数值引导的微流控芯片实验室平台开发及其在β发射放射性核素切伦科夫辐射检测中的应用

《Talanta》：Numerically guided development of a microfluidic lab-on-chip platform for Cherenkov detection of β-emitting radionuclides

　　微流控芯片实验室（LoC）系统在紧凑装置内将流体处理与检测微缩化，能够在原位或就地实现放射性测量分析，同时减少样品处理和二次废物的产生。然而，用于指导放射性测量微流控系统中光子收集的数值光学建模研究仍然较为有限。本研究将有限元射线追踪作为对比设计工具，并结合实验验证，开发了一种基于切伦科夫辐射的、用于纯 β 发射放射性核素的微流控平台。研究制备并集成了两种微流控检测单元（MDU），分别采用单通道和双通道蛇形几何结构，并与光电倍增管检测系统耦合。该模型对比了通道几何结构、反射背衬以及探测器耦合对到达探测器的光线数量的影响。采用 ??Sr/??Y、3?Cl 和 ??Tc 进行的实验验证评估了系统对多种 β 发射放射性核素的响应。两种 MDU 在测试活度范围内均表现出近似线性的计数率增长（R2 > 0.96），而模型计算结果与实验响应的相对趋势保持一致（R2 > 0.91）。单通道 MDU 实现了更低的最小可探测活度，为 21 Bq；而容积更大的双通道 MDU 实现了更低的活度浓度检测阈值，为 18.2 kBq L?1，相比之下单通道配置的阈值为 26.3 kBq L?1。第二个通道增加了总检测信号，但其增幅并不与样品容积 3.5 倍的增加成比例，表明来自较深通道的光子收集效率有所下降。本工作展示了建模指导下的优化对开发放射性测量微流控分析平台的价值，并突出了基于切伦科夫辐射的 LoC 系统在紧凑的在线或原位放射性核素监测方面的潜力，尤其是在经过适当的样品制备或放射化学分离之后。Lab-on-chip（LoC）系统在紧凑的分析装置内将流体处理、化学加工和检测微缩化。对于纯 β 发射的放射性核素，这类平台可以将样品传输与所需的放射化学分离或预浓缩相结合，并与下游的放射性测量检测相耦合。这种集成化设计可以支持环境监测、核过程控制以及放射性核素分析，同时减少样品处理、二次废物产生和人工干预 [1], [2]。然而，光学检测与放射性测量 LoC 装置的数值指导优化相结合的做法很少见。在核应用中的实施需要微流控装置与放射性测量探测器之间可靠的耦合，并需在具有代表性的工况下进行验证 [3]。此前的放射化学 LoC 研究主要关注放射性药物的生产与成像 [4], [5], [6], [7], [8], [9]、质量控制 [10], [11], [12], [13]、放射生物剂量测定 [14]，以及用于核燃料应用的放射性核素分离 [15], [16], [17]。该领域的综述文献指出，将紧凑的光学探测器与微流控分离和预浓缩系统集成仍十分有限 [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25]。切伦科夫探测本身并不具有放射性核素选择性，因为不同的 β 发射体产生的光子无法通过现有的基于光电倍增管的系统加以区分。因此，对复杂的环境或废物样品进行分析将需要事先的样品表征，并在必要时进行选择性放射化学分离。例如，在测量 ??Sr 之前需要去除 ??K，而如果 ??Sr 和 ??Sr 同时存在于同一组分中，则无法直接加以区分。因此，MDU 的预期用途是作为针对已表征的工艺流或废物流的紧凑型探测器，或作为经过适当样品制备和放射化学分离之后的下游组件。放射性测量 LoC 平台通常由微流控芯片、流体控制系统和探测器组成 [15]。探测可以基于切伦科夫辐射，也可以基于由闪烁体产生的光 [13], [26], [27], [28]。此前的研究已探讨了探测器性能 [12]、闪烁体效率 [29] 以及微流控芯片材料。装置优化通常依赖于实验原型制造或蒙特卡洛粒子输运模拟，包括基于 Geant4 的方法 [30], [31]。本文所引用的这些研究中，这些模拟主要考察的是电离粒子的输运，而不是整个微流控装置内光学光子的收集。有限元和射线追踪方法可用于比较装置几何结构、材料、反射表面和探测器位置如何影响光学光子的传播路径 [27], [32], [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40], [41], [42], [43], [44]。