Giới thiệu

Kể từ khi được phát triển vào giữa thế kỷ 20, kỹ thuật đếm nhấp nháy chất lỏng đã trở thành nền tảng nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý hạt nhân, y sinh học và khoa học môi trường. Nguyên tắc cốt lõi nằm ở chỗ các hạt năng lượng được giải phóng trong quá trình phân rã của các đồng vị phóng xạ tương tác với chất lỏng nhấp nháy, chuyển đổi năng lượng thành các photon nhìn thấy được. Những 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 sự chú trọng vào kỹ thuật đếm nhấp nháy chất lỏng thường tập trung vào đầu dò hoặc chính chất lỏng nhấp nháy, nhưng các lọ chứa chất nhấp nháy, với vai trò là vật chứa trực tiếp bao bọc mẫu và chất lỏng nhấp nháy, lại là một yếu tố quan trọng tiềm ẩn quyết định sự thành công hay thất bại của thí nghiệm.

Việc thiết kế các lọ đo độ phát quang trong nghiên cứu hiện tại vẫn còn gặp 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 đo độ phát quang đến hiệu suất của chúng, đồng thời cung cấp cho các nhà nghiên cứu cơ sở lý thuyết và hướng dẫn thực tiễn trong việc lựa chọn và sử dụng lọ đo độ phát quang bằng cách phân tích chức năng, tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn vật liệu và nâng cao hiệu suất.Đồng thời, công ty cũng hướng tới xu hướng phát triển trong tương lai, hỗ trợ việc tối ưu hóa và mở rộng ứng dụng hơn nữa công nghệ LSC.

Tổng quan về công nghệ đếm nhấp nháy chất lỏng

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

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

2. Phân tích các phân khúc công nghệ chủ chốt

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

• Tối ưu hóa độ nhạy của đầu dòCác công nghệ phát hiện mới như điốt quang silicon với dải phổ rộng và độ nhiễu thấp phù hợp cho việc phát hiện tín hiệu ánh sáng yếu; mảng cảm biến đa kênh có thể được kết hợp với xử lý tín hiệu song song để tăng tốc độ phân tích mẫu năng suất cao.

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

Công nghệ đếm nhấp nháy chất lỏng cho phép phát hiện các đồng vị 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 và việc đóng gói cũng như tinh chế mẫu. Là thành phần cốt lõi của quá trình đóng gói mẫu, chất lỏng nhấp nháy đóng vai trò không thể thiếu trong các khâu 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 đặc điểm cốt lõi và thiết kế của lọ đo độ nhấp nháy

1. Chức năng của container

• Niêm phongCác lọ đo độ phóng xạ cần phải có khả năng niêm phong tuyệt vời để ngăn chặn sự rò rỉ khí phóng xạ đồng thời tránh các chất gây ô nhiễm từ bên ngoài xâm nhập vào bên trong lọ.

• Khả năng tương thíchCác lọ đo độ nhấp nháy cần phải tương thích với nhiều loại dung dịch nhấp nháy khác nhau để đảm bảo chúng không phản ứng hóa học hoặc biến dạng vật lý khi tiếp xúc lâu dài.

2. Lựa chọn vật liệu

• Thủy tinh: Độ truyền dẫn cao để tối đa hóa hiệu quả truyền photon; độ ổn định hóa học tuyệt vời, khả năng chống ăn mòn, phù hợp với nhiều loại dung dịch nhấp nháy; số lượng nhiễu nền thấp, phù hợp cho phát hiện độ nhạy cao. Tuy nhiên, thủy tinh dễ vỡ và nặng.

• NhựaLoại nhựa này nhẹ và chịu va đập tốt, dễ sử dụng và vận chuyển. Tuy nhiên, một số loại nhựa có chứa các đồng vị phóng xạ tự nhiên, kém ổn định về mặt hóa học và sẽ phản ứng với một số chất lỏng nhấp nháy.

• Hoàn thiện bề mặtCác vật liệu như silica được phủ lên thành trong của chai để tăng cường hiệu quả phản xạ và truyền ánh sáng, từ đó tăng lượng photon phát ra.

3. Tối ưu hóa hình dạng và cấu trúc

• Thiết kế mở nắp chaiKhe hở hẹp giúp giảm lưu lượng chất lỏng, giảm nhiễu tán xạ ánh sáng và cải thiện độ ổn định tín hiệu.

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

• Các thiết kế tối ưu khácCác lọ đo độ phóng xạ 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; các lọ siêu nhỏ phù hợp cho việc kiểm tra mẫu siêu nhỏ, giúp giảm lượng dung dịch đo độ phóng xạ và giảm chi phí.

Thiết kế và lựa chọn vật liệu của các lọ đo độ nhấp nháy có tác động đáng kể đến hiệu suất của chúng. Độ nhạy và độ chính xác của phương pháp đếm nhấp nháy chất lỏng có thể được cải thiện đáng kể bằng cách tối ưu hóa khả năng làm kín, tính 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 các lọ đo độ nhấp nháy sẽ được cải thiện hơn nữa để hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho sự phát triển của công nghệ đếm nhấp nháy chất lỏng (LSC).

Vai trò quan trọng của các lọ đo độ nhấp nháy

1. Độ nhạy phát hiện được nâng cao

• Độ ồn thấpGiảm 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 borosilicat hàm lượng kali thấp hoặc nhựa có độ tinh khiết cao để giảm hàm lượng các đồng vị 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 hơi ẩm lên chất lỏng nhấp nháy.

• Hiệu suất năng lượng caoĐộ truyền ánh sáng tối ưu của thành chai đảm bảo thu được tối đa ánh sáng nhấp nháy bởi bộ детектор.

