Radionuclide là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Giới thiệu về Radionuclide

Radionuclide, hay còn gọi là đồng vị phóng xạ, là những nguyên tử có hạt nhân không ổn định về mặt năng lượng. Tình trạng không ổn định này khiến hạt nhân phân rã tự phát để đạt trạng thái bền hơn, quá trình này kèm theo việc phát ra các dạng bức xạ ion hóa như hạt alpha ($\alpha$), hạt beta ($\beta^-$, $\beta^+$) hoặc tia gamma ($\gamma$). Mỗi lần phân rã có thể dẫn đến sự biến đổi nguyên tố, tạo thành một nguyên tử mới gọi là hạt nhân con (daughter nucleus).

Radionuclide có thể được tìm thấy trong tự nhiên hoặc tạo ra trong phòng thí nghiệm. Các radionuclide tự nhiên như uranium-238, thorium-232 hoặc potassium-40 tồn tại trong lớp vỏ Trái Đất. Trong khi đó, nhiều đồng vị nhân tạo như technetium-99m, iodine-131, fluorine-18 được sản xuất thông qua các phản ứng hạt nhân trong lò phản ứng hoặc máy gia tốc để phục vụ mục đích y học, công nghiệp và nghiên cứu.

Ứng dụng của radionuclide rất rộng rãi, từ việc định tuổi cổ vật, khảo sát môi trường, kiểm tra không phá hủy trong công nghiệp, cho đến sử dụng trong y học chẩn đoán và điều trị. Chính vì vậy, hiểu biết rõ về bản chất và tính chất của chúng là nền tảng cho nhiều lĩnh vực khoa học ứng dụng hiện đại.

Phân loại Radionuclide

Radionuclide có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí, trong đó phổ biến nhất là theo nguồn gốc (tự nhiên hoặc nhân tạo), dạng phân rã (alpha, beta, gamma) và thời gian bán rã (ngắn, trung bình, dài). Mỗi phân loại cung cấp góc nhìn khác nhau về khả năng ứng dụng, nguy cơ phơi nhiễm và yêu cầu kiểm soát an toàn.

Phân loại theo dạng phân rã giúp xác định bản chất bức xạ mà radionuclide phát ra:

• Phân rã alpha: Hạt nhân phát ra hạt $\alpha$ (2 proton và 2 neutron), ví dụ: radium-226
• Phân rã beta: Hạt nhân phát ra hạt $\beta^-$ hoặc $\beta^+$, ví dụ: strontium-90, carbon-11
• Phát xạ gamma: Thường đi kèm sau phân rã alpha hoặc beta, không thay đổi nguyên tử số, ví dụ: cobalt-60

Bên cạnh đó, việc phân loại theo thời gian bán rã cũng quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ tồn dư và khả năng kiểm soát. Một số radionuclide chỉ tồn tại vài giây, trong khi một số khác như iodine-129 tồn tại hàng triệu năm.

Bảng phân loại dưới đây minh họa một số ví dụ đại diện:

Tên	Dạng phân rã	Thời gian bán rã	Nguồn gốc
Technetium-99m	Gamma	6 giờ	Nhân tạo
Uranium-238	Alpha	4.5 tỉ năm	Tự nhiên
Fluorine-18	Beta+	110 phút	Nhân tạo
Radon-222	Alpha	3.8 ngày	Tự nhiên

Đặc tính vật lý và thời gian bán rã

Mỗi radionuclide có các đặc trưng vật lý riêng biệt như năng lượng phân rã, kiểu hạt bức xạ phát ra, dạng tương tác với vật chất và thời gian bán rã. Các đặc tính này ảnh hưởng đến cách sử dụng, hiệu quả ứng dụng và biện pháp kiểm soát phơi nhiễm.

