Спосіб визначення вмісту металів в об’єктах біосфери нейтронно-активаційним методом

Реферат: Спосіб визначення вмісту металів в об'єктах біосфери нейтронно-активаційним методом. Нейтронно-активаційний метод здійснюють системою ИР-100. UA 72228 U (12) UA 72228 U UA 72228 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Винахід належить до області аналітичної та фізичної хімії, зокрема визначення вмісту металів періодичної системи Менделєєва в об'єктах гідро-, літо- і атмосфери та живих об'єктах і може бути використаний в аналітичних лабораторіях фізичного, хімічного та медикобіологічного профілю, в яких досліджуються матеріали бактеріального, рослинного чи тваринного походження, продукції народногосподарського виробництва, в тому числі сплави, -9 -12 матеріали нанотехнічного призначення на вміст металів в концентраціях 10 -10 %. Класичні методи дослідження металів в об'єктах живої та неживої природи -6 використовуються для аналізу об'єктів біосфери, вміст металів, в яких не нижче 10 %. Розвиток нанотехнологій і необхідність досліджувати біологічні мікрооб'єкти (клітини, субклітинні фракції) диктує необхідність використовувати прилади, що дозволяють вимірювати нано- чи пікограмові величини. В останні десятиріччя для вирішення цієї проблеми в аналітичній практиці зроблена спроба ввести високочутливі фізичні методи [Анализ следов элементов. Под ред. Дж. Йо и Г. Коха. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 624 с.] - атомна емісійна спектрометрія, інструментальний нейтронно-активаційний аналіз, лазерна масспектрометрія, EXAFS-спектрометрія та мікросканування пучком синхротронного випромінювання, в основі яких лежить фокусування сильного лазерного променя з довжиною 10 2 хвилі 1,064 мкм і g=10 Вт/см на поверхню досліджуваного зразка, що знаходиться у вакуумній -7 камері мас-спектрометра з тиском р=10 Па. Під дією такого опромінення відбувається утворення лазерної плазми, іонний склад якої ідентичний елементному складу досліджуваного -7 -9 зразка. Даний клас приладів дозволяє визначати метали в кількостях 10 -10 г. Впровадження нових методів для кількісного аналізу металів, концентрація яких не -9 -12 перевищує 10 -10 % в досліджуваних зразках, ґрунтується на використанні складних технічних систем - ядерних реакторів, гамма-спектрометрів, емісійних спектрометрів з індуктивно-зв'язаною аргоновою плазмою тощо [Анализ следов элементов. Под ред. Дж. Йо и Г. Коха. - М.: Издательство иностранной литературы, 1961. - 624 с.]. Нейтронно-активаційний метод з використанням атомних реакторів в сучасній аналітиці є одним з найбільш чутливих і специфічних методів, за допомогою якого можна визначити широкий спектр елементів з масами нанограмових величин. Нейтронно-активаційний аналіз використовують для дослідження тих металів, які: 1) мають великий період напіврозпаду, щоб можна було вести коректно підрахунок імпульсів; 2) випромінюють промені або частинки, які можна підрахувати. З врахуванням цього, нейтронно-активаційним методом можна визначити близько 70 елементів. Варто зауважити, що з цього числа необхідно виключити леткі елементи, оскільки їхнє визначення обмежено через короткий період напіврозпаду утворених ізотопів і низькою чутливістю. Принцип методу полягає в тому, що досліджуваний елемент проби опромінюється потоком нейтронів, в результаті чого метал стає радіоактивним. Величина радіоактивності металу пропорційна вмісту його в пробі. За величиною радіоактивності, яка є пропорційною вмісту металу, вираховується його кількість в пробі. Висока чутливість методів вимірювання радіоактивності, задовільна специфічність характеристик радіоактивних ізотопів (період напіврозпаду енергія випромінювання) та потужні ядерні реактори, що генерують інтенсивні потоки нейтронів роблять нейтронно-активаційний аналіз актуальним і перспективним. Реалізація нейтронно-активаційного аналізу здійснюється у наступні етапи: 1) опромінення точно зваженої проби (5-20 мг) проби і стандарту в хімічно чистих контейнерах протягом експериментально встановленого часу для того, щоб отримати достатню для розрахунків радіоактивність досліджуваного елемента; 2) визначення активності радіонукліда (досліджуваного елемента); 3) порівняння радіоактивності елемента проби з активністю його в стандарті, опроміненому в аналогічних умовах. Розрахунок маси речовини в досліджуваному зразку проводять за формулою: Маса елементу в пробі Активністьелементу в пробі  Маса елементу в стандарті Активністьелементу в стандарті 55 У цьому виразі активність для даної маси речовини прямо пропорційна нейтронному потоку. Тобто, чим вища густина потоку нейтронів, тим вищою буде чутливість виявлення даного ізотопу. Відповідно, для визначення вмісту металів потрібно використовувати ядерний реактор, який є найбільш ефективним і доступним джерелом активації елементів, створюючи для цього потік переважно повільних нейтронів. Перевагою повільних електронів як активуючих частинок є те, 1 UA 72228 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 що має місце одна реакція, тобто, n, -реакція і поперечний переріз цієї реакції є досить високим. Найбільш відомим ядерним реактором для визначення вмісту металів нейтронноактиваційним методом, який можна вибрати за прототип, є Окриджський реактор Х-10 [Leddicotte G.W., Reynolds S.A. Neutron activation analysis: a useful analytical method for determination of trace elements, U.S. Atomic Energy Comm., AECD-3489, 1953]. Значення