Công nghệ mới giúp phát hiện, nhận dạng và phân tích các vật liệu nguy hiểm

Công nghệ mới giúp phát hiện, nhận dạng và phân tích các vật liệu nguy hiểm

Việc phát hiện các vật liệu nguy hiểm một cách nhanh chóng và đáng tin cậy là ưu tiên hàng đầu của an ninh. Phương pháp khối phổ (MSs) và sắc ký khí (GCs) đã trải qua quá trình thu gọn, đơn giản hóa, tăng thêm tính thân thiện với người sử dụng và khả năng áp dụng cho từng nhiệm vụ cụ thể. Do đó hệ thống sắc ký khí ghép khối phổ GC-MS, chủ yếu sử dụng ion hóa điện tử, là hệ thống MS di động phổ biến nhất cho việc phát hiện chất gây nổ tại thực địa.

Tiến sĩ Brian Musselman – Giám đốc điều hành của IonSense (Saugus, MA) cho biết sắc ký mất thời gian và phức tạp hơn. IonSense đã hợp tác với Waters, một nhà cung cấp hàng đầu cho sản phẩm LC và LC-MS, để sản xuất đầu dò ion hóa dùng trong khối phổ, mà theo Musselman “nó rất đáng tin cậy, nhỏ gọn lại có thể đạt hiệu suất cao – đó là khả năng thu được khối lượng của một ion trong vài giây“.

Thay vì dựa vào kỹ thuật sắc ký khí để tách riêng các thành phần dư lượng thuốc nổ, IonSense sử dụng nguồn ion hóa phân tích trực tiếp theo thời gian thực tế (DART) từ môi trường xung quanh nhằm tạo ra các ion từ mẫu mà gần như không cần quá trình chuẩn bị mẫu. Phương pháp DART tạo ra ion từ hầu hết các loại mẫu, chất khí, chất lỏng hoặc chất rắn. Điều này lý tưởng cho việc sàng lọc hoặc trong một số trường hợp xác nhận sự hiện diện của thuốc nổ ở dạng không nổ hoặc nổ. Phương pháp ion hóa cũng hiệu quả với các loại ma túy, hóa chất độc hại, vũ khí hóa học, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu và thực phẩm giả.

IonSense gần đây đã giới thiệu một bộ hấp thụ nhiệt cho nguồn DART, cho phép lấy mẫu bằng loại gạc tương tự với loại mà nhân viên an ninh vận tải thường sử dụng để kiểm tra dư lượng chất gây nổ đối với hành lý, chất dẻo, kim loại, bao bì và tiền giấy. DART ion hóa các hợp chất bằng cách kết hợp sự giải nhiệt để làm bay hơi mẫu, và Ion hóa mặt nền để tạo ra một vùng khí ion hóa xung quanh các phân tử mẫu. Đối với các mẫu thu thập bằng phương pháp lấy mẫu bề mặt, các chất phân tích chảy trực tiếp qua dòng khí của DART, nơi chúng bị ion hóa, bằng cách thêm một proton vào phân tử nguyên vẹn. Phân tử bị thêm proton sẽ được hút vào cửa hút khí của hệ thống khối phổ, nơi chúng được phân tích trong vài giây.

Đơn giản hóa việc phát hiện và phân tích

Trong khi phân tách bằng sắc ký khí có thể mất 15 đến 30 phút, quá trình ion hóa của DART chỉ mất vài giây và cung cấp nhiều thông tin hơn. Các đỉnh trong khối phổ được xác định bởi dấu vết GC, cộng thêm các hợp chất bổ sung. Đối với chất nổ, DART hiển thị các ion đã bị thêm proton và mất proton, chất xúc tác, chất khởi tạo và biến thể khối của mỗi loại phụ thuộc vào phương pháp DART. IonSense đã phát triển một chương trình phân tích dữ liệu ion sử dụng thuật toán reverse library search(1) để xác định hóa chất chính trong mẫu. Máy ion hóa IonSense DART sử dụng chương trình PIMISA. Chương trình này hoạt động bằng cách xử lý khối phổ thu thập bằng cách điều chỉnh điện áp đầu vào của đầu dò khối phổ để tạo ra các đỉnh phân mảnh được chẩn đoán cho các hợp chất quan tâm đặc biệt. Với PIMISA, hệ thống DART-QDa của công ty đơn giản hóa việc phân tích, làm giảm sự phức tạp và đưa ra các câu trả lời xác thực.

(1)Reverse library search: Quá trình so sánh một tập hợp con các đỉnh trong khối phổ của một hợp chất chưa biết với các đỉnh đã có sẵn trong thư viện dữ liệu khối phổ.

