Радиоаналитическая химия - Radioanalytical chemistry

Радиоаналитическая химия фокусируется на анализе образцов на предмет их радионуклид содержание. Различные методы используются для очистки и идентификации радиоэлемент представляют интерес с помощью химических методов и методов измерения проб.

История

Область радиоаналитической химии была первоначально разработана Мари Кюри с участием Эрнест Резерфорд и Фредерик Содди. Они разработали методы химического разделения и радиационного измерения наземных радиоактивных веществ. В течение двадцати лет, последовавших за 1897 годом, родилась концепция радионуклидов.^[1] Со времен Кюри применение радиоаналитической химии расширилось. Современные достижения в области ядерных и радиохимических исследований позволили практикам применять химию и ядерные процедуры для выяснения ядерных свойств и реакций, используемых радиоактивных веществ в качестве трассеры, и измерять радионуклиды во многих различных типах образцов.^[2]

Значение радиоаналитической химии охватывает многие области, включая химия, физика, лекарство, фармакология, биология, экология, гидрология, геология, криминалистика, атмосферные науки, охрана здоровья, археология, и инженерное дело. Приложения включают: формирование и определение характеристик новых элементов, определение возраста материалов и создание радиоактивных реагентов для использования конкретных индикаторов в тканях и органах. Постоянной целью радиоаналитических исследователей является получение большего количества радионуклидов и снижение их концентраций в людях и окружающей среде.

Режимы радиационного распада

Распад альфа-частицы

Альфа-распад характеризуется испусканием альфа-частицы, a ⁴Он ядро. Режим этого распада заставляет родительское ядро ​​уменьшаться на два протона и два нейтрона. Этот тип распада следует соотношению:

${displaystyle {}_{Z}^{A}!X o {}_{Z-2}^{A-4}!Y+{}_{2}^{4}alpha }$^[3]

Распад бета-частиц

Бета-распад характеризуется излучением нейтрино и негатрон, который эквивалентен электрон. Этот процесс происходит, когда ядро ​​имеет избыток нейтронов по отношению к протонам по сравнению со стабильным изобара. Этот тип перехода превращает нейтрон в протон; аналогично позитрон высвобождается, когда протон превращается в нейтрон. Эти распады подчиняются соотношению:

${displaystyle {}_{Z}^{A}!X o {}_{Z+1}^{A}!Y+{ar {u }}+eta ^{-}}$
${displaystyle {}_{Z}^{A}!X o {}_{Z-1}^{A}!Y+u +eta ^{+}}$^[4]

Гамма-распад

Гамма-луч излучение следует за ранее обсуждавшимися режимами распада, когда при распаде дочернее ядро ​​остается в возбужденном состоянии. Это ядро ​​способно к дальнейшему девозбуждению до состояния с более низкой энергией за счет высвобождения фотона. Этот распад следует соотношению:

${displaystyle {}^{A}!X^{*} o {}^{A}!Y+gamma }$^[5]

Принципы обнаружения радиации

Детекторы ионизации газа

Схема ионизационного детектора

Детекторы газовой ионизации собирать и записывать электроны, освобожденные от газовых атомов и молекул в результате взаимодействия излучения, испускаемого источником. Напряжение потенциал применяется между двумя электродами в герметичной системе. Поскольку газовые атомы ионизируются после взаимодействия с излучением, они притягиваются к аноду, который генерирует сигнал. Важно изменять приложенное напряжение так, чтобы отклик находился в критическом диапазоне пропорциональности.

Твердотельные детекторы

Схема твердотельного детектора

Принцип работы Полупроводниковые детекторы аналогичен детекторам ионизации газа: за исключением того, что вместо ионизации атомов газа образуются свободные электроны и дырки, которые создают сигнал на электродах. Преимущество твердотельных детекторов - большее разрешение получаемого энергетического спектра. Обычно используются детекторы NaI (Tl); для более точных применений были разработаны детекторы на основе Ge (Li) и Si (Li). Для сверхчувствительных измерений используются детекторы из высокочистого германия в среде жидкого азота.^[6]

Сцинтилляционные детекторы

Сцинтилляция В детекторах используется фотолюминесцентный источник (например, ZnS), который взаимодействует с излучением. Когда радиоактивная частица распадается и ударяется о фотолюминесцентный материал, высвобождается фотон. Этот фотон умножается на фотоумножитель который преобразует свет в электрический сигнал. Затем этот сигнал обрабатывается и преобразуется в канал. Сравнивая количество отсчетов с уровнем энергии (обычно в кэВ или МэВ), можно определить тип распада.

Методы химического разделения

Из-за радиоактивный нуклеотиды обладают свойствами, аналогичными их стабильным, неактивным, аналогам, аналогичным аналитическая химия могут использоваться методы разделения. Эти методы разделения включают осадки, Ионный обмен, Жидкая жидкость добыча Твердый Фазовая экстракция, Дистилляция, и Электроосаждение.

Принципы радиоаналитической химии

Потеря образца радиоколлоидным поведением

Образцы с очень низким концентрации трудно измерить точно из-за неожиданного осаждения радиоактивных атомов на поверхности. Потеря образца на следовых уровнях может быть связана с прилипанием к стенкам контейнера и участкам поверхности фильтра из-за ионный или же электростатический адсорбция, а также металлическая фольга и предметные стекла. Потеря пробы является постоянной проблемой, особенно в начале пути анализа, где последовательные шаги могут усугубить эти потери.

