Радиоаналитическая химия

Радиоаналитическая химия фокусируется на анализе проб на содержание радионуклидов . используются различные методы радиоэлемента Для очистки и идентификации интересующего с помощью химических методов и методов измерения проб.

История

Область радиоаналитической химии была первоначально разработана Марией Кюри при участии Эрнеста Резерфорда и Фредерика Содди . Они разработали методы химического разделения и радиационного измерения земных радиоактивных веществ. В течение двадцати лет, последовавших за 1897 годом, зародились концепции радионуклидов. ^[1] Со времен Кюри применения радиоаналитической химии получили широкое распространение. Современные достижения в области ядерных и радиохимических исследований позволили практикам применять химию и ядерные процедуры для выяснения ядерных свойств и реакций, использовать радиоактивные вещества в качестве индикаторов и измерять радионуклиды во многих различных типах проб. ^[2]

Важность радиоаналитической химии охватывает многие области, включая химию , физику , медицину , фармакологию , биологию , экологию , гидрологию , геологию , судебную экспертизу , атмосферные науки , охрану здоровья, археологию и инженерное дело . Приложения включают: формирование и характеристику новых элементов, определение возраста материалов и создание радиоактивных реагентов для специфического использования индикаторов в тканях и органах. Постоянной целью радиоаналитических исследователей является получение большего количества радионуклидов и снижение их концентраций в людях и окружающей среде.

Режимы затухания излучения

Распад альфа-частиц

Альфа-распад характеризуется испусканием альфа-частицы. ⁴Он ядро. Режим этого распада приводит к уменьшению родительского ядра на два протона и два нейтрона. Этот тип распада подчиняется соотношению:

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

Бета-распад

Бета-распад характеризуется испусканием нейтрино и негатрона, эквивалентного электрону . Этот процесс происходит, когда ядро имеет избыток нейтронов по отношению к протонам по сравнению со стабильной изобарой . Этот тип перехода превращает нейтрон в протон; аналогично позитрон высвобождается, когда протон превращается в нейтрон. Эти распады подчиняются соотношению:

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

Гамма-распад

Гамма- излучение следует ранее обсуждавшимся режимам распада, когда в результате распада дочернее ядро остается в возбужденном состоянии. Это ядро способно к дальнейшему девозбуждению в состояние с более низкой энергией путем высвобождения фотона. Этот распад подчиняется соотношению:

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

Принципы обнаружения радиации

Детекторы ионизации газа

Детекторы газовой ионизации собирают и регистрируют электроны, высвободившиеся из газообразных атомов и молекул в результате взаимодействия излучения, испускаемого источником. напряжения Потенциал прикладывается между двумя электродами внутри герметичной системы. Поскольку атомы газа ионизируются после взаимодействия с излучением, они притягиваются к аноду, который генерирует сигнал. Важно изменять приложенное напряжение так, чтобы отклик находился в критическом пропорциональном диапазоне.

Твердотельные детекторы

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

Сцинтилляционные детекторы

В сцинтилляционных детекторах используется фотолюминесцентный источник (например, ZnS), который взаимодействует с излучением. Когда радиоактивная частица распадается и попадает на фотолюминесцентный материал, высвобождается фотон. Этот фотон умножается в фотоумножителе , 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

Поскольку радиоактивные нуклеотиды имеют свойства, аналогичные свойствам их стабильных, неактивных аналогов, аналитического химического можно использовать аналогичные методы разделения. Эти методы разделения включают осаждение , ионный обмен , жидкостную экстракцию, твердофазную экстракцию, дистилляцию и электроосаждение .

Принципы радиоаналитической химии

Потеря образца из-за радиоколлоидного поведения

Образцы с очень низкими концентрациями трудно точно измерить из-за неожиданного осаждения радиоактивных атомов на поверхности. Потери пробы на следовых уровнях могут быть вызваны прилипанием к стенкам контейнера и участкам поверхности фильтра вследствие ионной или электростатической адсорбции, а также металлической фольгой и предметными стеклами. Потеря пробы является постоянной проблемой, особенно в начале пути анализа, когда последовательные этапы могут усугубить эти потери.

Известны различные решения, позволяющие обойти эти потери, включая добавление неактивного носителя или добавление трассера. Исследования также показали, что предварительная обработка стеклянной посуды и пластиковых поверхностей может снизить сорбцию радионуклидов за счет их насыщения. ^[7]

Добавление носителя или трассера

Поскольку обычно анализируются небольшие количества радионуклидов, механика манипулирования небольшими количествами является сложной задачей. Эту проблему классически решают с помощью ионов- носителей . Таким образом, добавление носителя предполагает добавление известной массы стабильного иона к раствору пробы, содержащей радионуклиды. Носитель состоит из того же элемента, но нерадиоактивен. Носитель и интересующий радионуклид имеют идентичные химические свойства. Обычно количество добавляемого носителя обычно выбирают для облегчения взвешивания таким образом, чтобы точность полученного веса находилась в пределах 1%. Для альфа-частиц необходимо применять специальные методы для получения необходимых источников тонких образцов. Использование переносов широко использовалось Марией Кюри и использовалось при первой демонстрации ядерного деления . ^[8]

Разбавление изотопов противоположно добавлению индикатора. Он предполагает добавление известного (небольшого) количества радионуклида к образцу, содержащему известный стабильный элемент. Эта добавка является «трассером». Он добавляется в начале процедуры анализа. После записи окончательных измерений потери образца можно определить количественно. Эта процедура позволяет избежать необходимости какого-либо количественного восстановления, что значительно упрощает аналитический процесс.