2. Đảm bảo độ tin cậy của thí nghiệm

• Độ ổn định của mẫuKhả năng niêm phong lâu dài giúp ngăn ngừa sự bay hơi hoặc phân hủy, phù hợp cho các thí nghiệm kéo dài. Thiết kế nắp đậy chất lượng cao đảm bảo mẫu không bị rò rỉ hoặc nhiễm bẩn trong quá trình bảo quản hoặc vận chuyển lâu dài.

• Kiểm soát khả năng lặp lạiCác thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của vật chứa giúp giảm thiểu sai sót trong thí nghiệm giữa các lô, và việc sử dụng các lọ đo độ nhấp nháy có kích thước, hình dạng và chất liệu đồng nhất đảm bảo điều kiện thí nghiệm nhất quán.

3. Các kịch bản ứng dụng mở rộng

• Phát hiện thể tích siêu nhỏCác lọ đo độ phóng xạ siêu nhỏ hỗ trợ phân tích mẫu tốc độ cao và phù hợp cho việc phát hiện mẫu thể tích siêu nhỏ, giúp giảm tiêu thụ thuốc thử và chi phí thí nghiệm.

• Khả năng tương thích với điều kiện khắc nghiệtSử dụng kính chịu nhiệt cao hoặc vật liệu nhựa đặc biệt, sản phẩm phù hợp cho nghiên cứu trong môi trường đặc biệt, tiệt trùng bằng nồi hấp hoặc bảo quản ở nhiệt độ thấp.

Ống nghiệm nhấp nháy tăng cường độ nhạy phát hiện thông qua nhiễu nền thấp và truyền năng lượng hiệu quả trong công nghệ đếm nhấp nháy chất lỏng, đồng thời đảm bảo độ tin cậy của thí nghiệm thông qua kiểm soát độ ổn định và khả năng tái tạo của mẫu. Ngoài ra, thiết kế thu nhỏ và tương thích với các 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 học 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, tạo nền tảng vững chắc cho sự đổi mới và mở rộng ứng dụng của phương pháp đếm LSC.

Ví dụ ứng dụng thực tế

1. Lĩnh vực y sinh học

• Định lượng chất đánh dấu phóng xạ trong xét nghiệm miễn dịch phóng xạPhương pháp 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 các dấu ấn khối u. Các lọ nhấp nháy được sử dụng để chứa các 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 thông qua thiết kế có độ truyền cao và nền thấp.

2. Giám sát an toàn năng lượng hạt nhân

• Phát hiện dấu vết đồng vị phóng xạ trong chất thải hạt nhânChất 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 phát quang được sử dụng để đóng gói các chất chiết xuất từ ​​chất thải hạt nhân và chất lỏng phát quang để phát hiện bằng phương pháp chụp X-quang, ngăn ngừa sự rò rỉ vật liệu phóng xạ thông qua các vật liệu chống ăn mòn và lớp niêm phong kín.

3. Khoa học môi trường

• Theo dõi các chất phóng xạ trong các hạt khí dung trong khí quyểnCác đồng vị phóng xạ trong sol khí là những chỉ thị quan trọng cho việc nghiên cứu các quá trình khí quyển và ô nhiễm môi trường. Ống nghiệm nhấp nháy được sử dụng để thu thập và phát hiện các đồng vị phóng xạ trong mẫu sol khí, cải thiện độ nhạy phát hiện của 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 phẩmỐng nghiệm nhấp nháy có thể được sử dụng để phát hiện ô nhiễm phóng xạ trong thực phẩm.

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

• Khám phá thuốcLọ đo độ nhấp nháy được sử dụng cho các nghiên cứu động học chuyển hóa của thuốc được đánh dấu phóng xạ.

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

Những thách thức và hướng cải tiến

1. Những hạn chế hiện có

• Kính dễ vỡ dẫn đến rủi ro vận hành.Mặc dù các chai thủy tinh đo độ nhấp nháy có độ trong suốt cao và ổn định về mặt hóa học, nhưng độ 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 dẫn đến tăng chi phí thí nghiệm, đặc biệt là trong các thí nghiệm tự động hoặc có năng suất cao.

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

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

• Vấn đề chi phí và môi trườngCác vật liệu thủy tinh chất lượng cao hoặc nhựa chuyên dụng rất đắt tiền, và các lọ đo độ nhấp nháy dùng một lần có thể gây gánh nặng cho môi trường.

2. Đổi mới công nghệ

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

• Tối ưu hóa công nghệ xử lý bề mặtỨng dụng lớp phủ tăng cường quang học nano trên thành trong của chai để cải thiện hiệu quả truyền photon. Từ đó nâng cao hơn nữa độ nhạy phát hiện, phù hợp cho việc phát hiện các mẫu siêu nhỏ.

3. Tối ưu hóa công nghệ xử lý bề mặt

• Công nghệ phủ nanoCác lớp phủ tăng cường quang học ở cấp độ nano được phủ lên thành bên trong của các lọ nhấp nháy để cải thiện hiệu quả truyền photon. Điều này giúp tăng cường hơn nữa độ nhạy phát hiện và phù hợp cho việc phát hiện các mẫu ở nồng độ vết.

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

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

Kết luận và triển vọng

Ống nghiệm nhấp nháy, là thành phần cốt lõi của công nghệ đếm nhấp nháy chất lỏng (LSC), đóng vai trò không thể thiếu 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 giúp ống nghiệm nhấp nháy trở thành công nghệ đếm chất 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, các lọ đo độ phóng xạ 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 tiến bộ của công nghệ đếm độ phóng xạ lỏng mà còn cung cấp các công cụ và hỗ trợ mạnh mẽ hơn cho nghiên cứu trong các lĩnh vực vật lý hạt nhân, y sinh học và khoa học môi trường. Trong tương lai, các lọ đo độ phóng xạ 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.