Laser đổi mới công nghệ phân tích

Về LA

TS. Russo, chuyên về vật lý cơ bản, bắt đầu sự nghiệp tại Phòng Thí nghiệm quốc gia Lawrence Berkeley (LBNL - Lawrence Berkeley National Laboratory). Ông là người dẫn đầu nghiên cứu về sự tương tác giữa tia laser và vật chất, một quá trình được gọi là Laser Ablation, trong Chương trình Khoa học năng lượng cơ bản (BES- Basic Energy Science) do Bộ Năng lượng Mỹ (U.S. Department of Energy) tài trợ.

Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) là sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích, đã tạo nên một cuộc cách mạng sau khi ra đời, được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau như: điện tử, cơ khí, năng lượng, hóa học, sinh học, y học, vũ trụ, truyền thông, vật liệu bán dẫn, gia công vật liệu, kiến trúc, nghệ thuật, thẩm mỹ,...

Laser Ablation (LA) là quá trình sử dụng chùm tia laser hội tụ để loại bỏ vật liệu khỏi bề mặt bằng cách chiếu xạ chùm tia laser. Ở thông lượng laser thấp, vật liệu bị đốt nóng bởi năng lượng laser sẽ bay hơi hoặc thăng hoa; ở thông lượng laser cao, vật liệu sẽ chuyển qua trạng thái thứ 4 của vật chất (trạng thái plasma, trạng thái bị ion hóa mạnh), là một hỗn hợp khí ion hóa, trong đó có các hạt mang điện như electron, ion, và cả các hạt trung hòa và phát tán ra môi trường xung quanh.

Chương trình nghiên cứu cơ bản về LA bắt đầu tại LBNL từ năm 1982, TS. Russo là người tiên phong nghiên cứu sử dụng LA như một nền tảng cho các phương pháp phân tích hóa học, cho phép phân tích quang phổ, định tính và định lượng thành phần nguyên tố của các loại vật liệu và các pha vật lý. Một trong những kết quả quan trọng là chứng minh được ảnh hưởng của thời gian phát xung laser đến hiệu suất phân tích, trong đó, mỗi tham số cơ bản có thể tác động lớn đến kết quả phân tích hóa học.

Phân tích hóa học mẫu rắn trực tiếp trên nền tảng LA

Phân tích hóa học để xác định thành phần nguyên tố của vật liệu thường được thực hiện bằng phương pháp khối phổ plasma cảm ứng  (ICP-MS), là kỹ thuật đòi hỏi các mẫu phải chiết xuất và hóa lỏng bằng các acid mạnh. Quá trình này cần nhiều công lao động, thời gian và tạo ra nhiều chất thải nguy hại. Phân tích hóa học mẫu rắn trực tiếp trên nền tảng LA khắc phục được các nhược điểm vừa nêu. Hai phương pháp phổ biến để phân tích hóa học mẫu rắn trực tiếp trên nền tảng LA do TS. Russo và cộng sự tại LBNL nghiên cứu thành công là:

• LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy): là phương pháp phân tích quang phổ kích thích bằng laser, một công nghệ phân tích nguyên tố hóa học nhanh chóng trên nền tảng LA. Mỗi mẫu rắn có một tín hiệu quang phổ duy nhất (tùy thuộc thành phần hóa học của nó), phát xạ plasma của mẫu rắn từ quá trình LA được thiết bị quang phổ ICCD (Intensified Charge Coupled Device) thu thập, sau đó phân tích quang phổ bằng phần mềm máy tính để định tính và định lượng chính xác các nguyên tố thành phần.
• LA-ICP-MS (Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry): là phương pháp quang phổ nguồn plasma cảm ứng cao tần kết nối khối phổ, một phương pháp biến thể của LIBS.  Mẫu rắn được cắt đốt bằng xung laser tạo ra trạng thái hạt, được một luồng khí mang (như argon) vận chuyển đến nguồn kích thích thứ cấp và được nung nóng ở nhiệt độ cao để ion hóa, những ion này sau đó được đưa vào khối phổ kế để phân tích nguyên tố và đồng vị.

Cả hai phương pháp này đều cho phép đo toàn bộ thành phần hóa học của mẫu rắn bằng xung laser, không cần mẫu lớn hay phải hòa tan trong acid, hoặc thực hiện trong môi trường chân không tốn kém. Plasma được tạo ra bởi chùm tia laser chiếu ở cách xa vật mẫu nên có thể phân tích các vật liệu cách xa tới 1 km mà không cần phải lấy mẫu và vận chuyển, đảm bảo chính xác thành phần của vật liệu được phân tích; cho phép thực hiện phân tích trực tiếp vật liệu trong các hoạt động viễn thám, phát hiện hạt nhân, thám hiểm không gian, cũng như ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau. Phương pháp LIBS cực kỳ nhạy, phân tích đa nguyên tố, có thể phát hiện vật liệu ở nồng độ một phần triệu; LA-ICP MS còn nhạy hơn, có khả năng phát hiện các chất ở mức một phần tỷ.