Типичные радионуклиды, представляющие интерес

Обычно измеряемые долгоживущие космогенные изотопы
Элемент	Масса	Период полураспада (лет)	Типичный источник
Гелий	3	- стабильный -	Пробы воздуха, воды и биоты для биоанализа
Углерод	14	5,730	Радиоуглеродное датирование органических веществ, воды
Железо	55	2.7	Производится в железных и стальных корпусах, емкостях 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 подземных вод
Цезий	137	30.2	Ядерное оружие и ядерные реакторы (аварии)
Прометей	147	2.62	Продукт ядерного деления природного происхождения
Радон	226	1,600	Дождевые 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 аналитической химии, метод контроля качества важным фактором является поддержание . Лаборатория . должна давать достоверные результаты Этого можно достичь путем постоянных усилий лаборатории по поддержанию приборов калибровки , воспроизводимости измерений и применимости аналитических методов. ^[9] Во всех лабораториях должен быть план обеспечения качества. Этот план описывает систему качества и процедуры, необходимые для получения стабильных результатов. Такие результаты должны быть достоверными, надлежащим образом документированными и технически обоснованными». ^[10] Такие элементы обеспечения качества включают организацию, обучение персонала, рабочие процедуры лаборатории, документы о закупках, записи цепочки поставок, стандартные сертификаты, аналитические записи, стандартные процедуры, программу и результаты анализа образцов контроля качества, записи об испытаниях и техническом обслуживании приборов, результаты проектов демонстрации производительности. , результаты оценки данных, аудиторские отчеты и политики хранения записей.

Стоимость обеспечения качества постоянно растет, но выгоды намного перевешивают эти затраты. Средняя нагрузка по обеспечению качества была увеличена с 10% до современных 20-30%. Такое повышенное внимание к обеспечению качества гарантирует получение надежных измерений качества. Цена неудачи намного перевешивает стоимость предотвращения и оценки. Наконец, результаты должны быть научно обоснованы за счет соблюдения строгих правил на случай судебного иска.

Ссылки

^ Эманн, В.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 1-20.
^ Крейн, К.С. Введение в ядерную физику , 1988, John Wiley & Sons, 3-4.
^ «Уравнения распада» . Архивировано из оригинала 6 августа 2009 г. Проверено 11 июля 2009 г.
^ «ChemTeam: написание альфа- и бета-уравнений» . chemteam.info . Архивировано из оригинала 26 марта 2023 г. Проверено 16 июня 2024 г.
^ Лавленд, В., Моррисси, DJ, Сиборг, GT, Современная ядерная химия , 2006, John Wiley & Sons, 221.
^ Эманн, В.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 220-236.
^ Их, RE, Разделение, концентрация и загрязнение при анализе следов , 1957, Джон Вили, 637-666.
^ О. Хан и Ф. Штрассманн (1939). «Об обнаружении и характеристике щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами». естественные науки . 27 (1): 11–15. Бибкод : 1939NW.....27...11H . дои : 10.1007/BF01488241 . S2CID 5920336 . .
^ Хан, Б. Радиоаналитическая химия , 2007, Springer, 220-243.
^ Агентство по охране окружающей среды. Отчет Агентства по охране окружающей среды США 402-R-97-016 , 2000 г., QA/G-4

Дальнейшее чтение

Химический анализ ядерными методами , З.Б. Альфасси
Радиоаналитическая химия Й. Тёлгьеси и М. Кирша.
Ядерная аналитическая химия Дж. Тёлдьесси, Ш. Варга и В. Кривань. Английский перевод: П. Ткач.

[1] Эманн, В.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 1-20.

[2] Крейн, К.С. Введение в ядерную физику , 1988, John Wiley & Sons, 3-4.

[3] «Уравнения распада» . Архивировано из оригинала 6 августа 2009 г. Проверено 11 июля 2009 г.

[4] «ChemTeam: написание альфа- и бета-уравнений» . chemteam.info . Архивировано из оригинала 26 марта 2023 г. Проверено 16 июня 2024 г.

[5] Лавленд, В., Моррисси, DJ, Сиборг, GT, Современная ядерная химия , 2006, John Wiley & Sons, 221.

[6] Эманн, В.Д., Вэнс, Д.Э. Радиохимия и ядерные методы анализа , 1991, 220-236.

[7] Их, RE, Разделение, концентрация и загрязнение при анализе следов , 1957, Джон Вили, 637-666.

[8] О. Хан и Ф. Штрассманн (1939). «Об обнаружении и характеристике щелочноземельных металлов, образующихся при облучении урана нейтронами». естественные науки . 27 (1): 11–15. Бибкод : 1939NW.....27...11H . дои : 10.1007/BF01488241 . S2CID 5920336 . .

[9] Хан, Б. Радиоаналитическая химия , 2007, Springer, 220-243.

[10] Агентство по охране окружающей среды. Отчет Агентства по охране окружающей среды США 402-R-97-016 , 2000 г., QA/G-4

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

v т и Аналитическая химия
Инструментарий	Атомно-абсорбционный спектрометр Спектрометр пламенной эмиссии Газовый хроматограф Высокоэффективный жидкостный хроматограф Инфракрасный спектрометр Масс-спектрометр Аппарат для измерения температуры плавления Микроскоп Оптический спектрометр Спектрофотометр
Техники	Калориметрия Хроматография Электроаналитические методы Гравиметрический анализ Спектрометрия ионной подвижности Масс-спектрометрия Спектроскопия Титрование
Выборка	Конусование и четвертование Разбавление Растворение Фильтрация Маскировка распыление Подготовка проб Процесс разделения Подвыборка
Калибровка	Хемометрика Калибровочная кривая Матричный эффект Внутренний стандарт Стандартное дополнение Изотопное разбавление
Выдающиеся публикации	Аналитик Журнал аналитической химии Аналитическая и биоаналитическая химия Аналитическая химия Аналитическая биохимия
Категория Коммонс Портал ВикиПроект