Giới thiệu

Kể từ khi được phát triển vào giữa thế kỷ 20, kỹ thuật đếm nhấp nháy lỏng đã trở thành nền tảng nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý hạt nhân, y sinh và khoa học môi trường. Nguyên lý cốt lõi nằm ở việc các hạt năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã các hạt nhân phóng xạ tương tác với chất lỏng nhấp nháy, chuyển đổi năng lượng thành các photon khả kiến. Các photon này được chuyển đổi thành tín hiệu điện bởi các bộ tách sóng quang (ví dụ: ống nhân quang, PMT), cuối cùng được phân tích để định lượng lượng vật liệu phóng xạ.

Mặc dù hào quang của các kỹ thuật đếm chất lỏng nhấp nháy thường tập trung vào máy dò hoặc chính chất lỏng nhấp nháy, nhưng các lọ chất lỏng nhấp nháy, là vật chứa trực tiếp bao bọc mẫu và chất lỏng nhấp nháy, là yếu tố ẩn quan trọng quyết định sự thành công hay thất bại của một thí nghiệm.

Thiết kế lọ thủy tinh nhấp nháy trong nghiên cứu hiện tại vẫn còn nhiều thách thức. Mục đích của bài báo này là phân tích một cách hệ thống ảnh hưởng của chức năng và thiết kế lọ thủy tinh nhấp nháy đến hiệu suất của chúng, đồng thời cung cấp cho các nhà nghiên cứu cơ sở lý thuyết và hướng dẫn thực hành trong việc lựa chọn và sử dụng lọ thủy tinh nhấp nháy bằng cách phân tích chức năng, tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn vật liệu và cải thiện hiệu suất.Đồng thời, hướng tới xu hướng phát triển trong tương lai, hỗ trợ tối ưu hóa và mở rộng ứng dụng công nghệ LSC.

Tổng quan về công nghệ đếm nhấp nháy lỏng

1. Nguyên lý cơ bản: Chuỗi chính xác để chuyển đổi năng lượng

Cốt lõi của phương pháp đếm nhấp nháy lỏng nằm ở toàn bộ quá trình chuyển đổi năng lượng phân rã phóng xạ thành tín hiệu quang thông qua chất lỏng nhấp nháy, và quy trình kỹ thuật của nó có thể được chia thành kích thích bức xạ, tạo ra photon, thu tín hiệu quang và phân tích dữ liệu.

2. Phân tích các phân khúc công nghệ chính

• Kiểm soát độ ổn định của dung dịch nhấp nháy: tránh thủy phân (ví dụ dung dịch phát quang gốc etylen glycol cần thêm chất chống oxy hóa BHT) hoặc quang phân (dung dịch gốc toluen cần được bảo quản tránh ánh sáng); một phần dung dịch phát quang (ví dụ hệ thống etylen glycol chứa PPO) dễ hấp thụ tinh thể ở nhiệt độ thấp (＜4℃), điều này sẽ dẫn đến giảm đột ngột hiệu suất phát sáng.

• Tối ưu hóa độ nhạy của máy dò: các công nghệ phát hiện mới như điốt quang silicon có phản ứng phổ rộng và độ nhiễu thấp phù hợp để phát hiện tín hiệu ánh sáng yếu; mảng máy dò đa kênh có thể được kết hợp với xử lý tín hiệu song song để tăng tốc độ phân tích mẫu thông lượng cao.

• Đóng gói và tinh chế mẫu: Đóng gói và tinh chế mẫu: Độ kín của các lọ thuốc nhấp nháy đòi hỏi phép đo phổ khối heli phải phát hiện được tốc độ rò rỉ nhỏ hơn 1×10-⁹ Pa-m³/s, ngăn chặn oxy xâm nhập gây ra quá trình phân hủy oxy hóa của thuốc nhấp nháy. Nhựa trao đổi ion có thể được sử dụng để làm sạch nhằm loại bỏ các ion kim loại và giảm tốc độ đếm nền. Kẽm nitrat/kali ferrocyanide được sử dụng để cô đặc các hạt nhân phóng xạ thành dạng viên, giảm thể tích dung dịch và tăng hiệu quả đóng gói.

