Radioanalytische Chemie

Die Radioanalytik befasst sich mit der Untersuchung von Proben auf ihren Radionuklidgehalt . Verschiedene Methoden werden eingesetzt, um das gewünschte Radioelement durch chemische Verfahren und Probenmessverfahren zu reinigen und zu identifizieren.

Die radioanalytische Chemie wurde ursprünglich von Marie Curie mit Beiträgen von Ernest Rutherford und Frederick Soddy entwickelt . Sie entwickelten chemische Trennverfahren und Strahlungsmesstechniken für terrestrische radioaktive Substanzen. In den zwanzig Jahren nach 1897 entstanden die Konzepte der Radionuklide. ^{[ 1 ]} Seit Curies Zeiten haben sich die Anwendungen der radioanalytischen Chemie stark erweitert. Moderne Fortschritte in der Kern- und Radiochemieforschung ermöglichen es Forschern, chemische und nukleare Verfahren anzuwenden, um Kerneigenschaften und -reaktionen aufzuklären, radioaktive Substanzen als Tracer zu verwenden und Radionuklide in unterschiedlichsten Proben zu messen. ^{[ 2 ]}

Die Bedeutung der radioanalytischen Chemie erstreckt sich über zahlreiche Bereiche, darunter Chemie , Physik , Medizin , Pharmakologie , Biologie , Ökologie , Hydrologie , Geologie , Forensik , Atmosphärenwissenschaften , Gesundheitsschutz, Archäologie und Ingenieurwesen . Zu ihren Anwendungsgebieten zählen die Synthese und Charakterisierung neuer Elemente, die Altersbestimmung von Materialien und die Herstellung radioaktiver Reagenzien für den gezielten Einsatz als Tracer in Geweben und Organen. Das fortwährende Ziel der radioanalytischen Forschung ist die Entwicklung weiterer Radionuklide und die Reduzierung ihrer Konzentrationen in Mensch und Umwelt.

Der Alpha-Zerfall ist durch die Emission eines Alpha-Teilchens, eines ^⁴He -Kerns, gekennzeichnet. Bei diesem Zerfall verringert sich die Anzahl der Protonen und Neutronen im Mutterkern. Dieser Zerfallstyp folgt der Beziehung:

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

Der Beta-Zerfall ist durch die Emission eines Neutrinos und eines Negatrons, das einem Elektron entspricht, gekennzeichnet. Dieser Prozess tritt auf, wenn ein Atomkern im Vergleich zum stabilen Isobar einen Neutronenüberschuss gegenüber Protonen aufweist . Bei diesem Übergang wird ein Neutron in ein Proton umgewandelt; analog dazu wird ein Positron freigesetzt, wenn ein Proton in ein Neutron umgewandelt wird. Diese Zerfälle folgen der Beziehung:

${\displaystyle {}_{Z}^{A}\!X\to {}_{Z+1}^{A}\!Y+{\bar {\nu }}+\beta ^{-}}$${\displaystyle {}_{Z}^{A}\!X\to {}_{Z-1}^{A}\!Y+\nu +\beta ^{+}}$^{[ 4 ]}

Die Gammastrahlungsemission folgt den zuvor beschriebenen Zerfallsmechanismen, wenn der Zerfall einen Tochterkern in einem angeregten Zustand hinterlässt. Dieser Kern kann durch die Abgabe eines Photons in einen niedrigeren Energiezustand zurückgeführt werden. Dieser Zerfall folgt der folgenden Beziehung:

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

Gasionisationsdetektoren erfassen und registrieren die Elektronen, die durch die Wechselwirkung von Atomen und Molekülen in Gasen durch die Strahlung der Quelle freigesetzt werden. Zwischen zwei Elektroden in einem geschlossenen System wird eine Spannung angelegt . Da die Gasatome nach der Wechselwirkung mit der Strahlung ionisiert werden, werden sie von der Anode angezogen, wodurch ein Signal erzeugt wird. Es ist wichtig, die angelegte Spannung so zu variieren, dass das Signal in einem kritischen Proportionalitätsbereich liegt.

Das Funktionsprinzip von Halbleiterdetektoren ähnelt dem von Gasionisationsdetektoren: Anstelle der Ionisierung von Gasatomen werden jedoch freie Elektronen und Löcher erzeugt, die an den Elektroden ein Signal erzeugen. Der Vorteil von Festkörperdetektoren liegt in der höheren Auflösung des resultierenden Energiespektrums. Üblicherweise werden NaI(Tl)-Detektoren verwendet; für präzisere Anwendungen wurden Ge(Li)- und Si(Li)-Detektoren entwickelt. Für besonders empfindliche Messungen kommen hochreine Germaniumdetektoren unter flüssigem Stickstoff zum Einsatz. ^{[ 6 ]}

Szintillationsdetektoren nutzen eine photolumineszierende Quelle (z. B. ZnS), die mit Strahlung interagiert. Beim Zerfall eines radioaktiven Teilchens und dessen Auftreffen auf das photolumineszierende Material wird ein Photon freigesetzt. Dieses Photon wird in einem Photomultiplier vervielfacht , der Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses Signal wird anschließend verarbeitet und einem Kanal zugeführt. Durch Vergleich der Zählrate mit dem Energieniveau (typischerweise in keV oder MeV) lässt sich die Zerfallsart bestimmen.