Thời gian bán rã ($t_{1/2}$) là đại lượng then chốt trong nghiên cứu và ứng dụng radionuclide, được định nghĩa là thời gian cần thiết để một nửa số hạt nhân ban đầu bị phân rã. Mối quan hệ giữa số lượng hạt nhân còn lại $N(t)$ và thời gian được mô tả bởi phương trình:

$N(t) = N_0 e^{-\lambda t} \quad \text{với } \lambda = \frac{\ln 2}{t_{1/2}}$

Trong đó, $\lambda$ là hằng số phân rã, $N_0$ là số hạt nhân ban đầu. Với các radionuclide y học như Tc-99m, thời gian bán rã ngắn giúp hạn chế liều phóng xạ tồn dư trong bệnh nhân. Ngược lại, các đồng vị như Cs-137 với bán rã khoảng 30 năm được dùng trong các thiết bị công nghiệp nhờ độ ổn định lâu dài.

Radionuclide trong y học

Y học hạt nhân là lĩnh vực ứng dụng radionuclide phổ biến nhất, nơi chúng được sử dụng cả trong chẩn đoán lẫn điều trị. Các đồng vị phóng xạ được gắn với các phân tử sinh học để tạo thành dược chất phóng xạ (radiopharmaceuticals), có khả năng định vị các cơ quan hoặc mô cụ thể trong cơ thể người bệnh.

Chẩn đoán hình ảnh bằng kỹ thuật SPECT (Single Photon Emission Computed Tomography) và PET (Positron Emission Tomography) đều sử dụng các radionuclide như:

• Technetium-99m: Sử dụng trong hơn 80% xét nghiệm SPECT nhờ thời gian bán rã lý tưởng và phát tia gamma
• Iodine-123: Ghi hình tuyến giáp
• Fluorine-18: Thành phần chính của FDG trong chẩn đoán ung thư bằng PET

Trong điều trị, radionuclide như Iodine-131, Lutetium-177, Yttrium-90 được sử dụng để tiêu diệt tế bào ung thư nhờ khả năng phát bức xạ beta hoặc alpha có năng lượng cao và khả năng phá hủy chọn lọc mô bệnh.

Xu hướng hiện nay là phát triển các liệu pháp nhắm đích bằng đồng vị phóng xạ (targeted radionuclide therapy), kết hợp đặc hiệu sinh học của kháng thể đơn dòng với hiệu ứng tiêu diệt của bức xạ ion hóa.

Radionuclide trong nghiên cứu và đo lường

Radionuclide đóng vai trò thiết yếu trong các ngành nghiên cứu khoa học cơ bản và ứng dụng, đặc biệt trong khảo cổ học, địa chất học, sinh học phân tử và vật lý hạt nhân. Một trong những ứng dụng tiêu biểu là kỹ thuật định tuổi phóng xạ (radiometric dating), dùng để xác định tuổi của vật liệu hữu cơ và vô cơ thông qua đo lượng radionuclide còn lại.

Ví dụ điển hình là phương pháp định tuổi bằng carbon-14, dựa vào sự phân rã của ¹⁴C có thời gian bán rã khoảng 5730 năm. Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong khảo cổ học để xác định tuổi của cổ vật, hóa thạch và tàn tích sinh học trong khoảng thời gian lên tới 50.000 năm.

Một số cặp đồng vị thường được sử dụng trong định tuổi:

• Uranium-238 → Lead-206: thời gian bán rã 4.5 tỷ năm
• Potassium-40 → Argon-40: thời gian bán rã 1.3 tỷ năm
• Carbon-14 → Nitrogen-14: thời gian bán rã 5730 năm

Trong sinh học phân tử, các đồng vị đánh dấu như ³²P, ³⁵S, ³H (tritium) được dùng để theo dõi các quá trình sinh hóa như sao chép DNA, tổng hợp RNA và phiên mã protein. Chúng thường được gắn vào nucleotide hoặc acid amin để phân tích bằng phương pháp đo phóng xạ.

Radionuclide trong công nghiệp và môi trường

Các ứng dụng công nghiệp của radionuclide chủ yếu tập trung vào đo lường, kiểm tra không phá hủy (NDT – Non-Destructive Testing), và điều khiển quá trình sản xuất. Nhờ khả năng xuyên qua vật liệu, bức xạ phát ra từ radionuclide giúp kiểm tra kết cấu bên trong kim loại, bê tông hoặc mối hàn mà không cần phá hủy sản phẩm.

