液体闪烁测量技术

第三章液体闪烁测量技术

第一节液体闪烁计数的原理

一、液体闪烁测量的特点

液体闪烁（液闪）测量（liquid scintillating counting）是借助闪烁液作为射线能量传递的媒介来进行的一种放射性测量技术。它的技术特点是将待测样品完全溶解或均匀分散在液态闪烁体之中,或悬浮于闪烁液内,或将样品吸附在固体支持物上并浸没于闪烁液中，与闪烁液密切接触；因此射线在样品中的自吸收很少，也不存在探测器壁、窗和空气的吸收等问题，几何条件接近4π。所以，液闪测量对低能量、射程短的射线具有较高的探测效率，尤其是对样品中的3H和14C探测效率显著提高。目前商品供应的液体闪烁计数仪对3H的计数效率可达50%～60%，对14C及其他能量较高的β-射线可高达90%以上。

由于β-射线的电离密度大、在闪烁液中的射程短，绝大部分β-粒子的能量在闪烁液中被吸收，又因为闪烁过程中产生的光子数与β-射线的能量成正比，因而液体闪烁法也可用于β-谱测定。

液闪技术还可用于探测α射线、β+射线、低能γ射线，液闪仪也可用于契伦科夫（Cerenkov）辐射、生物发光和化学发光等方面的测量。液闪测量技术在示踪研究领域中，特别在医学生物学领域已成为最常用的技术之一。

二、液体闪烁测量的原理

液闪测量是对分散在闪烁液中的放射性样品进行直接计数，样品所发射的β-粒子的能量绝大部分先被溶剂吸收，引起溶剂分子电离和激发。大部分受激发分子（约90％）不参与闪烁过程，以热能的形式失去能量；其中部分激发的溶剂分子处于高能态，当其迅速地退激时，便将能量传递给周围的闪烁剂分子[第一闪烁剂（primary scintillator）），使之受激发。受激发的高能态闪烁剂分子退激复原时，能量发生转移，在瞬间发射出光子。当光子的光谱与液体闪烁计数器的光电倍增管阴极的响应光谱相匹配时，便通过光收集系统到达光电倍增管的阴极，转换成光电子，在光电倍增管内部电场作用下，形成次级电子，并被逐级倍增放

大，阳极收集这些次级电子后，便产生脉冲。再利用放大器、脉冲幅度分析器和定标器组成

-能谱，最后被记录下来（见图3-1）。整个闪烁过程发的电子线路，得到脉冲幅度谱，即β

生在闪烁杯内，是通过射线、溶剂与闪烁剂作用完成的。闪烁液中溶剂分子占99％以上，闪烁剂分子的浓度一般在1％以下。由于各种第一闪烁剂分子固有的发光光谱各不相同，为了与光电倍增管的光电阴极响应光谱相匹配，通常需加入第二闪烁剂（secondary scintillator），以达到光谱匹配的目的。

图3-1液体闪烁过程的机制示意图

（S*：激发的溶剂分子；F*：激发的闪烁剂分子；A：外分子；

B：光电子；Q：热能；h :荧光分子；能量转换）

三、常用液体闪烁计数器的类型

(一) 单管液体闪烁计数器

这类液体闪烁计数器是由单个光电倍增管构成的，是最早应用的一类液体闪烁计数器。由于光电倍增管的热噪声及样品受光照射后发出的磷光等因素影响，使得其本底计数增高（103以上）。热噪声信号的堆积幅度可与实际测量的信号幅度接近，这时需冷却以降低热噪声。所以，在应用时受到一定限制。

（二）双管液体闪烁计数器

现代液体闪烁计数器多为双管符合型的装置。探测系统中有两个光电倍增管，只有在符合电路分辨时间内，同时接收到的信号才能被记录下来，从而使本底计数率大大降低。因仪器增加了分析系统（放大器、分析器和定标器），可同时测量样品中两种或两种以上的放射性核素，或对样品进行淬灭校正。特别是微机引入之后，除保留原有的仪器功能外，还向多用途、多功能方向发展。

第二节闪烁液

闪烁液是产生闪烁过程的基础和能量转换的场所，是由一种或多种溶剂、闪烁剂和添加剂等成分组合而成的混合液体。

一、溶剂

溶剂是溶解闪烁剂和样品的介质，也是初始能量的吸收剂和转化剂，它能接受辐射能，初始激发发生在其分子中，并能有效地将辐射能转移给闪烁剂。按照溶剂的相对数量，和在闪烁过程中所起的作用，常分为第一溶剂和第二溶剂。

(一)第一溶剂

第一溶剂（primary solvent）是初始能量的吸收剂和转化剂。在电离辐射作用下，其分子被激发转变为初始激发分子，退激发时，将能量传递给第二溶剂或闪烁剂分子。常用的第一溶剂为烷基苯, 如甲苯、二甲苯、对二甲苯、异丙基二联苯和1，2，4-三甲苯。后三种溶剂的效率比前两种高，但由于价格昂贵，其应用不如前两种广泛。烷基苯类的最大缺点是不能与水互溶，对多数生物样品的溶解能力差，但仍是目前最常用的溶剂之一。

常用的另一类第一溶剂是脂肪族醚类溶剂，它对极性化合物溶解力低，能量传递效率不高。对于含水量较多的生物样品，1，4-二氧六环是首选，它能容纳大量的水，本身又是很多极性化合物的良好溶剂。其缺点是：有时含有氧化物等杂质，化学发光严重。

腈类化合物中的苯腈传递能量效率相当高，其淬灭耐受性较好，是一性质较好的第一溶剂，但毒性大，价格高，不宜常规使用。因对不少金属盐有较强的溶解能力，可在特殊实验中选用。

绝大多数极性溶剂（如乙醇、乙二醇、二甲醛等）的能量传递效率低，不能作为闪烁液的主要溶剂，但对不少极性化合物有较强的溶解能力，并能促进水与二甲苯等非极性溶剂互溶。因此这类溶剂常被用作助溶剂。

(二) 第二溶剂（secondary solvent）

为提高探测效率，有时在第一溶剂中加入第二溶剂，它的作用是吸收第一溶剂的能量，并将能量有效地传递给闪烁剂。如在效率低的溶剂或淬灭严重的样品中加入适量的萘，能显著地提高探测效率。一般认为萘是能量的中间传递者，所以称为第二溶剂。萘的使用浓度为60～150g／L，浓度过高时加入水溶性样品后会析出萘结晶，影响实验的稳定性和探测效率。

各类溶剂性能不同（表3-1），选择溶剂时主要依据能量传递效率，其次要考虑对样品的溶解能力、溶剂的冰点、纯度以及对荧光的透明度。一般来说，人们把甲苯和二甲苯作为脂溶性或固相样品的溶剂，二氧六环作为水溶性样品的溶剂。

表3-l 闪烁液常用的溶剂性能比较

溶剂14C相对计数率3H相对计数率冰点（0C）甲苯 1.00 1.00 —95

对二甲苯— 1.12 +12

二甲苯0.97 1.00 ≤20

1，2，4-三甲苯— 1.00 —61

苯甲醚 1.00 ——37

1，4-二氧六环0.70 0.34 +12

乙本醇二甲醚0.60 0.04 —71

苯腈0.98 0.76 —13