чутливості, які наводили Леддікот та Рейнольдc для активаційного аналізу на Окриджському 11 2 реакторі Х-10 у потоці 5-10 нейтрон/см сек, дають 40 розпадів/сек. Зразки активуються до насичення протягом 30 діб. При цьому вважають, що за час проведення аналізу випаровується 1 мл зразка. Чутливість методу можна суттєво підвищити, збільшивши об'єм досліджуваного зразка. Одним із основних обмежень є ефект самопоглинання об'ємом зразка випромінювання, яке випускає радіоізотоп. Якщо потрібно збільшити чутливість, то слід вважати допустимими для аналізу зразки із активністю менше, ніж 40 розпадів/сек. За допомогою спеціального технічного обладнання можна визначити активний ізотоп, який має одну десяту частину вказаної активності. Тобто, таке підвищення точності вимагає додаткового дорогого обладнання та значних затрат часу. Задачею корисної моделі є запропонувати такий прилад, яким можна б було визначати вміст металів у біосфері точним нейтронно-активаційним методом без додаткових затрат. Для вирішення задачі корисної моделі запропоновано використовувати для таких цілей ядерний реактор ИР-100. Зокрема, відомо, що на даний час ядерні реактори генерують потоки нейтронів потужністю 1019 2 10 10 нейтронів/см /сек. Ядерні реактори такого класу можуть використовуватися для дослідження металів в біологічних об'єктах з масою декількох нанограм чи десятих долей нанограма (біополімери, внутрішньоклітинні органели, ультрамікродомішки тощо). В даному патенті представлені результати вивчення можливостей ядерного реактора ИР100 для визначення вмісту важких металів в зразках біосфери з вмістом металів нанограмових величин. Будова і властивості ядерного реактора ИР-100 детально описані в документах, якими укомплектований прилад, тому доцільно лише охарактеризувати конструктивні деталі, що мають значення для дослідження мікрокількостей металів у зразках біосфери. Реактор ИР-100 використовується для проведення науково-дослідних та учбових робіт в області молекулярної та ядерної фізики, радіаційної хімії, для виробництва радіоактивних ізотопів, приладів та обладнання, опромінених в полях гамма-квантів, для підготовки спеціалістів по експлуатації ядерних реакторів. Реактор ИР-100 науково-дослідний, гетерогенний, на теплових нейтронах, басейнового типу з використанням як сповільнювач і теплоносій знесолену воду. Нейтронно-фізичні характеристики реактора: теплова потужність 200 кВт; максимальна температура твела 100 °C; максимальна температура на виході із активної зони 55 °C. 12 Максимальні значення густини потоку теплових нейтронів в центрі активної зони 5,40×10 2 нейтронів /см / сек. Сповільнювач і теплоносій - обезсолена вода. Відбивач - обезсолена вода, графіт. Густина потоку теплових нейтронів в експериментальних каналах при потужності 200 кВт складає: 12 2 ГЕК-1 - 1,04 × 10 нейтронів /см / сек; 10 2 ГЕК-2 - 7,40 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ГЕК-3 - 1,20 × 10 нейтронів/см /сек; 12 2 ЦЕК - 5,40 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-1 - 2,24 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-2 - 2,22 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-3 - 0,68 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-4 - 2,22 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-5 - 1,98 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-6 - 1,94 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-7 - 0,60 × 10 нейтронів /см / сек; 12 2 ВЕК-8 - 0,44 × 10 нейтронів /см / сек Зважаючи на такі робочі характеристики ядерного ректора ИР-100, його цілком можна використати для визначення вмісту металів в об'єктах біосфери нейтронно-активаційним методом. При цьому точність методу буде значно вищою. Приклад конкретного виконання 2 UA 72228 U 5 Проба сухого залишку чи золи досліджуваної води масою, яка визначена в попередніх експериментах (найчастіше 5-20 мг) у відповідному тефлоновому чи поліетиленовому контейнері поміщається у центральний чи вертикальний канал і бомбардується потоком 12 2 нейтронів з густиною 5,4×10 нейтронів/см /сек впродовж експериментально встановленого часу для переведення елемента проби в радіоізотоп цього елемента. Таблиця Чутливість нейтронної активації деяких елементів Елемент Rh In Co Аu Ag Sc Cs Mn Та Ag V La As Br Сu I Na 10 Отримані радіоізотопи Rh 116 In 60 Co 198 Au 110 Ag 46 Sc 134 Cs 56 Mn 182 Ta 108 Ag 52 V 140 La 76 As 80 Br 64 Cu 128 I 24 Na 104 Період напіврозпаду Активаційне ділення, барн 44 c 54 хв 5,3 року 2,7 днів 24 с 85 днів 2,3 року 2,6 год. 117 днів 2,3 хв 3,7 хв 40 год. 26,8 год. 18 хв 12,9 год. 25 хв 14,8 год. 138 52 34 95 85 12 26 12 21 34 4,8 9 4 8,5 4,3 6,1 0,48 Поширеність материнського ізотопу, % 100 95,8 100 100 48,6 100 100 100 100 51,4 99,8 99,9 100 50,6 69 100 100 Чутливість, г -12 2*10 -12 5*10 -12 5*10 -12 6*10 -12 7*10 -11 1*10 -11 1*10 -11 1*10 -11 2*10 -11 2*10 -11 3*10 -11 4*10 -11 5*10 -11 5*10 -11 6*10 -11 6*10 -10 1*10 Чутливість нейтронної активації окремих елементів наведена у таблиці. Виходячи з характеристики ізотопу досліджуваного елемента проба після певного періоду відстоювання аналізується по активності, яка представляється в гамма-спектрах. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 Спосіб визначення вмісту металів в об'єктах біосфери нейтронно-активаційним методом, який відрізняється тим, що нейтронно-активаційний метод здійснюють системою ИР-100. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3