Untitled Science & Technology Development, Vol 19, No T5 2016 Trang 154 Xác định hàm lượng selenium trong mẫu sinh học bằng phương pháp trùng phùng gamma gamma Trương Văn Minh Trường Đại Học Đồng Na[.]
Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 Xác định hàm lượng selenium mẫu sinh học phương pháp trùng phùng gamma - gamma Trương Văn Minh Trường Đại Học Đồng Nai Phạm Đình Khang Nguyễn Xuân Hải Viện Nghiên Cứu Hạt Nhân, Đà Lạt Nguyễn An Sơn Trường Đại Học Đà Lạt Nguyễn Đắc Châu Học Viện hải quân Nha Trang (Bài nhận ngày 25 tháng 10 năm 2015, nhận đăng ngày 02 tháng 12 năm 2016) TĨM TẮT Tại lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt, phương pháp trùng phùng gamma - gamma thành công nghiên cứu số liệu hạt nhân Bằng phương pháp này, số phịng thí nghiệm giới thử nghiệm phân tích kích hoạt mẫu địa chất, mẫu sinh học mẫu mơi trường Trong báo này, trình bày kết xác định hàm lượng selenium mẫu sinh học phương pháp trùng phùng gamma - gamma Kết cho thấy phương pháp loại bỏ ảnh hưởng phơng compton phân tích selenium cải thiện tỷ số đỉnh phông 64,2 lần, giới hạn phát 8,9 lần so với phương pháp đo đơn sử dụng đầu dị Từ khóa: phân tích kích hoạt, trùng phùng gamma-gamma, selenium MỞ ĐẦU Hiện nay, phương pháp trùng phùng gamma - gamma ứng dụng chủ yếu nghiên cứu số liệu cấu trúc hạt nhân Nhờ khả giảm phông chọn lựa cặp đỉnh gamma nối tầng sơ đồ phân rã, nên phương pháp bắt đầu nghiên cứu ứng dụng phân tích kích hoạt (INAA) [1-4] Một số trung tâm nghiên cứu lớn phương pháp INAA ứng dụng hệ trùng phùng phân tích kích hoạt Đáng ý kể đến nhóm nghiên cứu Y Hatsukawa [1], nhóm nghiên cứu sử dụng hệ đo trùng phùng với 12 đầu dò Ge, kết xác định hàm lượng 24 nguyên tố mẫu chuẩn địa chất Cục Địa chất Nhật Bản Trang 154 Các nghiên cứu khác nhóm B.E Tomlin [3] phân tích đồng vị mẫu chuẩn Bovine Liver SRM-1577 phương pháp trùng phùng gamma - gamma, chứng tỏ tỉ số đỉnh phông đỉnh quan tâm đồng vị tăng lên đáng kể so với đo đơn sử dụng đầu dị Trong phân tích kích hoạt đo selenium mẫu địa chất, sinh học, môi trường phương pháp đo sử dụng hệ đầu dò bị nhược điểm lớn cản trở q trình phân tích xác định định lượng selenium đỉnh gamma 75 Se giải kích thích bị đỉnh lượng đồng vị khác can nhiễu, cụ thể: - Đỉnh lượng 121,8 keV bị ảnh hưởng đỉnh 121,1 keV 152Eu; TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 - Đỉnh lượng 136,0 keV bị ảnh hưởng đỉnh 136,3 keV 181Hf; tích nhanh phân tích kích hoạt neutron lặp vòng [5-7] - Đỉnh lượng 264,7 keV bị ảnh hưởng đỉnh 264,1 keV 182Ta; Trong nghiên cứu này, sử dụng kỹ thuật đo trùng phùng gamma - gamma ghi theo phương pháp ―sự kiện - kiện‖, xử lý phổ phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng để xác định hàm lượng nguyên tố selenium mẫu phân tích Ở phương pháp này, sử dụng cặp chuyển dời gamma nối tầng giải kích thích 75Se theo sơ đồ phân rã trình bày Hình Phương pháp trùng phùng gamma - gamma loại bỏ đồng vị can nhiễu mà khơng phải sử dụng biện pháp tách hóa hay