La química radioanalítica se centra en el análisis de muestras para determinar su contenido de radionúclidos . Se emplean varios métodos para purificar e identificar el radioelemento de interés mediante métodos químicos y técnicas de medición de muestras.
Historia
El campo de la química radioanalítica fue desarrollado originalmente por Marie Curie con contribuciones de Ernest Rutherford y Frederick Soddy . Desarrollaron técnicas de medición de radiación y separación química en sustancias radiactivas terrestres. Durante los veinte años que siguieron a 1897 nacieron los conceptos de radionucleidos. [1] Desde la época de Curie, han proliferado las aplicaciones de la química radioanalítica. Los avances modernos en la investigación nuclear y radioquímica han permitido a los profesionales aplicar procedimientos químicos y nucleares para dilucidar las propiedades y reacciones nucleares, utilizar sustancias radiactivas como trazadores y medir radionucleidos en muchos tipos diferentes de muestras. [2]
La importancia de la química radioanalítica abarca muchos campos, incluidos la química , la física , la medicina , la farmacología , la biología , la ecología , la hidrología , la geología , la ciencia forense , las ciencias atmosféricas , la protección de la salud, la arqueología y la ingeniería . Las aplicaciones incluyen: formar y caracterizar nuevos elementos, determinar la edad de los materiales y crear reactivos radiactivos para uso específico de trazadores en tejidos y órganos. El objetivo actual de los investigadores radioanalíticos es desarrollar más radionucleidos y concentraciones más bajas en las personas y el medio ambiente.
Modos de degradación de la radiación
Decaimiento de partículas alfa
La desintegración alfa se caracteriza por la emisión de una partícula alfa, un núcleo de 4 He. El modo de esta desintegración hace que el núcleo padre disminuya en dos protones y dos neutrones. Este tipo de decaimiento sigue la relación:
Desintegración de partículas beta
La desintegración beta se caracteriza por la emisión de un neutrino y un negatrón que equivale a un electrón . Este proceso ocurre cuando un núcleo tiene un exceso de neutrones con respecto a los protones, en comparación con la isobara estable . Este tipo de transición convierte un neutrón en un protón; de manera similar, se libera un positrón cuando un protón se convierte en un neutrón. Estas desintegraciones siguen la relación:
Desintegración de rayos gamma
La emisión de rayos gamma sigue los modos de desintegración discutidos anteriormente cuando la desintegración deja un núcleo hijo en un estado excitado. Este núcleo es capaz de desexcitarse aún más a un estado de menor energía mediante la liberación de un fotón. Este decaimiento sigue la relación:
Principios de detección de radiación
Detectores de ionización de gas
Los detectores de ionización gaseosa recogen y registran los electrones liberados de átomos y moléculas gaseosos por la interacción de la radiación liberada por la fuente. Se aplica un potencial de voltaje entre dos electrodos dentro de un sistema sellado. Dado que los átomos gaseosos se ionizan después de interactuar con la radiación, son atraídos por el ánodo que produce una señal. Es importante variar el voltaje aplicado de manera que la respuesta se encuentre dentro de un rango proporcional crítico.
Detectores de estado sólido
El principio de funcionamiento de los detectores de semiconductores es similar al de los detectores de ionización de gas: excepto que en lugar de ionizar los átomos de gas, se producen electrones libres y huecos que crean una señal en los electrodos. La ventaja de los detectores de estado sólido es la mayor resolución del espectro de energía resultante. Normalmente se utilizan detectores de NaI (Tl); para aplicaciones más precisas, se han desarrollado detectores de Ge (Li) y Si (Li). Para mediciones más sensibles, se utilizan detectores de germanio de alta pureza en un entorno de nitrógeno líquido. [6]
Detectores de centelleo
Los detectores de centelleo utilizan una fuente fotoluminiscente (como ZnS) que interactúa con la radiación. Cuando una partícula radiactiva se desintegra y golpea el material fotoluminiscente, se libera un fotón. Este fotón se multiplica en un tubo fotomultiplicador que convierte la luz en una señal eléctrica. Esta señal luego se procesa y se convierte en un canal. Comparando el número de recuentos con el nivel de energía (típicamente en keV o MeV) se puede determinar el tipo de desintegración.
Técnicas de separación química
Debido a que los nucleótidos radiactivos tienen propiedades similares a sus equivalentes estables, inactivos, se pueden utilizar técnicas de separación química analítica similares . Estos métodos de separación incluyen precipitación , intercambio iónico , extracción de líquido líquido , extracción de fase sólida , destilación y electrodeposición .
Principios de la química radioanalítica
Pérdida de muestra por comportamiento radiocoloidal
Las muestras con concentraciones muy bajas son difíciles de medir con precisión debido a que los átomos radiactivos se depositan inesperadamente en las superficies. La pérdida de muestras a niveles de trazas puede deberse a la adhesión a las paredes del recipiente y los sitios de la superficie del filtro por adsorción iónica o electrostática , así como a láminas metálicas y portaobjetos de vidrio. La pérdida de muestras es una preocupación siempre presente, especialmente al comienzo de la ruta de análisis, donde los pasos secuenciales pueden agravar estas pérdidas.