Công nghệ đếm nhấp nháy lỏng cho phép phát hiện các hạt nhân phóng xạ năng lượng thấp với độ nhạy cao bằng cách chuyển đổi năng lượng của các hạt phóng xạ thành tín hiệu ánh sáng. Hiệu suất của nó phụ thuộc vào việc tối ưu hóa các khía cạnh kỹ thuật quan trọng như độ ổn định của chất lỏng nhấp nháy, độ nhạy của đầu dò, cũng như việc đóng gói và tinh chế mẫu. Là thành phần cốt lõi của việc đóng gói mẫu, chất lỏng nhấp nháy đóng vai trò không thể thay thế trong các liên kết này, và thiết kế cũng như lựa chọn vật liệu của nó có tác động quan trọng đến hiệu suất tổng thể của công nghệ LSC.

Các tính năng cốt lõi và thiết kế của lọ thuốc phát sáng

1. Hàm chứa

• Niêm phong:Các lọ chứa chất phát quang cần có độ kín tuyệt vời để ngăn chặn rò rỉ khí phóng xạ đồng thời tránh các chất gây ô nhiễm bên ngoài xâm nhập vào lọ.

• Khả năng tương thích:Các lọ chất phát quang cần phải tương thích với nhiều loại chất lỏng phát quang để đảm bảo chúng không phản ứng hóa học hoặc biến dạng vật lý khi tiếp xúc trong thời gian dài.

2. Lựa chọn vật liệu

• Thủy tinh: độ truyền dẫn cao để tối đa hóa hiệu suất truyền photon; độ ổn định hóa học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn, phù hợp với nhiều loại chất lỏng phát quang; số lượng nền thấp, phù hợp để phát hiện độ nhạy cao. Tuy nhiên, thủy tinh dễ vỡ và nặng.

• Nhựa: nhẹ và chống va đập, dễ vận hành và vận chuyển. Tuy nhiên, một số loại nhựa chứa các chất phóng xạ tự nhiên, kém bền về mặt hóa học và sẽ phản ứng với một số chất lỏng phát quang.

• Hoàn thiện bề mặt:Các vật liệu như silica được phủ trên thành bên trong của chai để tăng cường hiệu quả phản xạ và truyền ánh sáng cũng như tăng lượng photon phát ra.

3. Tối ưu hóa hình dạng và cấu trúc

• Thiết kế mở chai: Độ mở hẹp làm giảm dòng chảy của chất lỏng, giảm nhiễu tán xạ ánh sáng và cải thiện tính nhất quán của tín hiệu.

• Tránh ánh sáng: chai hoặc lớp phủ màu tối có thể ngăn chặn sự can thiệp của ánh sáng bên ngoài, giảm tiếng ồn nền và cải thiện tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu.

• Các thiết kế tối ưu khác: lọ nhấp nháy có đáy hình nón hoặc thiết kế thành trong đặc biệt giúp giảm lượng mẫu còn sót lại và cải thiện tỷ lệ thu hồi; lọ vi mô thích hợp để thử nghiệm mẫu vi mô, có thể giảm lượng dung dịch nhấp nháy và giảm chi phí.

Thiết kế và lựa chọn vật liệu của lọ đo nhấp nháy có tác động đáng kể đến hiệu suất của chúng. Độ nhạy và độ chính xác phát hiện của phương pháp đếm nhấp nháy lỏng có thể được cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa độ kín, khả năng tương thích, lựa chọn vật liệu, hình dạng và cấu trúc. Trong tương lai, với việc ứng dụng các vật liệu và công nghệ mới, hiệu suất của lọ đo nhấp nháy sẽ được cải thiện hơn nữa để hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho sự phát triển của công nghệ LSC.

