Phân tích kích hoạt nơtron (Neutron activation analysis)

Nguyên lý hoạt động

NAA dựa trên nguyên tắc bắt giữ nơtron của hạt nhân nguyên tử. Khi một mẫu được chiếu xạ với nơtron, một số hạt nhân trong mẫu sẽ bắt giữ nơtron, tạo ra các đồng vị phóng xạ. Các đồng vị này sau đó sẽ phân rã, phát ra bức xạ gamma có năng lượng đặc trưng cho từng nguyên tố. Bằng cách đo năng lượng và cường độ của bức xạ gamma này, có thể xác định được cả loại và nồng độ của các nguyên tố có trong mẫu. Việc sử dụng nơtron nhiệt (nơtron năng lượng thấp) thường được ưa chuộng trong NAA vì chúng có xác suất bắt giữ cao hơn bởi hầu hết các hạt nhân.

Quá trình này có thể được biểu diễn như sau:

$^{A}{Z}X + n \rightarrow ^{A+1}{Z}X^* \rightarrow ^{A+1}_{Z}Y + \gamma$

Trong đó:

• $^{A}_{Z}X$ là hạt nhân nguyên tố ban đầu.
• $n$ là nơtron.
• $^{A+1}_{Z}X^*$ là hạt nhân phóng xạ được tạo ra sau khi bắt giữ nơtron (ở trạng thái kích thích).
• $^{A+1}_{Z}Y$ là hạt nhân (thường) ổn định sau khi phân rã.
• $\gamma$ là bức xạ gamma phát ra.

Thời gian phân rã của hạt nhân kích thích ($^{A+1}_{Z}X^*$) có thể dao động từ vài giây đến vài năm, tùy thuộc vào đồng vị. Đặc điểm này được sử dụng để tối ưu hóa việc phân tích cho các nguyên tố cụ thể.

Các bước trong quá trình NAA

Quá trình NAA thường bao gồm ba bước chính:

1. Chiếu xạ: Mẫu được chiếu xạ với nơtron từ một nguồn nơtron, chẳng hạn như lò phản ứng hạt nhân hoặc máy gia tốc hạt. Thời gian chiếu xạ phụ thuộc vào độ nhạy mong muốn và đặc tính phân rã của các nguyên tố cần phân tích. Nơtron nhiệt thường được sử dụng do tiết diện bắt giữ lớn của chúng.
2. Đo lường: Bức xạ gamma phát ra từ mẫu được đo bằng máy dò gamma, thường là máy dò bán dẫn germanium (HPGe) độ phân giải cao. Máy dò này cho phép đo chính xác năng lượng của bức xạ gamma, từ đó xác định được các nguyên tố có mặt.
3. Phân tích: Phổ gamma thu được được phân tích để xác định năng lượng và cường độ của các đỉnh gamma. Các đỉnh này sau đó được so sánh với các thư viện phổ gamma chuẩn để xác định các nguyên tố có mặt trong mẫu. Định lượng nồng độ nguyên tố dựa trên cường độ đỉnh gamma và được tính toán bằng cách so sánh với các mẫu chuẩn đã biết nồng độ. Các phần mềm chuyên dụng được sử dụng để phân tích phổ gamma và tính toán nồng độ.

Ưu điểm của NAA

• Độ nhạy cao: NAA có thể phát hiện các nguyên tố ở nồng độ rất thấp, thường ở mức phần tỉ (ppb) hoặc thậm chí phần nghìn tỉ (ppt).
• Tính đa nguyên tố: NAA có thể xác định đồng thời nhiều nguyên tố trong một mẫu duy nhất.
• Không phá hủy/Ít phá hủy: Trong nhiều trường hợp, NAA là một phương pháp không phá hủy hoặc ít phá hủy, cho phép phân tích các mẫu quý giá hoặc không thể thay thế.
• Tính đại diện mẫu: Chỉ cần một lượng mẫu nhỏ để phân tích.
• Chuẩn bị mẫu tối thiểu: So với nhiều kỹ thuật phân tích khác, NAA yêu cầu chuẩn bị mẫu tối thiểu, giảm thiểu nguy cơ nhiễm bẩn.