Ưu thế của DART trong các ứng dụng pháp y là phương pháp ion hóa tương tụ như ion hóa LC-MS, do đó có cơ hội lớn hơn để khám phá ra các thành phần nồng độ thấp hơn so với GC-MS. Phân tích có thể so sánh chi tiết dư lượng chất nổ tìm thấy tại một vị trí hiện trường vụ nổ với các đồ vật trong xe hoặc nhà của kẻ bị tình nghi, hoặc giữa hai hiện trường. Trong trường hợp các quy trình phân tích của GC và GC-MS có thể nhận dạng thuốc nổ được tìm thấy ở hai hiện trường, DART-MS có thể lập tức đưa ra phản hồi về thành phần và tạp chất, đặc biệt hữu ích cho việc thu thập bằng chứng.

Sân bay, một địa điểm mà chất nổ là mối quan tâm đáng lo ngại, sử dụng dụng cụ ion di động để dò bom. DART-QDa với thiết bị giải nhiệt thông thường nhanh chóng phát hiện sự hiện diện của các hóa chất nguy hiểm từ các mẫu được tìm thấy trong quá trình kiểm tra hàng ngày với các thiết bị phát hiện mối nguy không dựa trên MS như NIR, Raman và IMS.

Dụng cụ DART-QDa không được thiết kế để trở thành một hệ thống di động. Nó không yêu cầu dung môi để chuẩn bị mẫu và tách các mẫu, và khả năng sử dụng nitơ như khí ion hoá làm cho nó phù hợp hơn đối với môi trường phòng thí nghiệm di động.

Sàng lọc hay xác nhận?

Các hợp chất mang năng lượng thường có trọng lượng phân tử thấp, dưới 500 amu, làm cho chúng thích hợp với phương pháp phân tích GC hoặc LC và phát hiện MS tiếp theo thông qua ion hoá hóa học, ion hóa điện cực và va chạm electron. Các phương pháp MS thường bao gồm sắc ký khí hoặc lỏng.

TS. Hall – Đồng tác giả các bài viết về DART cùng với TS. Brian Musselman cho rằng công nghệ phát hiện bom hiện đang được sử dụng tại các sân bay đã lỗi thời. DART đã có mặt tại một số cơ sở pháp y và một số phòng thí nghiệm của bang nhưng vẫn chưa chính thức có mặt trong các phòng điều tra về tội phạm ở thành phố, an ninh sân bay hoặc biên phòng.

Lợi ích của DART là tốc độ. Hạn chế là thiếu giao diện hiển thị sắc ký, dải quang phổ có xu hướng phức tạp hơn đối với một số loại mẫu.

TS. Hall cho biết DART phù hợp hơn đối với việc kiểm tra hay phân tích phụ thuộc vào loại khối phổ kế đang được sử dụng. Nếu có thể phân tách và/hoặc xác định khối lượng có độ phân giải cao, khả năng xác nhận lớn hơn. Mặt khác, kết hợp ngoại vi GC và LC truyền thống cho thời gian lưu giữ lâu hơn, có thể được đánh giá dựa trên các tiêu chuẩn đã biết.

Một số công ty bán các hệ thống MS có kích thước như cặp đựng tài liệu, nhưng mặc dù giá thấp hơn, chi phí vẫn là một vấn đề đối với một số đơn vị ứng dụng bảo mật. Mặc dù những người đề xướng MS đánh giá IMS ở cấp độ thấp hơn so với MS nhưng công nghệ này còn khá lâu nữa mới trở nên lỗi thời. Tom Chand – Quản lý Bán hàng tại Real Sensors (Santa Ana, CA), cho rằng IMS vẫn còn phổ biến và hoạt động tốt.

Ông đề cập đến lịch sử công nghệ của đầu dò (công ty General Electric), và cải tiến công nghệ được thực hiện qua nhiều năm đã triển khai 40.000 hệ thống IMS trên toàn thế giới. Hệ thống cảm biến thực tế sản xuất ống dẫn khí cho thiết bị IMS được sử dụng trong sân bay. IMS hoạt động thông qua việc tách các ion khí dựa trên điện thoại di động của họ trong một điện trường.

Chand nói: “Việc triển khai sớm yêu cầu hai công cụ khác nhau để phát hiện chất ma tuý và chất nổ. Vấn đề là các hệ thống IMS chỉ có thể sử dụng các ống thấm ngắn có chứa các vật liệu tổng hợp mang tính tích cực hoặc tiêu cực. “Các ống thấm ngắn và đòi hỏi sự thay thế liên tục”, Chand nói thêm.