Da radioaktive Nukleotide ähnliche Eigenschaften wie ihre stabilen, inaktiven Gegenstücke aufweisen, können ähnliche analytisch-chemische Trennverfahren angewendet werden. Zu diesen Trennmethoden gehören Fällung , Ionenaustausch , Flüssig-Flüssig- Extraktion, Festphasenextraktion , Destillation und Elektrodeposition .

Proben mit sehr niedrigen Konzentrationen sind aufgrund der unerwarteten Ablagerung radioaktiver Atome auf Oberflächen schwer genau zu messen. Probenverluste im Spurenbereich können durch Adhäsion an Behälterwänden und Filteroberflächen mittels ionischer oder elektrostatischer Adsorption sowie an Metallfolien und Objektträgern verursacht werden. Probenverluste stellen ein ständiges Problem dar, insbesondere zu Beginn des Analyseprozesses, wo nachfolgende Schritte diese Verluste verstärken können.

Zur Vermeidung dieser Verluste sind verschiedene Lösungen bekannt, darunter die Zugabe eines inaktiven Trägers oder eines Tracers. Untersuchungen haben außerdem gezeigt, dass die Vorbehandlung von Glaswaren und Kunststoffoberflächen die Radionuklidsorption durch Sättigung der Bindungsstellen verringern kann. ^{[ 7 ]}

Da typischerweise nur geringe Mengen an Radionukliden analysiert werden, ist die Handhabung dieser winzigen Mengen eine Herausforderung. Klassischerweise wird dieses Problem durch die Verwendung von Trägerionen gelöst . Dabei wird einer radionuklidhaltigen Probenlösung eine bekannte Masse stabiler Ionen zugesetzt. Der Träger besteht aus demselben Element, ist aber nicht radioaktiv. Träger und das zu untersuchende Radionuklid weisen identische chemische Eigenschaften auf. Die zugesetzte Trägermenge wird üblicherweise so gewählt, dass sie sich leicht abwiegen lässt und die Genauigkeit des resultierenden Gewichts innerhalb von 1 % liegt. Für Alphateilchen müssen spezielle Techniken angewendet werden, um die benötigten dünnen Probenquellen zu erhalten. Die Verwendung von Trägerionen wurde von Marie Curie intensiv genutzt und beim ersten Nachweis der Kernspaltung eingesetzt . ^{[ 8 ]}

Die Isotopenverdünnung ist das Gegenteil der Tracerzugabe. Dabei wird der Probe, die ein bekanntes stabiles Element enthält, eine bekannte (geringe) Menge eines Radionuklids zugesetzt. Dieses Additiv wird als „Tracer“ bezeichnet und zu Beginn der Analyse hinzugefügt. Nach der abschließenden Messung kann der Probenverlust quantitativ bestimmt werden. Dieses Verfahren macht eine quantitative Rückgewinnung überflüssig und vereinfacht den Analyseprozess erheblich.

Da es sich um eine analytisch-chemische Technik handelt, ist die Qualitätskontrolle ein wichtiger Faktor. Ein Labor muss verlässliche Ergebnisse liefern. Dies wird durch die kontinuierlichen Bemühungen des Labors erreicht, die Kalibrierung der Instrumente , die Reproduzierbarkeit der Messungen und die Anwendbarkeit der Analysemethoden sicherzustellen. ^{[ 9 ]} In jedem Labor muss ein Qualitätssicherungsplan vorhanden sein. Dieser Plan beschreibt das Qualitätssicherungssystem und die Verfahren, die zur Erzielung konsistenter Ergebnisse eingesetzt werden. Diese Ergebnisse müssen authentisch, angemessen dokumentiert und technisch nachvollziehbar sein. ^{[ 10 ]} Zu den Elementen der Qualitätssicherung gehören Organisation, Personalschulung, Laborbetriebsanweisungen, Beschaffungsdokumente, Nachweisketten, Standardzertifikate, Analyseprotokolle, Standardverfahren, das Programm zur Analyse von Qualitätskontrollproben und deren Ergebnisse, Prüf- und Wartungsprotokolle für Instrumente, Ergebnisse von Leistungsdemonstrationsprojekten, Ergebnisse der Datenauswertung, Prüfberichte und Richtlinien zur Aufbewahrung von Aufzeichnungen.

Die Kosten für Qualitätssicherung steigen stetig, doch der Nutzen überwiegt diese Kosten bei Weitem. Der durchschnittliche Arbeitsaufwand für Qualitätssicherung stieg von 10 % auf aktuell 20–30 %. Dieser verstärkte Fokus auf Qualitätssicherung gewährleistet zuverlässige Qualitätsmessungen. Die Kosten von Fehlern sind deutlich höher als die Kosten für Prävention und Bewertung. Schließlich müssen die Ergebnisse im Falle eines Rechtsstreits durch die Einhaltung strenger Vorschriften wissenschaftlich fundiert sein.

• Chemische Analyse mit nuklearen Methoden , von ZB Alfassi
• Radioanalytische Chemie von J. Tölgyessy und M. Kyrš.
• Kernanalytische Chemie von J. Tölgyessy, Š. Varga und V. Kriváň. Englische Übersetzung: P. Tkáč.