đề cập đến xu thế tích hợp khối phổ với các kỹ thuật khác như là sắc ký, và sự đơn giản hoá của kỹ thuật đó để có thể được sử dụng dễ dàng bởi những kỹ thuật viên ít đòi hỏi phải đào tạo sâu. Nhưng khi tôi nhìn vào tương lai, có một lĩnh vực ứng dụng mà có thể có tác động tương tự trên thị trường MS như đối với lĩnh vực phân tích môi trường trước đây – khoa học về sinh học.
Sự bùng nổ trong nghiên cứu sinh học và công nghệ sinh học, như trong Dự án Giải mã Gen người và những chương trình liên quan, sẽ đòi hỏi MS phải được dùng cho nhiều ứng dụng, bao gồm việc lập bản đồ và giải trình tự của các gen và xác định các đặc tính của protein.
Những thiết bị dùng cho các ứng dụng hàng ngày, giá thành thấp, hiệu quả trong trong sinh học sẽ là những thiết bị để bàn được máy tính hoá công nghệ tứ cực và tứ cực bẫy ion ghép nối với sắc ký lỏng, điện di mao quản, và những kỹ thuật tách khác. Những hệ thống này sẽ sử dụng nguồn ion hóa phun điện và ion hoá hoá học áp suất thường. Cải tiến trong hệ thống xử lý dữ liệu và tự động hóa sẽ cho phép các nhà sinh vật học và sinh hoá học sử dụng một cách dễ dàng, kể cả đối với các phép phân tích phức tạp nhất.
Cuối cùng, cũng như các quy định đã thúc đẩy sự phát triển của MS cho phân tích môi trường, các kỹ thuật MS có thể được bắt buộc bởi Cục Thực phẩm và Dược phẩm (FDA) hoặc những cơ quan khác vì các lý do an toàn sức khoẻ. Nếu điều này thành hiện thực, các quy định một lần nữa sẽ có một ảnh hưởng lớn đến kích cỡ và sự lớn mạnh của thị trường MS.
Kết luận
Khoảng 2 năm trước, tôi may mắn gặp được và nói chuyện dài với Wolfgang Paul khi ông ấy giảng bài trong buổi họp hàng năm của Hiệp hội châu Mỹ về Khối phổ (ASMS) ở Nashville, Tenessee. Tôi đã bày tỏ sự ngưỡng mộ trước công việc của ông mà đã mang về cho ông một giải Nobel, đặc biệt là công trình nghiên cứu của ông về khối phổ tứ cực và bẫy ion. Paul đánh giá thấp vai trò của ông ấy và nói rằng ông ấy nghĩ công việc mà chúng tôi đã làm trong việc phát triển và quảng bá phổ khối tứ cực và bẫy ion mới là phần khó khăn hơn và đáng ngưỡng mộ trong việc biến các nghiên cứu đó thành các sản phẩm thành công, và ông ấy đã viết lời gửi gắm đó gửi cho tôi trên một bản copy giải Nobel của ông ấy.
Tôi tin là cần tất cả những yếu tố nói trên để làm ra được một sản phẩm hoặc công nghệ mới thành công, và ai trong chúng tôi cũng đóng một vai trò. Tôi cảm thấy may mắn khi đã đóng một vai trò trong sự phát triển và thương mại hóa khối phổ kế tứ cực nhưng nhận ra rằng có nhiều người khác cũng có đóng góp ngang bằng hoặc quan trọng hơn tôi: những người như Bill Fies và Mike Story. Bill là thiên tài dẫn đầu trong việc phát triển phần điện tử cho tứ cực, ở cả SRI và Tập đoàn Finnigan. Mike thì phụ trách nhiều cải tiến then chốt trong thiết kế bộ lọc khối tứ cực dẫn đến sự ra đời của hệ thống GC/MS tứ cực đầu tiên. Với những người này, những mời mà thường nhận lại rất ít lợi ích so với những gì họ đóng góp, tôi và cộng đồng MS mãi mãi ghi ơn.
In từ Hoá Học Phân Tích 1994, 66, 969 A-975 A.
Bản quyền năm 1994 của Hiệp Hội Hoá Học Châu Mỹ và được in lại dưới sự cho phép của nhà bản quyền.
Link phần 1: https://iets.vn/2024/03/15/mot-vai-gioi-thieu-ve-lich-su-thiet-bi-pho-khoi-tu-cuc-phan-1/
Link phần 2: https://iets.vn/2024/05/22/mot-vai-gioi-thieu-ve-lich-su-thiet-bi-pho-khoi-tuc-cuc-phan-2/