sử dụng đồng vị 77m Se - Đỉnh lượng 279,5 keV bị ảnh hưởng đỉnh 279,1 keV 203Hg Để giải vấn đề trên, kỹ thuật tách hóa sử dụng để loại bỏ đồng vị nhiễu Vấn đề tách hóa địi hỏi kỹ thuật, kinh phí phức tạp phân tích Một phương pháp thực đo đặc trưng đồng vị sống ngắn 77mSe (chu kỳ bán rã 17,4 giây), sử dụng đồng vị địi hỏi phải có hệ phân Hình Sơ đồ phân rã 75Se Trang 155 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP Chuẩn bị mẫu Mẫu phân tích sử dụng mẫu Tuna Fish, IAEA-436, khối lượng 115,8 mg, kí hiệu mẫu: Fi-33h Mẫu đựng túi nylon hàn kín, kích thước 10 mm 10 mm Mẫu chiếu mâm quay lò phản ứng hạt nhân Đà lạt Thơng lượng neutron vị trí chiếu mẫu ~3,761012 n/cm2/s Hình trình bày hình học bia mẫu vị trí kênh chiếu lị phản ứng hạt nhân Đà Lạt A B Hình A Hình dạng hộp chứa mẫu B Sơ đồ mâm quay chiếu xạ lò phản ứng hạt nhân Đà Lạt (1) Bộ truyền động vị trí thanh; (2) Giếng hút; (3) Ống đặt lấy mẫu; (4) Hốc chiếu xạ; (5) Vành phản xạ graphite Mâm quay có chiều cao 30 cm, đặt mặt vành phản xạ graphite, bao gồm rãnh nhôm để chứa mẫu suốt thời gian chiếu xạ Trên rãnh có 40 giống nhơm, mở phía đóng lại đáy, sử dụng để đặt hộp đựng mẫu chiếu xạ Các lỗ có đường kính 31,75 mm chiều cao 274 mm Một hệ thống bao gồm đòn bẫy tay, phận truyền động ống nạp thẳng đứng cho phép nạp hộp chứa mẫu vào ô từ mặt lò phản ứng Sơ đồ hệ thực nghiệm Cấu hình hệ đo trùng phùng sử dụng nghiên cứu mơ tả Hình Hình Hệ đo cách bố trí thí nghiệm Trang 156 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Trong đó: HPGe I HPGe II hai đầu dò bán dẫn GMX35, hiệu suất ghi tương đối độ phân giải lượng 1332 keV đầu dò I 35 % 1,9 keV; đầu dò II 38 % 1,9 keV Mẫu đo đặt hai đầu dò, song song với mặt đầu dò, khoảng cách từ mẫu tới đầu dò cm Các tham số hệ đo lựa chọn theo phương pháp tài liệu tham khảo [8] Ở chế độ đo thường, hiệu suất ghi lớn, nên mẫu đo với thời gian Trong chế độ trùng phùng, hiệu suất ghi thấp, nên mẫu đo với thời gian 75 Số liệu lưu trữ theo phương pháp kiện – kiện nhằm loại bỏ vấn đề trôi kênh với phép đo dài, xử lý theo phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng Xử lí số liệu [C2, B2] xem phổ kiện trùng phùng ngẫu nhiên tạo Phổ chưa loại trừ phông trừ cho phổ phông, diện tích đỉnh phổ trùng phùng tính cách tổng số đếm kênh vùng đỉnh với độ tin cậy 2 Tỉ số diện tích đỉnh/phơng hai trường hợp sử dụng để đánh giá giới hạn phát hai phương pháp Ngồi giới hạn phân tích đánh giá theo công thức sau [9]: CDL 3, 29C 1 p B P P t B t (1) đó: CDL giới hạn đo tính theo đơn vị hàm lượng (ppm); Phổ đo chế độ đo đơn thơng thường, chương trình FitzPeak sử dụng để xác định diện tích đỉnh quan tâm phổ C hàm lượng đồng vị quan tâm mẫu phân tích (ppm); Trong chế độ đo trùng phùng ―sự kiện - kiện‖, để đánh giá tốc độ trùng phùng đỉnh quan tâm với đỉnh khác, phương pháp chọn phổ gate sử dụng Giả sử gọi C1 C2 vị trí tương ứng với chân trái chân phải đỉnh quan tâm, kiện trùng phùng tương ứng với kiện có biên độ (hoặc lượng) khoảng [C1, C2] xét Phổ tương ứng với kiện bao gồm kiện trùng phùng thực trùng phùng ngẫu nhiên B diện tích phơng đỉnh (số đếm); Để đánh giá phông trùng phùng ngẫu nhiên gây phổ, phổ phông chọn kỹ thuật bù trừ với vùng phông lân cận đỉnh sử dụng Thuật toán sử dụng sau: giả sử gọi B1 B2 vị trí chân trái chân phải vùng phơng tương ứng với đỉnh, kiện trùng phùng tương ứng với kiện có biên độ lượng nằm vùng phông bên trái [B1, C1] vùng phơng bên phải P diện tích đỉnh phổ (số đếm); T thời gian đo mẫu (giây); ɳP ɳB số Hàm lượng selenium mẫu (ở chế độ đo đơn đo trùng phùng) xác định công thức sau: N p / tc W D C a N p / tc W D C s (2) đó: hàm lượng nguyên tố cần phân tích; Np số đếm đỉnh đồng vị quan tâm mẫu chuẩn mẫu phân tích; W khối lượng mẫu phân tích (g); W khối lượng nguyên tố quan tâm mẫu chuẩn = hàm lượng khối lượng mẫu chuẩn (g); Trang 157 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 D hệ số rã = exp(- td) , td thời gian phân rã; phép đo trùng phùng trình bày Bảng Hình C hệ số đo = [1 – exp(- tc)]/( tc); 2 1000 400 600 800 1000 15 10 (3) Với 75Se, cặp đỉnh 121 keV - 279 keV 136 keV - 264 keV cặp gamma nối tầng có cường độ lớn Căn vào phân tích sơ đồ phân rã hạt nhân 75Se, cặp đỉnh gamma 136 keV-264 keV phát nối tầng có cường độ lớn nhất, sử dụng cặp cho kết tốt 800 30 gate 136 264 keV N w W S S a N S wS Wa 600 20 Soá ñeám N 2 a N a 20 Số đếm Áp dụng cơng thức truyền sai số, có cơng thức tính sai số tương đối sau: 400 136 keV Kí hiệu: a mẫu phân tích s mẫu chuẩn 200 gate 264 25 10 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Mẫu sau chuẩn bị đặt container nhôm kích hoạt neutron mâm quay lị phản ứng Hạt nhân Đà Lạt thời gian 10 Mẫu sau chiếu để rã với thời gian 60 ngày Sau mẫu đo hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma ghi theo phương pháp kiện - kiện; đồng thời sử dụng mẫu để đo hệ đầu dò để so sánh, đối chiếu Ở chế độ đo trùng phùng, cặp đỉnh lượng chọn làm gate 136 keV–264 keV để loại bỏ ảnh hưởng phông lên kết phân tích selenium mẫu Kết Trang 158 0 200 Năng lượng E(keV) Hình Phổ gate chế độ đo trùng phùng Bảng Số liệu Se mẫu Tuna fish đo trùng phùng Năng lượng gate (keV) Đỉnh quan tâm (keV) Diện tích đỉnh Diện tích phơng Tỷ số đỉnh phông Giới hạn phát (ppm) 264 136 75 (1) 25 0,13 136 264 77 (1) 77 0,07 TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 Ở chế độ đo đơn sử dụng đầu dò, tiến hành đo toàn dải lượng 75Se Bảng 2, Hình trình bày số kết thu Bảng Số liệu selenium mẫu Tuna Fish đo đơn sử dụng đầu dò Đỉnh quan tâm (keV) Diện tích đỉnh Diện tích phơng Tỷ số đỉnh phông Giới hạn phát (ppm) 136 126 (35) 149 0,85 0,74 264 164 (21) 137 1,2 0,62 60 40 Từ kết đo phổ gamma cho hai trường hợp đo trùng phùng đo đơn sử dụng đầu dò, hàm lượng selenium mẫu trình bày Bảng Kết phân tích định lượng phương pháp trùng phùng gamma – gamma phù hợp so với chứng nhận mẫu chuẩn [10] sai số nhỏ giá trị đo đơn có sai số lớn Bảng Hàm lượng Se mẫu 264 keV Số đếm 80 121 keV 136 keV 100 số đếm