Ngoài ra đầu dò, IMS đã sử dụng vật liệu chứa phóng xạ, điều này dẫn đến việc khó bán hàng ở một số quốc gia”. Các mô hình mới của Smiths Detection (Newark, CA) có thể mang các ống có tuổi thọ cao cả loại dopant và loại sử dụng thiết bị phát hiện không chứa chất phóng xạ.

Giảm thiểu các yếu tố

Khối phổ tỉ lệ đồng vị (IRMS), một phương pháp pháp y không được sử dụng nhiều, dựa trên sự phân bố tự nhiên của các đồng vị ổn định phổ biến ở các khu vực khác nhau trên thế giới hoặc từ các nguồn khác nhau. Do đó tỷ lệ 13C/12C của dầu ô liu có nguồn gốc ở Thổ Nhĩ Kỳ sẽ khác với tỷ lệ dầu ôliu của Tuscany. Tương tự, tỷ lệ đồng vị có thể cung cấp dấu hiệu nguyên tố về nguồn gốc của vật liệu liên quan đến bom.

Trong một báo cáo năm 2014, các nhà khoa học từ IsoForensics (Salt Lake City, UT) chuyên về IRMS đã phân tích tỉ lệ đồng vị cacbon và nitơ của PETN (pentaerythritol tetranitrate), một chất nổ dẻo cực kỳ mạnh. Họ chứng minh rằng IRMS có thể xác định PETN theo cách mà HPLC không thể. Giới hạn chính xác để đo các mẫu đơn là 0,3% đối với carbon và 0,4% đối với nitơ.

John Howa, một nhà hóa học tại IsoForensics cho biết: “Điều này thiết lập một cơ sở dữ liệu phân biệt cơ bản, không đạt đến được mức độ của phân tích ADN hiện đại để xác định danh tính, nhưng chắc chắn là tốt hơn so với phân tích hóa học cho chất nổ. Phân tích tỷ lệ đồng vị ổn định đối với hydro và oxy có thể nâng cao năng lực của chúng ta trong việc phân biệt các nguồn thuốc nổ”.

Theo Howa, việc so sánh dựa trên xác suất và dựa vào nguồn, tương tự như cách DNA được sử dụng để xác định danh tính, đòi hỏi không chỉ có khả năng phân biệt hai loại mẫu từ nhiều nguồn khác nhau mà còn đánh giá liệu các mẫu đã xử lý và chưa xử lý có từ cùng một nguồn? “Điều này đòi hỏi một sự hiểu biết về biến đổi nền và lựa chọn phù hợp các mẫu kiểm soát. Cần cố gắng hết sức để thu thập và phân tích các mẫu có nguồn gốc để cung cấp giá trị xác suất, theo tỷ lệ hợp lý, để đánh giá các bằng chứng vụ nổ”.

Hơn nữa, dự đoán nguồn gốc địa lý thông qua tỷ lệ đồng vị là thiếu chính xác đối với chất nổ, không giống như ngành thực phẩm. Nguyên liệu thô và chất độn được sử dụng để sản xuất thuốc nổ thường có nguồn gốc từ nhiều nơi.

IRMS của các thành phần thuốc nổ riêng lẻ, chẳng hạn như RDX, có thể đưa ra mối liên kết giữa hai vụ nổ xảy ra ở các vị trí khác nhau – nếu các dấu hiệu hóa học ban đầu không được sửa đổi trong hoặc sau khi nổ. Điều này đòi hỏi phải tinh chế thành phần hóa học để đảm bảo rằng tỷ lệ đồng vị đo được kết hợp với thuốc nổ và các vật liệu khác có liên quan đến bom hoặc vật liệu xung quanh. Dấu hiệu đồng vị đã thay đổi như thế nào trong quá trình nổ chưa được nghiên cứu kỹ mặc dù một số nhóm đã điều tra tỷ lệ đồng vị trong bồ hóng sau khi nổ.

Trên thực tế, tỷ lệ đồng vị cacbon và hydrogen của các vật liệu nổ không gây nổ (ví dụ: chất dẻo và chất kết dính) có thể được sử dụng để phân biệt mẫu vật liệu nổ không nổ khi phân tích thực tế.

Ông Howa cho biết tỷ lệ đồng vị còn được sử dụng trong quá trình thu hồi đất bị ô nhiễm bởi dư lượng thuốc nổ. Liên quan đến khả năng sử dụng các tỷ lệ đồng vị cho các cuộc điều tra pháp y về bom là các khảo sát tỷ lệ đồng vị của chất kết dính, nhựa, kim loại, hoặc bất kỳ vật liệu nào được sử dụng để chế tạo bom.

Huyền Trang
(Theo Lab Manager)

0934 517 576