Vai trò quan trọng của lọ thuốc phát sáng

1. Độ nhạy phát hiện được nâng cao

• Sàn có độ ồn thấp: Giảm thiểu sự xâm nhập của tạp chất phóng xạ thông qua việc lựa chọn vật liệu và kỹ thuật niêm phong, sử dụng thủy tinh borosilicate hàm lượng kali thấp hoặc nhựa có độ tinh khiết cao để giảm hàm lượng các chất phóng xạ tự nhiên. Kỹ thuật niêm phong chân không hoặc nạp khí trơ được sử dụng để giảm tác động gây nổ của oxy và độ ẩm lên chất lỏng phát quang.

• Hiệu suất năng lượng cao: khả năng truyền sáng của thành chai được tối ưu hóa đảm bảo thu được tối đa ánh sáng nhấp nháy bởi máy dò.

2. Đảm bảo độ tin cậy của thí nghiệm

• Độ ổn định của mẫu: Nắp đậy kín lâu dài để ngăn ngừa bay hơi hoặc phân hủy, phù hợp cho các thí nghiệm dài hạn. Thiết kế nắp đậy kín chất lượng cao đảm bảo mẫu không bị rò rỉ hoặc nhiễm bẩn trong quá trình lưu trữ hoặc vận chuyển lâu dài.

• Kiểm soát khả năng lặp lại: thông số kỹ thuật của thùng chứa được chuẩn hóa giúp giảm thiểu lỗi thử nghiệm giữa các lô và việc sử dụng lọ thuốc phát quang có kích thước, hình dạng và vật liệu đồng nhất đảm bảo các điều kiện thử nghiệm nhất quán.

3. Các kịch bản ứng dụng mở rộng

• Phát hiện thể tích nhỏ: Các lọ vi nhấp nháy hỗ trợ phân tích mẫu thông lượng cao và phù hợp để phát hiện mẫu có thể tích nhỏ, giúp giảm mức tiêu thụ thuốc thử và chi phí thử nghiệm.

• Khả năng tương thích trong điều kiện khắc nghiệt: Sử dụng vật liệu thủy tinh chịu nhiệt độ cao hoặc nhựa đặc biệt, phù hợp cho việc khử trùng bằng nồi hấp trong môi trường nghiên cứu đặc biệt hoặc bảo quản ở nhiệt độ thấp.

Ống nghiệm nhấp nháy tăng cường độ nhạy phát hiện nhờ độ nhiễu nền thấp và truyền năng lượng hiệu quả trong công nghệ đếm nhấp nháy lỏng, đồng thời đảm bảo độ tin cậy thực nghiệm thông qua kiểm soát độ ổn định mẫu và độ tái lập. Hơn nữa, thiết kế thu nhỏ và tương thích với điều kiện khắc nghiệt giúp mở rộng hơn nữa các kịch bản ứng dụng, hỗ trợ mạnh mẽ cho nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý hạt nhân, y sinh và giám sát môi trường. Trong tương lai, với sự tiến bộ của khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất, hiệu suất của ống nghiệm nhấp nháy sẽ được cải thiện hơn nữa, đặt nền tảng vững chắc cho sự đổi mới và mở rộng ứng dụng của đếm LSC.

Ví dụ ứng dụng thực tế

1. Lĩnh vực y sinh

• Định lượng chất đánh dấu phóng xạ trong xét nghiệm miễn dịch phóng xạ: Xét nghiệm miễn dịch phóng xạ (RIA) là một kỹ thuật phát hiện sinh học phân tử có độ nhạy cao, được sử dụng rộng rãi để phân tích định lượng hormone, thuốc và dấu ấn khối u. Lọ thuốc nhấp nháy được sử dụng để chứa phức hợp kháng nguyên-kháng thể được đánh dấu phóng xạ và dung dịch nhấp nháy, đảm bảo phát hiện hiệu quả các chất đánh dấu phóng xạ nhờ độ truyền qua cao và thiết kế nền thấp.