在此前工作中，我们开发了数值模型，用于考察放射性测量微流控系统中通道尺寸、材料和表面反射率的影响，并使用化学发光作为非放射性光子源来验证相对趋势 [45]。本研究将这一对比建模方法扩展到基于切伦科夫辐射的探测中。放射性测量 LoC 系统所用的小样品容积限制了探测器内存在的总活度，从而限制了可用于测量的光子数量。因此，优化通道几何结构和光学耦合对于提高检测信号至关重要。为研究通道几何结构、样品容积和反射背衬的影响，本研究开发了两个原型微流控检测单元（MDU）。单通道 MDU 包含一个宽 0.8 mm、深 0.5 mm 的蛇形通道。双通道 MDU 额外增加了一个深 3 mm 的重叠通道，将总样品容积从 0.8 mL 增加到 2.8 mL。MDU 通过 CNC 微铣加工制造，并与基于光电倍增管的光学检测系统耦合。使用 ??Sr/??Y、3?Cl 和 ??Tc 进行的实验测量用于评估系统对若干 β 发射放射性核素的响应。单通道 MDU 实现了更低的最小可探测总活度，而容积更大的双通道 MDU 实现了更低的活度浓度检测阈值。在此，有限元射线追踪被用作对比光学设计工具，并结合实验放射性测量，用于评估单通道和双通道 MDU 中的相对光子输运情况。该模型并非旨在重现完整的 β 衰变过程或预测探测器的绝对效率。相反，本研究考察的是相对光学趋势是否能够支持紧凑型切伦科夫探测器的早期阶段开发，用于已表征的工艺流或经适当样品制备或放射化学分离后获得的放射性核素组分。COMSOL Multiphysics? 5.6 版本被用作追踪光学光线在微流控检测单元（MDU）中传播路径的数值平台 [46]。采用射线光学模块来考察通道几何结构、材料界面、反射背衬和探测器位置如何影响到达探测器的光线相对数量。该模型并未模拟完整的放射性衰变过程或光电倍增管的电子响应。单通道和双通道……??Sr/??Y、3?Cl 和 ??Tc 放射性核素示踪剂储备液（英国 Amersham plc 公司）使用超纯水（UHP；18.2 MΩ-cm）稀释至所需活度。完整的来源标识、初始活度和稀释细节提供在补充信息的第 S1.2 节中。制备了两个由 PMMA 制成的原型微流控检测单元（MDU），以实验评估所建模的几何结构。装置使用 Autodesk Fusion 360 设计，并通过 CNC……背景校正后的计数对两种 MDU 几何结构和背衬条件下的 ??Sr/??Y 活度均呈近似线性增长（图 3）。单通道配置的决定系数均大于 0.96，而所有双通道配置的决定系数均……在双通道 MDU 中测试的最高活度处观察到偏离拟合响应的现象。由于在更高活度下没有可用的测量数据，因此尚不清楚这种偏离是否反映了可重复的……实验评估了两种 MDU 配置用于 β 发射放射性核素的切伦科夫探测。两者在所研究的范围内均产生了近似的线性活度响应。单通道 MDU 实现了更低的总最小可探测活度，为 21 Bq，而容积更大的双通道 MDU 实现了更低的基于浓度的检测阈值，为 18.2 kBq L?1，相比之下单通道配置的阈值为 26.3 kBq L?1。附加通道增加了检测信号，尽管……Pawel Gaca：指导、资源。Andrew Morris：指导。Reuben Forrester：资源。Christopher L Cardwell：软件、方法论。Sarah E. Lu：论文撰写——审阅与编辑、论文撰写——原稿撰写、验证、调查、形式化分析、数据整理。Phillip E. Warwick：论文撰写——审阅与编辑、指导、资金获取、概念化。Matthew C. Mowlem：指导、资源。Jake Ludgate：资源、方法论。Richard M. Marsh：指导、资源。Frances……作者声明他们不存在已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性财务利益或人际关系。Sarah E. Lu｜Geraldine Clinton-Bailey｜Frances Burrell｜Richard M. Marsh｜Jake Ludgate｜Christopher L. Cardwell｜Reuben Forrester｜Andrew Morris｜Pawel Gaca｜Matthew C. Mowlem｜Phillip E. Warwick英国南汉普顿大学、国家海洋中心，Southampton SO14 3ZH，United Kingdom