Một số radionuclide phổ biến trong công nghiệp:

• Iridium-192: chụp ảnh phóng xạ kiểm tra mối hàn
• Cesium-137: đo mức, đo độ dày và mật độ trong các thiết bị cảm biến
• Americium-241: sử dụng trong máy đo khói và phát hiện vật liệu

Trong môi trường, radionuclide được sử dụng để truy vết dòng chảy nước ngầm, đánh giá quá trình lắng đọng trầm tích, hoặc theo dõi sự lan truyền của chất ô nhiễm phóng xạ. Đồng thời, việc rò rỉ chất phóng xạ từ các cơ sở công nghiệp hoặc nhà máy điện hạt nhân cũng tạo ra nguy cơ sinh học, đòi hỏi sự giám sát và phân tích môi trường nghiêm ngặt.

An toàn bức xạ và kiểm soát phơi nhiễm

Việc sử dụng radionuclide đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các quy trình an toàn bức xạ nhằm bảo vệ người lao động, bệnh nhân và cộng đồng khỏi tác hại của bức xạ ion hóa. Các tổ chức như IAEA (International Atomic Energy Agency) và NRC (Nuclear Regulatory Commission – Hoa Kỳ) đã xây dựng hệ thống quy định và tiêu chuẩn kiểm soát quốc tế về sử dụng radionuclide.

Ba nguyên tắc cơ bản trong bảo vệ khỏi phơi nhiễm bức xạ:

• Thời gian: giảm thời gian tiếp xúc với nguồn phóng xạ
• Khoảng cách: tăng khoảng cách giữa người và nguồn bức xạ
• Che chắn: sử dụng vật liệu hấp thụ như chì, bê tông, thép

Việc đo liều phơi nhiễm được thực hiện bằng các thiết bị như liều kế cá nhân (TLD – Thermoluminescent Dosimeter), film badge hoặc máy đo bức xạ cầm tay (Geiger-Müller counter). Các cơ sở sử dụng radionuclide phải tuân theo quy trình cấp phép, lưu trữ, ghi chép, kiểm kê và đào tạo nhân sự chuyên trách.

Vấn đề quản lý chất thải phóng xạ

Chất thải phóng xạ sinh ra từ quá trình sử dụng radionuclide trong y tế, công nghiệp hoặc nghiên cứu cần được quản lý an toàn nhằm bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng. Các loại chất thải này được phân loại theo mức độ hoạt độ phóng xạ và thời gian bán rã thành:

• Thấp: găng tay, giấy lau, ống nghiệm
• Trung bình: nhựa, ion-exchange resin, dung dịch có hoạt độ đáng kể
• Cao: nhiên liệu hạt nhân đã qua sử dụng

Các phương pháp xử lý chất thải bao gồm:

1. Cô đặc và ổn định hóa
2. Đóng gói và dán nhãn chính xác
3. Vận chuyển tới nơi lưu trữ dài hạn hoặc chôn lấp sâu địa chất

Việc lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào loại và thời gian bán rã của radionuclide. Các quốc gia có cơ sở hạt nhân cần có chiến lược dài hạn cho quản lý chất thải cấp cao nhằm bảo đảm an toàn cho các thế hệ tương lai.

Tài liệu tham khảo

1. International Atomic Energy Agency (IAEA). Radiation Protection and Safety of Radiation Sources. IAEA Safety Standards Series.
2. United States Nuclear Regulatory Commission (NRC). Medical Use of Byproduct Material. NRC Fact Sheet.
3. Mettler, F.A., Guiberteau, M.J. (2018). Essentials of Nuclear Medicine Imaging. Elsevier Health Sciences.
4. Knoll, G.F. (2010). Radiation Detection and Measurement, 4th Edition. John Wiley & Sons.
5. Stabin, M.G., Siegel, J.A. (2018). Physical Aspects of Radionuclide Therapy. Journal of Nuclear Medicine.