Ứng Dụng Của Kĩ Thuật Phân Tích Phổ Phát Xạ Do Phân Hủy Bằng Tia Laser (LIBS) Trong Lĩnh Vực Y Sinh.

Nguyên lý của Phân tích phổ phát xạ do phân hủy bằng tia laser

Phân tích phổ phát xạ do phân hủy bằng tia laser (LIBS) có tiềm năng to lớn trong y sinh. Kỹ thuật này sử dụng xung laser để tạo ra một đám mây plasma nhỏ trong một mẫu, tiết lộ cấu trúc nguyên tố của nó thông qua một đặc trưng ánh sáng độc đáo. LIBS hứa hẹn chẩn đoán ung thư bằng cách phân biệt các mô khỏe mạnh với các mô ung thư, theo dõi đáp ứng điều trị bằng cách theo dõi những thay đổi trong thành phần nguyên tố và thậm chí nghiên cứu phân phối thuốc bằng cách truy tìm các yếu tố thuốc trong mô. Bản chất không xâm lấn và khả năng phân tích nhanh chóng của nó làm cho LIBS trở thành một công cụ có giá trị cho tương lai của chẩn đoán và điều trị y tế.

Quy trình chính của LIBS:

1.   Chiếu mẫu bằng xung laser: Một chùm tia laser xung ngắn, công suất cao được tập trung vào bề mặt mẫu.
2.   Phân hủy Plasma: Năng lượng mạnh từ xung laser làm cho vật liệu nhanh chóng nóng lên và ion hóa, tạo ra một vùng khí ion hóa nhỏ, nóng và cục bộ cao được gọi là chùm plasma.
3.   Kích thích: Nhiệt độ cao trong plasma kích thích các electron trong các nguyên tử của vật liệu mẫu. Khi các electron bị kích thích này trở về trạng thái cơ bản của chúng, chúng phát ra ánh sáng ở các bước sóng cụ thể.
4.   Phân tích ánh sáng phát xạ: Ánh sáng phát ra mang đặc trưng của các nguyên tố có trong mẫu, được thu thập bằng máy quang phổ và phân tích

Hình 1: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của LIBS. LB: chùm tia laser. S: mẫu. H: vùng tập trung năng lượng. V: vật liệu bay hơi. P: plasma. E: phát xạ đặc trưng của nguyên tố. CR: miệng hố. PT: hạt.

Hình 1 cho thấy sơ đồ nguyên tắc hoạt động của LIBS. Một chùm tia laser xung đầu tiên được tập trung vào bề mặt của vật liệu được phân tích (1). Năng lượng bức xạ mạnh này sau đó được kết hợp cục bộ vào vật liệu (2), khiến nó bay hơi (3). Vật liệu bay hơi và không khí xung quanh kết hợp để tạo thành plasma (4). Plasma này kích thích các nguyên tố trong mẫu, khiến chúng phát ra bức xạ đặc trưng (5-7). Ánh sáng đặc trưng phát ra sau đó được phân tích bằng máy quang phổ. Đáng chú ý, đối với các mẫu rắn, một miệng núi lửa được hình thành tại điểm tương tác (8).

Ứng dụng của LIBS trong lĩnh vực y sinh

Kĩ thuật phân tích phổ phát xạ do phân hủy bằng tia Laser (LIBS) mang tới đa dạng các ứng dụng trong lĩnh vực y sinh nhờ vào các khả năng độc đáo như:

Phân tích mô và chất lỏng sinh học không xâm lấn: Không giống như các quy trình sinh thiết truyền thống, LIBS cho phép phân tích các mô và chất lỏng sinh học mà không gây ra bất kỳ tác hại nào. Điều này đặc biệt có lợi cho các khu vực nhạy cảm hoặc khi cần đo lặp đi lặp lại.
Chẩn đoán nhanh: LIBS cung cấp thời gian phân tích nhanh, cho phép chẩn đoán nhanh hơn và cho phép đưa ra quyết định điều trị kịp thời. Điều này có thể rất quan trọng trong các tình huống mà can thiệp sớm là rất quan trọng.
Phát hiện nguyên tố chi tiết: LIBS vượt trội trong việc phát hiện một loạt các nguyên tố, bao gồm các nguyên tố nhẹ hơn như carbon, hydro, nitơ và oxy, là những thành phần thiết yếu của các phân tử sinh học. Phân tích toàn diện này cung cấp những hiểu biết có giá trị về cấu trúc nguyên tố của các mẫu sinh học.

