Реферат на тему «Метод радиоактивных индикаторов»

Содержание

1. Введение
2. Метод радиоактивных индикаторов
3. Применение метода радиоактивных индикаторов
4. Заключение
5. Список литературы

Введение

Бурное развитие химической науки потребовало в наши дни привлечения новых и чрезвычайно эффективных методов исследования. Метод меченых атомов, или в частном случае метод радиоактивных индикаторов, прочно вошел в практику химических исследований.

Изотопные индикаторы — вещества, имеющие в своем составе химический элемент с изотопным составом, отличающимся от природного. Часто изотопными индикаторами называют сами изотопы-метки, добавляемые в вещество, содержащее природную смесь изотопов данного элемента. Так как поведение изотопов одного элемента в физико-химических процессах практически совпадает, использование изотопных индикаторов позволяет по регистрации изотопа-метки исследовать самодиффузию и миграцию меченого вещества, определять ничтожно малые количества вещества, изучать механизмы химических реакций и биологических процессов. Различают стабильные и радиоактивные изотопные индикаторы в зависимости от того, стабильный или радиоактивный изотоп добавляют в вещество в качестве метки.

В стабильных изотопных индикаторах в качестве метки могут быть использованы изотопы только тех элементов, которые в природе представлены смесями стабильных изотопов. У целого же ряда элементов (В, F, Na, Al, P, I) имеется только один стабильный нуклид, поэтому стабильных изотопных индикаторов, меченных по этим элементам, нет. Кроме того, для применения стабильного изотопа в качестве метки его относительное содержание в пририродной смеси изотопов данного элемента должно быть невелико. Радиоактивные изотопные индикаторы более универсальны: радионуклиды, которые можно использовать как метки, имеются у подавляющего большинства элементов. При этом существует возможность выбора радионуклида-метки среди нескольких радионуклидов, различающихся типом и энергией радиоактивного превращения и периодом полураспада T_1/2. Присутствие радиоактивных изотопных индикаторов в среде устанавливают с помощью радиометрической аппаратуры, детектируя ионизирующее излучение, испускаемое радионуклидом.

Это определяет широкое применение радиоактивных изотопных индикаторов в химии, физике, биологии, медицине и других областях. Большинство используемых радионуклидов- искусственные, получаемые при ядерных реакциях как продукты деления, при проведении активации анализа, радиоактивном распаде долгоживущего «материнского» нуклида.

Цель работы – изучить более подробно метод радиоактивных индикаторов и его применение.

Метод радиоактивных индикаторов

Метод радиоактивных индикаторов («меченых атомов») широко используется в аналитической практике. Он позволяет судить о поведении элементов в различных химических и биологических процессах, в том числе при их разделении и концентрировании в ходе анализа. Метод базируется на том факте, что радиоактивные элементы ведут себя точно так, как эти же элементы в нерадиоактивном состоянии. Другими словами, изотопные эффекты в большинстве химических и биологических процессов в первом приближении отсутствуют.

Метод позволяет быстро и надёжно контролировать степень извлечения элемента при экстракции, ионном обмене, соосаждении и в других случаях. Радиоактивные индикаторы применяют также при изучении механизма химических реакций. Его широко используют в медицине, биологии, экологии и других областях. Он необходим для диагностики ряда заболевании, в частности, онкологических (от греч. ovkog — опухоль и …логия), исследования механизма внутриклеточных биохимических процессов, изучения форм нахождения и транспортировки элементов. [3]

Метод радиоактивных индикаторов основан на идентичности изотопного состава во всей массе анализируемого элемента и адекватности поведения стабильных и радиоактивных изотопов в химических реакциях. В этих методах количественные соотношения между реагирующими веществами в ходе химической реакции устанавливают по изменению (или распределению) активности добавленного радиоактивного изотопа – индикатора. В химическом анализе он применяется в двух основных вариантах: в методе радиометрического титрования и методе изотопного разбавления.

Изотопное разбавление представляет собой универсальный метод количественного анализа. Его целесообразно использовать в тех случаях, когда полное разделение химически подобных веществ затруднительно или невозможно, а выделение в чистом виде некоторой доли анализируемого вещества осуществляется сравнительно просто.

Методы изотопного разбавления сочетают в себе преимущества методов внутреннего стандарта и добавок.

К анализируемому раствору, содержащему т_х граммов определяемого компонента, добавляют т₀ граммов того же компонента, содержащего радионуклид с активностью /₀, т.е. обладающий активностью So ⁼ • После смещения и установления ^то равновесия из системы выделяют т_л граммов компонента в чистом виде и измеряют его активность 1. Удельная активность выделенной части равна

Важно, что для метода изотопного разбавления нет необходимости отделять изучаемый компонент количественно, однако массу выделенной части определяют, используя любой из методов количественного анализа, например гравиметрию. Предел обнаружения ограничен необходимостью определения массы выделенной доли вещества.

Введение субстехиометрического выделения позволяет избежать процедуры измерения массы и снизить предел обнаружения до КГ¹¹ — 10 ⁸ г.

В методе радиометрического титрования радиоактивный изотоп добавляют для определения точки эквивалентности. Как правило, используются реакции осаждения или экстракция. Осадительное титрование применяют при определении больших содержаний аналита, а экстракцию – при определении малых количеств. По мере титрования измеряют активность А водного раствора или органической фазы. По результатам титрования строят «линейные» кривые титрования в координатах A=f(V), по резкому излому которых определяют затраченный на титрование эквивалентный объем (V_экв) титранта точно известной концентрации.