đỉnh quang điện – vùng phông đỉnh phải > lần độ tin cậy có ý nghĩa thực tiễn Do vậy, với kết trình bày Bảng trường hợp đo đơn sử dụng đầu dò thực nghiệm phông cao, nên dùng để xác định định lượng selenium mẫu phân tích sai số lớn ý nghĩa không cao Năng lượng (keV) Hàm lượng (mg/kg) Đo đơn Đo trùng phùng Chứng nhận [10] 4,67 ± 1,27 4,65 ± 0,49 4,63 ± 0,48 20 264 (keV) 200 400 600 800 1000 Năng lượng E(keV) Hình Phổ đo đơn sử dụng đầu dò Kết đo đơn đo trùng phùng mẫu Tuna Fish cho thấy: - Ở phương pháp đo trùng phùng, kết khơng cịn ảnh hưởng phơng compton từ đỉnh gamma lượng cao lên đỉnh lượng thấp Tỷ số đỉnh phông cải thiện đáng kể, cụ thể là: đỉnh 136 keV 29,4 lần đỉnh 264 keV 64,2 lần Giới hạn phát cải thiện 5,7 lần đỉnh 136 keV 8,9 lần đỉnh 264 keV - Ở phương pháp đo đơn sử dụng đầu dị, ảnh hưởng phơng liên tục tán xạ compton lên đỉnh có cường độ phát thấp Kết cho thấy tỉ số đỉnh phông thấp (~1) Về mặt thực nghiệm vật lý hạt nhân, điều kiện tối thiểu tỉ số KẾT LUẬN Kỹ thuật đo trùng phùng gamma – gamma cho thấy khả ứng dụng tốt số trường hợp phân tích INAA khả tách phơng khỏi phổ thu nhận phần cứng chương trình xử lý Kỹ thuật loại bỏ ảnh hưởng phông compton chồng chập đỉnh gamma vào việc xác định selenium Kết cho thấy phương pháp trùng phùng gamma – gamma ứng dụng thành công trường hợp phân tích định tính định lượng nguyên tố có mẫu bị ảnh hưởng can nhiễu từ đồng vị khác, từ đỉnh lượng Ưu điểm phương pháp tách bốc thành phần liên tục tán xạ compton chồng chập đỉnh lượng có cường độ phát lớn Đây hướng Trang 159 Science & Technology Development, Vol 19, No.T5-2016 giải cho tốn phân tích kích hoạt khơng phải sử dụng phương pháp tách hóa hay phương pháp vòng lặp Ưu điểm phương pháp cho độ nhạy cao Nghiên cứu bước đầu cho thấy khả ứng dụng hệ phổ kế trùng phùng gamma gamma phân tích kích hoạt lị phản ứng Hạt nhân Đà Lạt Tuy nhiên, nghiên cứu cho thấy, hạn chế phân tích kích hoạt đo trùng phùng gamma - gamma hiệu suất ghi thấp Do đó, để có mức sai số thống kê thời gian đo với trùng phùng gamma - gamma phải dài so với đo đơn thơng thường Lời cảm ơn: Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn đến Ban lãnh đạo Viện nghiên cứu Hạt nhân, Ban lãnh đạo Phòng Vật lí điện tử tạo điều kiện cho nhóm tiến hành thực nghiệm hệ phổ kế trùng phùng gamma - gamma kênh thực nghiệm số lò phản ứng Hạt nhân Đà Lạt Determination of the selenium content in biological samples by gamma - gamma coincidence method Truong Van Minh Đồng Nai Univesity Pham Dinh Khang Nguyen Xuan Hai Đà Lạt Nuclear research Institute Nguyen An Son Đà Lạt Univesity Nguyen Dac Chau Nha Trang Naval Academy ABSTRACT At Dalat nuclear research reactor, the – gamma coincidence method The results gamma - gamma coincidence method is eficiently showed that the compton scattering was used in data nuclear research direction By this suppressed The ratio of peak counts/back was method, some laboratories in the world test improved up to 64.2 times The detection limit