2. Giám sát an toàn năng lượng hạt nhân

• Phát hiện dấu vết đồng vị phóng xạ trong chất thải hạt nhân: Chất thải hạt nhân chứa nhiều loại đồng vị phóng xạ cần được giám sát chính xác để đảm bảo an toàn môi trường. Các lọ chứa chất phóng xạ được sử dụng để đóng gói dịch chiết chất thải hạt nhân và chất lỏng phát quang để phát hiện bằng chụp X-quang, ngăn ngừa rò rỉ vật liệu phóng xạ qua vật liệu chống ăn mòn và lớp niêm phong kín.

3. Khoa học môi trường

• Theo dõi các chất phóng xạ trong khí dung: Các hạt nhân phóng xạ trong khí dung là chỉ thị quan trọng cho việc nghiên cứu các quá trình khí quyển và ô nhiễm môi trường. Các lọ thuốc phát quang được sử dụng để thu thập và phát hiện các hạt nhân phóng xạ trong các mẫu khí dung, cải thiện độ nhạy phát hiện các mẫu có hoạt độ thấp thông qua thiết kế tránh ánh sáng và truyền năng lượng hiệu quả.

4. Các lĩnh vực ứng dụng khác

• An toàn thực phẩm: Lọ thuốc phát quang có thể được sử dụng để phát hiện ô nhiễm phóng xạ trong thực phẩm.

• Định tuổi địa chất: xác định niên đại bằng cách đo các đồng vị phóng xạ trong đá và khoáng chất.

• Khám phá thuốc: lọ thuốc phát quang được sử dụng cho các nghiên cứu động học chuyển hóa của thuốc được đánh dấu phóng xạ.

Ống nghiệm nhấp nháy đã chứng minh vai trò không thể thay thế của chúng trong các ứng dụng thực tế trong các lĩnh vực như y sinh, giám sát an toàn hạt nhân và khoa học môi trường. Nhờ độ nhạy cao, độ ổn định cao và thiết kế đa dạng, ống nghiệm nhấp nháy cung cấp hỗ trợ đáng tin cậy cho việc phát hiện phóng xạ, đồng thời thúc đẩy nghiên cứu và tiến bộ công nghệ trong các lĩnh vực liên quan. Trong tương lai, với nhu cầu ứng dụng không ngừng mở rộng, ống nghiệm nhấp nháy sẽ tiếp tục phát huy giá trị độc đáo của mình trong nhiều lĩnh vực hơn nữa.

Những thách thức và hướng cải thiện

1. Những hạn chế hiện có

• Kính dễ vỡ dẫn đến rủi ro vận hành: Mặc dù chai thủy tinh nhấp nháy có độ trong suốt cao và ổn định về mặt hóa học, nhưng tính dễ vỡ của chúng có thể dẫn đến rò rỉ mẫu hoặc gián đoạn thí nghiệm trong quá trình vận chuyển và sử dụng. Điều này có thể làm tăng chi phí thí nghiệm, đặc biệt là trong các thí nghiệm thông lượng cao hoặc tự động.

• Nhựa có thể có vấn đề lão hóa: Chai nhựa phát quang khi sử dụng lâu dài hoặc tiếp xúc với điều kiện khắc nghiệt (như nhiệt độ cao, axit mạnh và kiềm) có thể bị lão hóa, dẫn đến suy giảm tính chất vật lý hoặc khả năng tương thích hóa học, làm giảm độ tin cậy và khả năng tái tạo của kết quả thực nghiệm.

• Vấn đề tiếng ồn nền:Một số vật liệu nhựa có thể chứa tạp chất phóng xạ tự nhiên, làm tăng số lượng nền và ảnh hưởng đến độ nhạy phát hiện của các mẫu có hoạt động thấp.

• Các vấn đề về chi phí và môi trường: Thủy tinh chất lượng cao hoặc vật liệu nhựa đặc biệt rất tốn kém và lọ thuốc phát quang dùng một lần có thể gây gánh nặng cho môi trường.