Nhược điểm của NAA

• Cần nguồn nơtron: NAA yêu cầu tiếp cận với nguồn nơtron, điều này có thể hạn chế khả năng tiếp cận của nó.
• Chi phí: NAA có thể tốn kém, đặc biệt là khi sử dụng lò phản ứng hạt nhân.
• An toàn bức xạ: Cần phải tuân thủ các quy định an toàn bức xạ nghiêm ngặt khi làm việc với các nguồn nơtron và vật liệu phóng xạ.
• Không thể phân biệt được các đồng vị: NAA không thể phân biệt giữa các đồng vị khác nhau của cùng một nguyên tố (ngoại trừ một số trường hợp đặc biệt). Nó chỉ đo tổng nồng độ của nguyên tố.
• Một số nguyên tố khó xác định: Một số nguyên tố có tiết diện bắt giữ nơtron thấp hoặc tạo ra các đồng vị phóng xạ có thời gian phân rã ngắn hoặc dài, khiến chúng khó phân tích bằng NAA.

Ứng dụng của NAA

NAA có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau, bao gồm:

• Khảo cổ học: Xác định nguồn gốc của các đồ tạo tác cổ, phân tích thành phần của gốm sứ và các vật liệu khảo cổ khác để tìm hiểu về công nghệ và giao thương trong quá khứ.
• Địa chất: Phân tích thành phần của đá và khoáng sản, thăm dò khoáng sản, nghiên cứu địa hóa và xác định tuổi của đá.
• Khoa học môi trường: Theo dõi ô nhiễm trong không khí, nước và đất, phân tích thành phần của các chất ô nhiễm và đánh giá tác động môi trường.
• Y học pháp y: Phân tích bằng chứng tội phạm, xác định nguồn gốc của vật liệu và truy tìm dấu vết.
• Khoa học vật liệu: Nghiên cứu thành phần và cấu trúc của vật liệu, kiểm tra chất lượng và phát triển vật liệu mới.
• Nông nghiệp: Phân tích thành phần dinh dưỡng của đất và cây trồng, nghiên cứu sự hấp thụ chất dinh dưỡng và đánh giá chất lượng nông sản.

Các loại NAA

Có hai loại NAA chính:

• NAA tức thời (PGNAA – Prompt Gamma Neutron Activation Analysis): Trong PGNAA, bức xạ gamma phát ra trong quá trình bắt giữ nơtron được đo trực tiếp. Phương pháp này cho phép phân tích các nguyên tố nhẹ như hydro, boron, carbon và nitơ, mà không thể đo được bằng NAA thông thường. PGNAA thường được sử dụng cho các ứng dụng phân tích trực tuyến hoặc tại chỗ.
• NAA trễ (DGNAA – Delayed Gamma Neutron Activation Analysis): DGNAA là phương pháp NAA phổ biến hơn, trong đó bức xạ gamma phát ra từ sự phân rã của các hạt nhân phóng xạ được tạo ra sau khi bắt giữ nơtron được đo. Phương pháp này phù hợp hơn cho việc xác định hầu hết các nguyên tố khác ngoài các nguyên tố nhẹ. DGNAA cung cấp độ nhạy cao hơn cho nhiều nguyên tố so với PGNAA.

So sánh NAA với các kỹ thuật phân tích khác

NAA có những ưu điểm và nhược điểm so với các kỹ thuật phân tích khác như XRF (huỳnh quang tia X) và ICP-MS (phổ khối plasma ghép cảm ứng). NAA thường nhạy hơn XRF đối với nhiều nguyên tố, đặc biệt là các nguyên tố vết. So với ICP-MS, NAA ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng ma trận và không yêu cầu chuẩn bị mẫu phức tạp. Tuy nhiên, NAA yêu cầu nguồn nơtron, điều mà XRF và ICP-MS không cần. XRF và ICP-MS thường nhanh hơn NAA, nhưng NAA có thể cung cấp thông tin về thành phần đồng vị.

Các yếu tố ảnh hưởng đến NAA

Một số yếu tố có thể ảnh hưởng đến độ chính xác và độ nhạy của NAA, bao gồm:

• Thông lượng và năng lượng nơtron: Thông lượng nơtron cao hơn dẫn đến độ nhạy cao hơn. Năng lượng nơtron cũng ảnh hưởng đến tiết diện bắt giữ nơtron của các nguyên tố khác nhau.
• Thời gian chiếu xạ và thời gian phân rã: Thời gian chiếu xạ và thời gian phân rã được tối ưu hóa để tối đa hóa tỉ lệ tín hiệu trên nhiễu.
• Hiệu ứng ma trận: Thành phần của ma trận mẫu có thể ảnh hưởng đến sự hấp thụ và tán xạ của nơtron và tia gamma, dẫn đến sai số trong phân tích. Các kỹ thuật hiệu chỉnh như chuẩn nội hoặc chuẩn thêm được sử dụng để khắc phục vấn đề này.
• Giao thoa: Sự giao thoa từ các đỉnh gamma của các nguyên tố khác nhau có thể gây khó khăn cho việc định lượng chính xác.

