La química radioanalítica se centra en el análisis del contenido de radionucleidos de las muestras . Se emplean diversos métodos para purificar e identificar el radioelemento de interés mediante métodos químicos y técnicas de medición de muestras.
El campo de la química radioanalítica fue desarrollado originalmente por Marie Curie con contribuciones de Ernest Rutherford y Frederick Soddy . Desarrollaron técnicas de separación química y medición de radiación en sustancias radiactivas terrestres. Durante los veinte años posteriores a 1897 nacieron los conceptos de radionucleidos. [1] Desde la época de Curie, las aplicaciones de la química radioanalítica han proliferado. Los avances modernos en la investigación nuclear y radioquímica han permitido a los profesionales aplicar la química y los procedimientos 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, entre ellos 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: la formación y caracterización de nuevos elementos, la determinación de la edad de los materiales y la creación de reactivos radiactivos para su uso como trazadores específicos en tejidos y órganos. El objetivo permanente de los investigadores radioanalíticos es desarrollar más radionucleidos y reducir las concentraciones en las personas y el medio ambiente.
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 original disminuya en dos protones y dos neutrones. Este tipo de desintegración sigue la relación:
[3]
La desintegración beta se caracteriza por la emisión de un neutrino y un negatrón, que es equivalente 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:
[4]
La emisión de rayos gamma sigue los modos de desintegración que se han analizado anteriormente, cuando la desintegración deja un núcleo hijo en un estado excitado. Este núcleo es capaz de des-excitarse aún más hasta un estado de energía más bajo mediante la liberación de un fotón. Esta desintegración sigue la relación:
[5]
Los detectores de ionización gaseosa recogen y registran los electrones liberados de los átomos y moléculas gaseosos por la interacción de la radiación emitida 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 hacia el ánodo, lo que produce una señal. Es importante variar el voltaje aplicado de modo que la respuesta se encuentre dentro de un rango proporcional crítico.
El principio de funcionamiento de los detectores de semiconductores es similar al de los detectores de ionización de gas, salvo 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 extra sensibles se utilizan detectores de germanio de alta pureza en un entorno de nitrógeno líquido. [6]
Los detectores de centelleo utilizan una fuente fotoluminiscente (como el ZnS) que interactúa con la radiación. Cuando una partícula radiactiva se desintegra y choca con 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 se procesa y se convierte en un canal. Al comparar el número de conteos con el nivel de energía (normalmente en keV o MeV), se puede determinar el tipo de desintegración.
Debido a que los nucleótidos radiactivos tienen propiedades similares a sus contrapartes estables e inactivas, se pueden utilizar técnicas de separación química analítica similares. Estos métodos de separación incluyen precipitación , intercambio iónico , extracción líquido-líquido , extracción en fase sólida , destilación y electrodeposición .
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 traza puede deberse a la adhesión a las paredes del recipiente y a las superficies de los filtros por adsorción iónica o electrostática , así como a láminas metálicas y portaobjetos de vidrio. La pérdida de muestras es una preocupación constante, especialmente al comienzo del proceso de análisis, donde los pasos secuenciales pueden agravar estas pérdidas.
Se conocen varias soluciones para evitar estas pérdidas, entre ellas, la adición de un portador inactivo o la adición de un trazador. Las investigaciones también han demostrado que el pretratamiento de superficies de vidrio y plástico puede reducir la sorción de radionúclidos al saturar los sitios. [7]
Dado que normalmente se analizan pequeñas cantidades de radionucleidos, la mecánica de manipulación de cantidades diminutas es un desafío. Este problema se aborda clásicamente mediante el uso de iones portadores . Por lo tanto, la adición de un portador implica la adición de una masa conocida de ion estable a una solución de muestra que contiene radionucleidos. El portador es del mismo elemento pero no es radiactivo. El portador y el radionucleido de interés tienen propiedades químicas idénticas. Por lo general, la cantidad de portador agregado 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 portadores fue ampliamente utilizado por Marie Curie y se empleó en la primera demostración de la fisión nuclear . [8]
La dilución de isótopos es el proceso inverso 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 añade al comienzo del procedimiento de análisis. Una vez registradas las mediciones finales, se puede determinar cuantitativamente la pérdida de muestra. Este procedimiento evita la necesidad de cualquier recuperación cuantitativa, lo que simplifica enormemente el proceso analítico.
Como se trata de una técnica de química analítica, el control de calidad es un factor importante a mantener. Un laboratorio debe producir resultados confiables. Esto se puede lograr mediante un esfuerzo continuo de un laboratorio para mantener la calibración de los instrumentos , la reproducibilidad de las mediciones y la aplicabilidad de los métodos analíticos. [9] En todos los laboratorios debe haber 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, estar adecuadamente documentados y ser técnicamente defendibles. [10] Dichos elementos de garantía de calidad incluyen la organización, la capacitación del personal, los procedimientos operativos del laboratorio, los documentos de adquisición, los registros de la cadena de custodia, los certificados estándar, los registros analíticos, los procedimientos estándar, el programa y los resultados del análisis de muestras de control de calidad, los registros de pruebas y mantenimiento de los instrumentos, los resultados de los proyectos de demostración del rendimiento, los resultados de la evaluación de datos, los informes de auditoría y las políticas de retención de registros.
El coste de la garantía de calidad aumenta continuamente, pero los beneficios superan con creces este coste. La carga de trabajo media de garantía de calidad ha aumentado del 10% a la actual del 20-30%. Este mayor enfoque en la garantía de calidad garantiza que se logren mediciones de calidad fiables. El coste del fracaso supera con creces el coste de la prevención y la evaluación. Por último, los resultados deben ser defendibles científicamente mediante el cumplimiento de normas estrictas en caso de demanda.