for neutron activation analysis of geological, selenium in biological sample was enhanced to biological and environmental samples In this 8.9 times to compare to the method one detector paper, we present the determination of the system selenium content in biological sample by gamma Keywords: Neutron activation analysis, gamma - gamma coincidence, selenium TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Y Hatsukawa et al, Application of multiparameter coincidence spectrometry usinga Ge detectors array to neutron activation analysis, Nuclear Instruments and Trang 160 Methods in Physics Research A, 482, 328– 333 (2002) [2] M Oshima et al, Development of a New method of neutron activation analysis with multiple gamma-ray detection – A high- TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 19, SỐ T5- 2016 [3] [4] [5] [6] sentivity and non-destructive trace element analysis, Journal of Nuclear Science and Technology, 2, 1369–1371 (2002) B.E Tomlin, R Zeisler, R.M Lindstrom, Gamma-gamma coincidence spectrometer for instrumental neutron-activation analysis, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 589, 243–249 (2008) S Horne, S Landsberger, selenium and mercury determination in biological samples using gamma–gamma coincidence and Compton suppression, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 291, 49–53 (2012) Mc Dowell, Determination of selenium in individual food items using the short-lived nuclide 77 mSe, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 110, 519–529 (1987) H Zhang, Cyclic neutron activation analysis for determination of selenium in food 77m samples using Se, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 281, 23–26 (2009) [7] W Zhang, Determination of selenium in foods by pseudo-cyclic neutron activation and anti-coincidence gamma-ray spectrometry, Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 282, 139–143 (2009) [8] P.D Khang, V.H Tan, N.X Hai, N.N Dien, Gamma-gamma coincidence spectrometer setup for neutron activation analysis and nuclear structure studies, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 634, 47–51 (2011) [9] D.A Gedcke, How counting statistics controls detection limits and peak precision, AN59 Application Note, ORTEC [10] IAEA, Trace elements and methylmercury in tuna fish flesh homogenate 2006, Reference Material® IAEA 436 Trang 161 ... thuật đo trùng phùng gamma - gamma ghi theo phương pháp ―sự kiện - kiện‖, xử lý phổ phương pháp cộng biên độ xung trùng phùng để xác định hàm lượng nguyên tố selenium mẫu phân tích Ở phương pháp. .. gamma cho hai trường hợp đo trùng phùng đo đơn sử dụng đầu dò, hàm lượng selenium mẫu trình bày Bảng Kết phân tích định lượng phương pháp trùng phùng gamma – gamma phù hợp so với chứng nhận mẫu. .. compton chồng chập đỉnh gamma vào việc xác định selenium Kết cho thấy phương pháp trùng phùng gamma – gamma ứng dụng thành cơng trường hợp phân tích định tính định lượng ngun tố có mẫu bị ảnh hưởng