Dưới đây là cách các khả năng này chuyển thành các ứng dụng y sinh cụ thể:

Chẩn đoán ung thư: LIBS hứa hẹn phân biệt giữa các mô ung thư và mô khỏe mạnh dựa trên các biến thể tinh tế trong thành phần nguyên tố của chúng. Điều này có khả năng hỗ trợ phát hiện ung thư sớm và cải thiện độ chính xác chẩn đoán.
Theo dõi đáp ứng điều trị: Bằng cách theo dõi những thay đổi trong cấu trúc nguyên tố của các mô sau khi điều trị, LIBS có thể giúp theo dõi hiệu quả của các liệu pháp điều trị ung thư, cho phép điều chỉnh nếu cần.
Nghiên cứu phân phối thuốc: LIBS có thể được sử dụng để theo dõi sự phân bố và nội địa hóa các yếu tố thuốc trong các mô. Thông tin này có giá trị để tối ưu hóa các chiến lược phân phối thuốc và đảm bảo điều trị nhắm mục tiêu.
Ứng dụng nha khoa: Phân tích thành phần nguyên tố của răng có thể rất quan trọng trong nha khoa. LIBS có thể xác định sự thiếu hụt các khoáng chất thiết yếu như canxi và đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều trị nha khoa.
Hiểu các quá trình sinh lý: Bằng cách phân tích thành phần nguyên tố của các chất lỏng sinh học khác nhau như máu hoặc nước bọt, LIBS có thể góp phần hiểu sâu hơn về các quá trình sinh lý và các dấu hiệu bệnh tiềm ẩn.

Kết quả

Hình 2: Ảnh bề mặt (trái) và mặt cắt (phải) của mấu sỏi mật.

Trong một ứng dụng cụ thể, kĩ thuật phân tích phổ phát xạ do phân hủy bằng tia laser (LIBS) được sử dụng để phân tích sỏi mật thu được từ các bệnh nhân khác nhau từ Ấn Độ. Hình 2 cho thấy bề mặt và mặt cắt ngang của mẫu sỏi mật. LIBS nhằm xác định tất cả các khoáng chất có trong mẫu.

Hình 3: Phổ LIBS của mẫu sỏi mật trong khoảng bước sóng 320nm đến 332nm cho thấy sự xuất hiện của nguyên tố đồng và natri.

Hình 4: Phổ LIBS của mẫu sỏi mật trong khoảng bước sóng 570nm đến 780nm cho thấy sự xuất hiện của các nguyên tố natri, canxi, hydro, nito, kali và oxy.

Kỹ thuật LIBS đã chụp được các dấu hiệu ánh sáng đặc trưng (quang phổ) của sỏi mật trong các dải bước sóng khác nhau. Trong hình 4 cho thấy các vạch đặc trưng cho nguyên tố natri (589,5nm) và kali (766,4nm và 769,8nm). Đáng chú ý, LIBS thậm chí còn phát hiện các nguyên tố nhẹ hơn như hydro (656,2nm), nitơ (744,2nm) và oxy (777,1nm), làm nổi bật lợi thế của nó so với các phương pháp truyền thống.

Hệ thống đo lường

Hình 5: Máy quang phổ HR2000+.

Hình 6: Nguồn laser Ocean Insight 532nm.

Máy quang phổ Ocean HR2000 + kết hợp với nguồn sáng laser Ocean Insight 532nm tạo thành một sự kết hợp mạnh mẽ cho các ứng dụng LIBS trong y sinh. Máy quang phổ HR2000 + tự hào có dải phổ có độ phân giải cao, rất quan trọng để chụp chính xác các dấu hiệu ánh sáng riêng biệt (vạch phát xạ) của các nguyên tố khác nhau có trong các mẫu sinh học. Phân tích chi tiết này cho phép xác định một loạt các nguyên tố, bao gồm các nguyên tố nhẹ hơn như các nguyên tố được tìm thấy trong các phân tử sinh học. Ngoài ra, nguồn sáng laser Ocean Insight 532nm cung cấp xung laser tập trung và ổn định, lý tưởng để tạo ra đám mây plasma trong mẫu cần thiết để phân tích LIBS. Nguồn laser chính xác này đảm bảo kết quả nhất quán và giảm thiểu thiệt hại tiềm ẩn cho các mẫu sinh học tinh tế. Cùng với nhau, máy quang phổ Ocean HR2000 + và nguồn sáng laser Ocean Insight 532nm cung cấp một hệ thống LIBS mạnh mẽ và đáng tin cậy để phân tích nhanh chóng và không xâm lấn các mô và chất lỏng sinh học trong nghiên cứu y sinh và các ứng dụng lâm sàng tiềm năng trong tương lai.

Kết luận

Kĩ thuật phân tích phổ phát xạ do phân hủy bằng tia Laser (LIBS) là một kỹ thuật phân tích mạnh mẽ với tiềm năng đáng kể trong các ứng dụng y sinh. Nó sử dụng một xung laser tập trung để tạo ra một đám mây plasma từ một mẫu, cho phép phát hiện thành phần nguyên tố thông qua các quang phổ đặc trưng phát ra. LIBS đặc biệt hứa hẹn cho chẩn đoán ung thư, theo dõi điều trị và nghiên cứu phân phối thuốc do tính chất không xâm lấn và khả năng phân tích nhanh. Ví dụ, trong một nghiên cứu phân tích sỏi mật từ bệnh nhân ở Ấn Độ, LIBS đã xác định các khoáng chất và nguyên tố khác nhau, bao gồm cả những khoáng chất nhẹ hơn như hydro và oxy, thường khó phát hiện bằng các phương pháp truyền thống. Hệ thống Ocean LIBS 2000+ thể hiện những ưu điểm của kỹ thuật, cung cấp phân tích quang phổ có độ phân giải cao và khả năng phân tích các mô mỏng manh và chất lỏng sinh học mà không gây hại, do đó hứa hẹn rất lớn cho việc thúc đẩy chẩn đoán và điều trị y tế.