Xu hướng phát triển trong NAA

Các xu hướng phát triển trong NAA bao gồm:

• Sử dụng nguồn nơtron nhỏ gọn: Sự phát triển của các nguồn nơtron nhỏ gọn, như máy gia tốc neutron, làm cho NAA dễ tiếp cận hơn.
• Kỹ thuật k0-NAA (k0-Neutron Activation Analysis): k0-NAA là một phương pháp tiêu chuẩn hóa cho phép định lượng chính xác hơn mà không cần sử dụng chuẩn.
• Phát triển phần mềm phân tích: Phần mềm phân tích phổ gamma tiên tiến giúp cải thiện độ chính xác và hiệu quả của việc phân tích dữ liệu NAA.
• Kết hợp NAA với các kỹ thuật phân tích khác: Việc kết hợp NAA với các kỹ thuật khác như XRF hoặc ICP-MS có thể cung cấp thông tin bổ sung và cải thiện độ chính xác của phân tích.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào để lựa chọn giữa PGNAA và DGNAA cho một ứng dụng cụ thể?

Trả lời: Việc lựa chọn giữa PGNAA và DGNAA phụ thuộc vào một số yếu tố, bao gồm các nguyên tố cần phân tích, ma trận mẫu và các yêu cầu về độ nhạy. PGNAA phù hợp hơn cho việc phân tích các nguyên tố nhẹ (như H, B, C, N) và cung cấp kết quả nhanh chóng. DGNAA phù hợp hơn cho việc phân tích hầu hết các nguyên tố khác và thường có độ nhạy cao hơn đối với nhiều nguyên tố, nhưng yêu cầu thời gian phân rã.

Hiệu ứng ma trận ảnh hưởng đến NAA như thế nào và làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng này?

Trả lời: Hiệu ứng ma trận xảy ra khi thành phần của ma trận mẫu ảnh hưởng đến sự hấp thụ và tán xạ của nơtron và tia gamma, dẫn đến sai số trong phân tích. Để giảm thiểu ảnh hưởng này, có thể sử dụng các kỹ thuật hiệu chỉnh như chuẩn nội (thêm một lượng đã biết của một nguyên tố vào mẫu) hoặc chuẩn thêm (thêm một lượng đã biết của chất phân tích vào mẫu). Kỹ thuật k0-NAA cũng giúp giảm thiểu ảnh hưởng ma trận.

Ngoài lò phản ứng hạt nhân, còn nguồn nơtron nào khác có thể được sử dụng cho NAA?

Trả lời: Ngoài lò phản ứng hạt nhân, các nguồn nơtron khác có thể được sử dụng cho NAA bao gồm máy gia tốc neutron (dùng phản ứng tổng hợp hạt nhân để tạo ra nơtron), nguồn neutron đồng vị phóng xạ (như $^{252}Cf$), và nguồn neutron dựa trên phản ứng phân hạch tự phát (như $^{241}AmBe$).

Độ nhạy của NAA so với các kỹ thuật phân tích nguyên tố khác như thế nào?

Trả lời: NAA thường có độ nhạy cao hơn so với XRF (huỳnh quang tia X) đối với nhiều nguyên tố, đặc biệt là các nguyên tố vết. So với ICP-MS (phổ khối plasma ghép cảm ứng), NAA ít bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng ma trận và không yêu cầu chuẩn bị mẫu phức tạp, tuy nhiên ICP-MS thường có độ nhạy tốt hơn cho nhiều nguyên tố. Sự lựa chọn kỹ thuật phân tích tốt nhất phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể và các yêu cầu phân tích.

Tại sao NAA được coi là một kỹ thuật “không phá hủy” hoặc “ít phá hủy”?

Trả lời: NAA được coi là “không phá hủy” hoặc “ít phá hủy” vì trong nhiều trường hợp, mẫu vật không bị thay đổi về mặt vật lý hoặc hóa học sau khi phân tích. Mặc dù mẫu tiếp xúc với bức xạ, nhưng liều lượng thường thấp và không làm thay đổi đáng kể tính chất của mẫu. Điều này cho phép phân tích các mẫu vật quý giá hoặc không thể thay thế. Tuy nhiên, một số mẫu có thể trở nên hơi phóng xạ sau khi chiếu xạ, mặc dù mức phóng xạ này thường thấp và phân rã theo thời gian.