Известны различные решения, позволяющие избежать этих потерь, в том числе добавление неактивного перевозчик или добавив трассировщик. Исследования также показали, что предварительная обработка стеклянной посуды и пластиковых поверхностей может снизить сорбцию радионуклидов за счет насыщения участков.^[7]

Добавление носителя или трассера

Поскольку обычно анализируются небольшие количества радионуклидов, механика манипулирования небольшими количествами является сложной задачей. Эта проблема обычно решается за счет использования перевозчик ионы. Таким образом, добавление носителя включает добавление известной массы стабильного иона к содержащему радионуклид раствору пробы. Носитель состоит из того же элемента, но не радиоактивен. Носитель и интересующий радионуклид имеют идентичные химические свойства. Обычно количество добавляемого носителя обычно выбирается для простоты взвешивания, так что точность результирующего веса находится в пределах 1%. Для альфа-частиц необходимо применять специальные методы для получения требуемых источников тонких проб. Использование переноски широко использовалось Мари Кюри и был использован в первой демонстрации ядерное деление.^[8]

Разбавление изотопов является обратным добавлению трассера. Он включает добавление известного (небольшого) количества радионуклида в образец, который содержит известный стабильный элемент. Эта добавка является «трассером». Он добавляется в начале процедуры анализа. После записи окончательных измерений потерю образца можно определить количественно. Эта процедура позволяет избежать количественного извлечения, что значительно упрощает аналитический процесс.

Типичные интересующие радионуклиды

Обычно измеряемые долгоживущие космогенные изотопы

Элемент	Масса	Период полураспада (годы)	Типичный источник
Гелий	3	- стабильный -	Воздух, вода и биота образцы для биоанализы
Углерод	14	5,730	Радиоуглеродное датирование органического вещества, воды
Утюг	55	2.7	Производится в чугунных и стальных корпусах, сосудах или опорах для ядерного оружия и реакторов.
Стронций	90	28.8	Обычный продукт деления
Технеций	99	214,000	Обычный продукт деления
Йод	129	15,7 миллиона	Индикатор грунтовых вод
Цезий	137	30.2	Ядерное оружие и ядерные реакторы (аварии)
Прометий	147	2.62	Естественный продукт деления
Радон	226	1,600	Дождь и грунтовые воды, атмосфера
Уран	232, 233, 234, 235, 236, 238	Варьируется	Земной элемент
Плутоний	238, 239, 240, 241, 242	Варьируется	Ядерное оружие и реакторы
Америций	241	433	Результат взаимодействия нейтронов с ураном и плутонием.

Гарантия качества

Поскольку это аналитическая химия техника контроль качества это важный фактор, который необходимо поддерживать. А лаборатория должны давать достоверные результаты. Это может быть достигнуто постоянными усилиями лабораторий по поддержанию инструмент калибровка, воспроизводимость измерений и применимость аналитических методов.^[9] Во всех лабораториях должен быть план обеспечения качества. Этот план описывает систему качества и действующие процедуры для получения согласованных результатов. Такие результаты должны быть достоверными, надлежащим образом задокументированными и технически обоснованными ".^[10] Такие элементы обеспечения качества включают организацию, обучение персонала, рабочие процедуры лаборатории, закупочную документацию, записи цепочки поставок, стандартные сертификаты, аналитические записи, стандартные процедуры, программу и результаты анализа образцов QC, отчеты об испытаниях и техническом обслуживании приборов, результаты проектов демонстрации производительности. , результаты оценки данных, отчеты аудита и политики хранения записей.

Стоимость гарантии качества постоянно растет, но преимущества намного перевешивают эту стоимость. Средняя нагрузка по обеспечению качества была увеличена с 10% до 20-30%. Такое повышенное внимание к обеспечению качества гарантирует достижение надежных показателей качества. Цена отказа намного превышает затраты на профилактику и оценку. Наконец, результаты должны быть научно обоснованными путем соблюдения строгих правил в случае судебного процесса.

Рекомендации

1. Эманн, У.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа, 1991, 1-20
2. Крейн, К. Введение в ядерную физику, 1988, John Wiley & Sons, 3-4.
3. «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2009-08-06. Получено 2009-07-11.
4. «ChemTeam: написание альфа- и бета-уравнений». Chemteam.info.
5. Ловленд, В., Моррисси, Д. Дж., Сиборг, Г. Т., Современная ядерная химия, 2006, John Wiley & Sons, 221.
6. Эманн, У.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа, 1991, 220-236.
7. Их, Р. Э., Разделение, концентрирование и загрязнение при анализе следов, 1957, Джон Вили, 637–666.
8. О. Хан и Ф. Штрассманн (1939). "Uber den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle (" Об обнаружении и характеристиках щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами ")". Naturwissenschaften. 27 (1): 11–15. Bibcode:1939NW ..... 27 ... 11H. Дои:10.1007 / BF01488241. S2CID  5920336..
9. Хан, Б. Радиоаналитическая химия, 2007, Springer, 220-243.
10. EPA. Отчет Агентства по охране окружающей среды США 402-R-97-016, 2000, QA / G-4

дальнейшее чтение

• Химический анализ ядерными методами, автор З.Б. Альфасси
• Радиоаналитическая химия Й. Тёльгесси и М. Кирш.
• Ядерно-аналитическая химия Я. Тёльгёсси, Ш. Варга и В. Кривань. Английский перевод: П. Ткач.