2. Đổi mới công nghệ

• Phát triển vật liệu composite mới: Kết hợp tính ổn định hóa học cao của gốm sứ và khả năng chống va đập của nhựa, chúng tôi phát triển vật liệu composite gốc gốm sứ mới có khả năng chịu nhiệt độ cao, chống ăn mòn và tiếng ồn nền thấp, phù hợp với điều kiện khắc nghiệt và phát hiện độ nhạy cao. Việc phát triển vật liệu nhựa phân hủy sinh học giúp giảm thiểu gánh nặng cho môi trường và phù hợp cho các thí nghiệm dùng một lần, phù hợp với khái niệm phát triển bền vững.

• Tối ưu hóa công nghệ xử lý bề mặt: Áp dụng lớp phủ tăng cường quang học ở cấp độ nano lên thành trong của chai để cải thiện hiệu suất truyền photon. Tăng cường hơn nữa độ nhạy phát hiện, phù hợp để phát hiện mẫu vi mô.

3. Tối ưu hóa công nghệ xử lý bề mặt

• Công nghệ phủ nano: Lớp phủ tăng cường quang học ở cấp độ nano được phủ lên thành trong của lọ phát quang để cải thiện hiệu suất truyền photon. Điều này giúp tăng cường độ nhạy phát hiện và phù hợp để phát hiện mẫu vết.

• Lớp phủ chống bám bẩn:Các lớp phủ chống bám bẩn đã được phát triển để giảm thiểu lượng mẫu còn sót lại và cải thiện tỷ lệ thu hồi đối với các mẫu có giá trị cao hoặc các trường hợp tái sử dụng.

Mặc dù chai nhấp nháy đóng vai trò quan trọng trong công nghệ đếm nhấp nháy lỏng, nhưng chúng vẫn phải đối mặt với một số thách thức nhất định về tính chất vật liệu, an toàn vận hành và bảo vệ môi trường. Hiệu suất và phạm vi ứng dụng của chai nhấp nháy có thể được cải thiện đáng kể thông qua nghiên cứu trên nhiều khía cạnh. Trong tương lai, với sự tiến bộ của khoa học vật liệu và công nghệ sản xuất, chai nhấp nháy sẽ có những đột phá lớn hơn về độ nhạy, độ tin cậy và tính bền vững, mang đến sức sống mới cho sự phát triển của công nghệ đếm nhấp nháy lỏng.

Kết luận và triển vọng

Ống đo nhấp nháy, là thành phần cốt lõi của công nghệ đếm nhấp nháy lỏng (LSC), đóng vai trò không thể thay thế trong việc phát hiện phóng xạ thông qua việc liên tục tối ưu hóa vật liệu, cấu trúc và quy trình. Đổi mới vật liệu, tối ưu hóa cấu trúc, cải tiến quy trình và các tối ưu hóa khác là những công cụ hỗ trợ cốt lõi để ống đo nhấp nháy trở thành công nghệ đếm lỏng, được sử dụng rộng rãi trong y sinh học, giám sát an toàn năng lượng hạt nhân, khoa học môi trường và các lĩnh vực khác.

Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học vật liệu, công nghệ nano và công nghệ tự động hóa, lọ đo nhấp nháy sẽ đạt được hiệu suất cao hơn, thiết kế thông minh hơn và thân thiện với môi trường hơn trong tương lai. Những đổi mới này không chỉ thúc đẩy sự phát triển của công nghệ đếm nhấp nháy lỏng mà còn cung cấp các công cụ mạnh mẽ hơn và hỗ trợ cho nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý hạt nhân, y sinh và khoa học môi trường. Trong tương lai, lọ đo nhấp nháy được kỳ vọng sẽ trở thành một thành phần cốt lõi hiệu quả, đáng tin cậy và bền vững hơn của công nghệ phát hiện phóng xạ.