Se conocen varias soluciones para sortear estas pérdidas, que incluyen agregar un portador inactivo o agregar un trazador. La investigación también ha demostrado que el tratamiento previo de las superficies de vidrio y plástico puede reducir la absorción de radionúclidos al saturar los sitios. [7]
Adición de portador o trazador
Dado que normalmente se analizan pequeñas cantidades de radionucleidos, la mecánica de manipular cantidades diminutas es un desafío. Este problema se aborda clásicamente mediante el uso de iones portadores . Por tanto, la adición de vehículo implica la adición de una masa conocida de ión estable a la solución de muestra que contiene radionúclidos. El portador es del mismo elemento pero no radiactivo. El portador y el radionúclido de interés tienen propiedades químicas idénticas. Normalmente, la cantidad de vehículo añadido se selecciona convencionalmente para facilitar el pesaje, de modo que la precisión del peso resultante esté dentro del 1%. Para las partículas alfa, se deben aplicar técnicas especiales para obtener las fuentes de muestra delgadas requeridas. El uso de acarreos fue muy utilizado por Marie Curie y se empleó en la primera demostración de fisión nuclear . [8]
La dilución de isótopos es lo contrario de la adición de trazadores. Implica la adición de una cantidad conocida (pequeña) de radionúclido a la muestra que contiene un elemento estable conocido. Este aditivo es el "trazador". Se agrega al inicio del procedimiento de análisis. Una vez registradas las mediciones finales, la pérdida de muestra se puede determinar cuantitativamente. Este procedimiento evita la necesidad de cualquier recuperación cuantitativa, simplificando enormemente el proceso analítico.
Radionucleidos típicos de interés
Elemento | Masa | Vida media (años) | Fuente típica |
---|---|---|---|
Helio | 3 | - estable - | Muestras de aire, agua y biota para bioensayos |
Carbón | 14 | 5.730 | Datación por radiocarbono de materia orgánica, agua |
Hierro | 55 | 2,7 | Producidos en carcasas, recipientes o soportes de hierro y acero para armas y reactores nucleares |
Estroncio | 90 | 28,8 | Producto de fisión común |
Tecnecio | 99 | 214.000 | Producto de fisión común |
Yodo | 129 | 15,7 millones | Trazador de aguas subterráneas |
Cesio | 137 | 30,2 | Armas nucleares y reactores nucleares (accidentes) |
Prometeo | 147 | 2,62 | Producto de fisión de origen natural |
Radón | 226 | 1600 | Lluvia y agua subterránea, atmósfera |
Uranio | 232, 233, 234, 235, 236, 238 | Varía | Elemento terrestre |
Plutonio | 238, 239, 240, 241, 242 | Varía | Reactores y armas nucleares |
Americio | 241 | 433 | Resultado de las interacciones de neutrones con uranio y plutonio |
Seguro de calidad
Como se trata de una técnica de química analítica , el control de calidad es un factor importante a mantener. Un laboratorio debe producir resultados fiables. Esto se puede lograr mediante un esfuerzo continuo de los laboratorios para mantener la calibración del instrumento , la reproducibilidad de las mediciones y la aplicabilidad de los métodos analíticos. [9] En todos los laboratorios debe existir un plan de garantía de calidad. Este plan describe el sistema de calidad y los procedimientos establecidos para obtener resultados consistentes. Dichos resultados deben ser auténticos, debidamente documentados y técnicamente defendibles ". [10] Dichos elementos de garantía de calidad incluyen organización, capacitación del personal, procedimientos operativos de laboratorio, documentos de adquisición, registros de la cadena de custodia, certificados estándar, registros analíticos, procedimientos estándar, control de calidad programa de análisis de muestras y resultados, pruebas de instrumentos y registros de mantenimiento, resultados de proyectos de demostración de desempeño, resultados de evaluación de datos, informes de auditoría y políticas de retención de registros.
El costo de la garantía de calidad aumenta continuamente, pero los beneficios superan con creces este costo. La carga de trabajo promedio de aseguramiento de la calidad se incrementó del 10% a una carga moderna del 20-30%. Este mayor enfoque en el aseguramiento de la calidad asegura que se logren mediciones de calidad confiables. El costo del fracaso supera con creces el costo de la prevención y la evaluación. Finalmente, los resultados deben ser científicamente defendibles al adherirse a regulaciones estrictas en caso de una demanda.
Referencias
- ^ Ehmann, WD, Vance, DE Radioquímica y métodos de análisis nucleares , 1991, 1-20
- ^ Krane, KS Introducción a la física nuclear , 1988, John Wiley & Sons, 3-4.
- ^ "Copia archivada" . Archivado desde el original el 6 de agosto de 2009 . Consultado el 11 de julio de 2009 .CS1 maint: copia archivada como título ( enlace )
- ^ "ChemTeam: escribir ecuaciones alfa y beta" . chemteam.info .
- ^ Loveland, W., Morrissey, DJ, Seaborg, GT, Química nuclear moderna , 2006, John Wiley & Sons, 221.
- ^ Ehmann, WD, Vance, DE Radioquímica y métodos de análisis nucleares , 1991, 220-236.
- ↑ Theirs, RE, Separation, Concentration, and Contamination in Trace Analysis , 1957, John Wiley, 637-666.
- ^ O. Hahn y F. Strassmann (1939). "Über den Nachweis und das Verhalten der bei der Bestrahlung des Urans mittels Neutronen entstehenden Erdalkalimetalle (" Sobre la detección y características de los metales alcalinotérreos formados por irradiación de uranio con neutrones ")". Naturwissenschaften . 27 (1): 11-15. Código Bibliográfico : 1939NW ..... 27 ... 11H . doi : 10.1007 / BF01488241 . S2CID 5920336 ..
- ^ Khan, B. Química radioanalítica , 2007, Springer, 220-243.
- ^ EPA. Informe de la Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. 402-R-97-016 , 2000, QA / G-4
Otras lecturas
- Análisis químico por métodos nucleares , por ZB Alfassi
- Química radioanalítica por J. Tölgyessy y M. Kyrš.
- Química analítica nuclear por J. Tölgyessy, Š. Varga y V. Kriváň. Traducción al inglés: P. Tkáč.