Các nhà khoa học của LBNL đã đi tiên phong trong kỹ thuật LA, tạo ra những công nghệ mới để phân tích hóa học vật liệu, những công nghệ mang tính cách mạng vì nhanh, chính xác, có thể thực hiện phân tích từ xa hay trực tiếp trong quá trình sản xuất công nghiệp.

Ứng dụng LA trong phương pháp phân tích LIBS  và LA-ICP-MS

Nguồn: Rick Russo,  Beginning to See the Light.

Thương mại hóa công nghệ

Hành trình thâm nhập thị trường của một công nghệ mới thường không dễ dàng, với công nghệ chuyên sâu càng có nhiều trở ngại và rủi ro. Hơn nữa, ban đầu, TS. Russo chưa nghĩ đến việc thương mại hóa các kết quả từ nghiên cứu khoa học cơ bản. Tuy nhiên, nhận thức được tiềm năng phát triển của phương pháp phân tích hóa học trên nền tảng LA và động lực từ các học trò, năm 2004, TS. Russo cùng nghiên cứu sinh của ông là TS. Jong Yoo thành lập công ty Application Spectra Inc. (ASI) tại cơ sở ươm tạo công ty spin-off của Đại học UC Berkeley (University of California at Berkeley) tại Fremont, để phát triển nguyên mẫu hệ thống phân tích LA từ phòng thí nghiệm thành sản phẩm có thể bán được.

Nghiên cứu cơ bản về LA của TS. Russo được tài trợ trong nhiều năm bởi Văn phòng Khoa học năng lượng cơ bản của Bộ Năng lượng Mỹ (U.S Department of Energy’s Office of Basic Energy Science). Còn nghiên cứu ứng dụng LA được tài trợ bởi nhiều đơn vị khác nhau như Cơ quan An ninh và Không phổ biến hạt nhân của Bộ Năng lượng Mỹ (Nuclear Non-Proliferation and Security Agency of DOE), cơ quan này quan tâm đến tiềm năng ứng dụng LA để xác định nhanh chất thải hạt nhân tại các cơ sở sản xuất hạt nhân; và Bộ Quốc phòng Mỹ (U.S Department of Defense), nơi đang tìm cách xác định từ xa và nhanh chóng thuốc nổ để có thể có thông tin nhanh về bom và vũ khí khủng bố. ASI đã được trao 8 hợp đồng nghiên cứu liên quan đến LA từ Bộ Quốc phòng, Bộ Năng lượng và NASA. TS. Russo cho biết, các nguồn tài trợ này rất quan trọng đối với một công ty công nghệ chuyên sâu như ASI để có thể phát triển và đưa công nghệ mới ra thị trường.

Năm 2006, ASI mở một phòng nghiên cứu ứng dụng ở Fremont; năm 2007, ASI giới thiệu J200, thiết bị LIBS trong phòng thí nghiệm và ra mắt sản phẩm thương mại đầu tiên (RT100-HP) dựa trên công nghệ LIBS; năm 2008, giới thiệu thiết bị LA-ICP-MS đầu tiên; năm 2009, ASI đã mở rộng dòng sản phẩm của mình với bốn hệ thống LIBS được thiết kế cho nhiều ứng dụng khác nhau. Đến nay ASI đã có 9 dòng sản phẩm trên nền tảng LA, tăng trưởng doanh thu trung bình hàng năm là 34% trong giai đoạn 2016-2019, mang lại lợi nhuận gấp nhiều lần khoản đầu tư ban đầu. Khách hàng thời gian đầu của ASI là Cơ quan Năng lượng nguyên tử quốc tế (IAEA- International Atomic Energy Agency), các phòng thí nghiệm quốc gia, các tổ chức nghiên cứu ở Bắc Mỹ, châu Á và châu Âu. 

Công nghệ LA nhanh chóng xác lập tiêu chuẩn mới trong phân tích mẫu rắn, các thiết bị của ASI  linh hoạt và có thể được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Do hiệu quả về chi phí và linh hoạt, các thiết bị LA hiện đang chiếm được thị phần đáng kể, đã thâm nhập vào một số thị trường ngành dầu khí, khai thác và lưu trữ năng lượng, hạt nhân và chất thải, kim loại, pháp y, và cả trong công nghiệp thực phẩm,...

Các nhà khoa học hàng đầu về LA là các nhà sáng lập và hiện đang lãnh đạo ASI đã mở ra cuộc cách mạng trong lĩnh vực phân tích mẫu rắn và vẫn đang tiếp tục con đường đã khai phá. 

Anh Thư (CESTI)