放射分析化学

放射分析化学は、サンプルの放射性核種の含有量の分析に重点を置いています。化学的方法とサンプル測定技術を通じて、さまざまな方法を採用して、対象の放射性元素を精製および識別します 。

放射分析化学の分野は、もともとマリー・キュリーがアーネスト・ラザフォードとフレデリック・ソディの貢献により発展させたものである。彼らは地球上の放射性物質の化学分離と放射線測定技術を開発した。1897年からの20年間で、放射性核種の概念が生まれた。^{[1]キュリーの時代以来、放射分析化学の応用は急増した。核および放射化学研究の現代の進歩により、専門家は化学と核の手順を適用して核の特性と反応を解明し、放射性物質を}トレーサーとして使用し、さまざまな種類のサンプル中の放射性核種を測定できる ようになった。 ^[2]

放射分析化学の重要性は、化学、物理学、医学、薬理学、生物学、生態学、水文学、地質学、法医学、大気科学、健康保護、考古学、工学など、多くの分野に及びます。用途には、新しい元素の形成と特性評価、物質の年代測定、組織や臓器の特定のトレーサーに使用する放射性試薬の作成などがあります。放射分析研究者の継続的な目標は、より多くの放射性核種を開発し、人々と環境における放射性核種の濃度を下げることです。

アルファ崩壊は、アルファ粒子、つまり⁴ He 原子核の放出によって特徴付けられます。この崩壊モードでは、親原子核から陽子 2 個と中性子 2 個が減少します。このタイプの崩壊は、次の関係に従います。

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

ベータ崩壊は、ニュートリノと電子に相当する陰性電子の放出を特徴とします。このプロセスは、原子核が安定同重体と比較して陽子に対して中性子が過剰である場合に発生します。このタイプの遷移により、中性子が陽子に変換されます。同様に、陽子が中性子に変換されると、陽電子が放出されます。これらの崩壊は次の関係に従います。

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

ガンマ線の放出は、崩壊によって娘核が励起状態にあるときに、前述の崩壊モードに従います。この核は、光子の放出によってさらに低いエネルギー状態に脱励起することができます。この崩壊は次の関係に従います。

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

ガスイオン化検出器は、発生源から放出された放射線との相互作用によってガス原子および分子から解放された電子を収集して記録します。密閉されたシステム内の 2 つの電極間に電圧電位が適用されます。ガス原子は放射線と相互作用した後にイオン化されるため、陽極に引き寄せられて信号が生成されます。応答が臨界比例範囲内に収まるように、印加電圧を変化させることが重要です。

半導体検出器の動作原理はガスイオン化検出器に似ていますが、ガス原子のイオン化の代わりに自由電子と正孔が生成され、電極で信号が生成されます。固体検出器の利点は、結果として得られるエネルギースペクトルの解像度が高いことです。通常はNaI(Tl)検出器が使用されますが、より正確な用途にはGe(Li)およびSi(Li)検出器が開発されています。超高感度測定には、液体窒素環境下で高純度ゲルマニウム検出器が使用されます。^[6]

シンチレーション検出器は、放射線と相互作用する発光源（ZnS など）を使用します。放射性粒子が崩壊して発光物質に当たると、光子が放出されます。この光子は光電子増倍管で増幅され、光を電気信号に変換します。次に、この信号が処理されてチャネルに変換されます。カウント数をエネルギー レベル（通常は keV または MeV）と比較することで、崩壊の種類を判定できます。

放射性ヌクレオチドは、安定した不活性のヌクレオチドと同様の特性を持っているため、同様の分析化学分離技術を使用できます。これらの分離方法には、沈殿、イオン交換、液液抽出、固相抽出、蒸留、および電気めっきが含まれます。

非常に低濃度のサンプルは、放射性原子が予期せず表面に沈着するため、正確に測定することが困難です。微量レベルのサンプル損失は、イオン吸着または静電吸着による容器壁やフィルター表面への付着、金属箔やガラススライドによるものと考えられます。サンプル損失は常に存在する懸念事項であり、特に分析パスの最初には、連続したステップによって損失が増大する可能性があります。

これらの損失を回避するためのさまざまな解決策が知られており、不活性キャリアの追加やトレーサーの追加などが含まれます。また、研究では、ガラス製品やプラスチックの表面を前処理することで、その部位を飽和させることで放射性核種の吸着を減らすことができることも示されています。^[7]

通常、分析される放射性核種は少量であるため、微量を操作する仕組みは困難です。この問題は、従来、キャリアイオンの使用によって解決されています。したがって、キャリアの追加には、既知の質量の安定したイオンを放射性核種を含むサンプル溶液に追加することが含まれます。キャリアは、同じ元素ですが、非放射性です。キャリアと対象の放射性核種は、同じ化学的性質を持っています。通常、追加されるキャリアの量は、結果の重量の精度が 1% 以内になるように、計量しやすいように通常選択されます。アルファ粒子の場合、必要な薄いサンプルソースを取得するために特別な技術を適用する必要があります。キャリアの使用は、マリー・キュリーによって頻繁に使用され、核分裂の最初の実証に使用されました。^[8]

同位体希釈はトレーサー添加の逆です。既知の安定元素を含むサンプルに、既知の (少量の) 放射性核種を追加します。この添加物が「トレーサー」です。分析手順の開始時に追加します。最終測定が記録された後、サンプル損失を定量的に判定できます。この手順により、定量的な回収が不要になり、分析プロセスが大幅に簡素化されます。

これは分析化学技術であるため、品質管理は維持すべき重要な要素です。研究室は信頼できる結果を出さなければなりません。これは、機器の 校正、測定の再現性、分析方法の適用性を維持するための研究室の継続的な努力によって達成できます。^[9] すべての研究室には品質保証計画が必要です。この計画には、一貫した結果を得るために実施されている品質システムと手順が記載されています。このような結果は、本物であり、適切に文書化され、技術的に防御可能でなければなりません。」^[10] 品質保証のそのような要素には、組織、人員トレーニング、研究室の操作手順、調達文書、保管記録、標準証明書、分析記録、標準手順、QCサンプル分析プログラムと結果、機器のテストとメンテナンス記録、パフォーマンス実証プロジェクトの結果、データ評価の結果、監査レポート、記録保持ポリシーが含まれます。

品質保証のコストは継続的に上昇していますが、そのメリットはこのコストをはるかに上回ります。品質保証の平均的な作業負荷は、10% から現代の 20～30% に増加しました。品質保証への重点がこのように高まることで、信頼性の高い品質測定が実現されます。失敗のコストは、予防と評価のコストをはるかに上回ります。最後に、訴訟が発生した場合には、厳格な規制を遵守して結果を科学的に正当化できる必要があります。

• 核法による化学分析、ZBアルファッシ著
• J. Tölgyessy および M. Kyrš による放射分析化学。
• 核分析化学、J. Tölgyessy、Š.ヴァルガとV. クリバン。英語翻訳: P. Tkáč.