При осадительном титровании, когда радиоактивный изотоп добавляется к аналиту, активность раствора линейно убывает до точки эквивалентности, а далее за точкой эквивалентности остается практически неизменной. По излому кривой титрования определяют эквивалентный объем V_экв титранта. Когда радиоактивный изотоп добавляют к титранту, то до точки эквивалентности активность в растворе практически отсутствует (кроме равновесной), а при малейшем избытке титранта, активность резко возрастает и по излому кривой титрования находят эквивалентный объем титранта. [7]

В ряде случаев радиометрически можно титровать два аналита при их совместном присутствии. Это возможно, когда растворимость образующихся осадков резко различается (для бинарных осадков не менее, чем в 10³ раз). Если при этом «метят» изотопом-индикатором только один из аналитов, то его обязательно добавляют к тому из них, который образует более растворимый осадок и тируется последним.

Последовательность протекания реакций титрования аналитов не имеет значения, если радиоактивными изотопами помечены один из аналитов и титрант.

В экстракционном варианте водную фазу меченого аналита титруют раствором реагента в органическом растворителе (обычно раствором экстрагента) и по мере титрования измеряют активность водной или органической фаз (или обеих фаз) и строят кривые титрования. По излому кривых титрования определяют эквивалентный объем титранта.

Если аналит титруется водным раствором титранта, меченного радиоактивным изотопом, а образующийся продукт реакции (в отличие от исходных веществ) экстрагируется несмешивающимся с водой органическим растворителем. По точкам излома обеих кривых титрования (водной и органической фаз), как правило, получают одинаковые значения эквивалентного объема титранта.

В некоторых случаях и в экстракционном варианте можно последовательно титровать два аналита при их совместном присутствии, но это возможно только в том случае, когда экстрагируемые продукты аналитов (обычно комплексы) резко различаются по устойчивости, например, последовательное титрование Hg²⁺ и Zn²⁺ дитизоном.

Оценивая радиометрические методы, в целом, необходимо отметить такие достоинства, как очень высокая чувствительность активационного анализа и необычная универсальность метода радиоактивных индикаторов, который может быть использован практически в любой области естественных наук и техники. [1]

Общим основным недостатком радиометрических методов является сравнительно невысокая точность определений. Погрешности обычно составляют несколько процентов. Это обусловлено, главным образом, вероятностной природой радиоактивных излучений, влиянием естественного радиоактивного фона, малой эффективностью регистрирующих излучение счетчиков (~10%) и др. Кроме того, недостатком является также необходимость соблюдения специальных мер предосторожности при работе с радиоактивным излучением.

Применение метода радиоактивных индикаторов

Метод радиоактивных индикаторов в горно-геологических и технологических исследованиях широко применяется для изучения механизма процессов, оценки распределения тех или иных веществ в рудах, минералах, растворах, пластах и т.д. Метод обладает высокой разрешающей способностью благодаря возможности измерения малых концентраций индикаторов с высокой точностью в небольших по объёму пробах или непосредственно без отбора проб [2].

Для изучения геологического строения массива горных пород, вскрытого буровыми скважинами, и характера фильтрации воды и других веществ в межскважинном пространстве раствор меченого вещества нагнетают в скважину и регистрируют изменение его концентрации во времени и в окружающих скважинах. Это позволяет устанавливать сообщаемость между скважинами (пластами), определять скорость движения веществ в данном направлении, а при благоприятных условиях количественно определять параметры пластов и режима воздействия на пласты при интенсификации разработки.

При исследованиях в скважине метод радиоактивных индикаторов может использоваться для контроля за динамикой движения бурового раствора, контроля за результатами опробования и испытания скважин, определения технического состояния скважин, выделения проницаемых пластов, направления фильтрации веществ в прискважинной зоне, а также для контроля за эффективностью обработки призабойной зоны с целью интенсификации притока флюида. При модельных исследованиях радиоактивных индикаторов метод позволяет непрерывно контролировать фильтрацию меченого вещества, изучать процессы сорбции и деструкции с высокой точностью.

В геологической практике для межскважинных исследований наиболее часто используют тритий, ¹³¹J, ⁸⁵Kr, для исследований скважин — ¹⁵Na, ⁶⁵Zn, в модельных опытах — ¹³¹J, тритий.

В природе существует естественное распределение радиоактивных изотопов, которое можно использовать при радиоактивных индикаторов методе. Например, природный тритий, концентрации которого в поверхностных водах и глинистых буровых растворах существенно выше, чем в пластовых водах.

В буровой технике и металлургии радиоактивных индикаторов метод используется для изучения структуры сплавов, в т.ч. твердосплавных инструментов, характера износа и абразивной устойчивости наконечников буровых инструментов.

Метод радиоактивных индикаторов позволяет определить характер движения выщелачивающих растворов, реакции компонентов раствора с извлекаемым веществом и вмещающими породами. При микробиологических исследованиях с применением метода радиоактивных индикаторов определяются устойчивость, способ подкормки бактерий и режимы бактериального выщелачивания руд, концентратов и отходов [5].

Хорошие результаты получены при использовании радиоактивных индикаторов метода как в радиометрических, так и в радиографических исследованиях взаимодействия флотационных реагентов с минералами: механизм адсорбции, неравномерный характер закрепления собирателей на поверхности минеральных частиц, действие сочетаний реагентов, взаимосвязь сорбционных процессов с флотируемостью.

Для процессов гравитационного обогащения полезных ископаемых (отсадки, тяжелосреднего обогащения, гидроциклонов) с помощью радиоактивных индикаторов метода получены модели движения частиц, позволившие усовершенствовать аппараты, режимы и параметры процессов.

В гидрометаллургии, обезвоживании и других процессах метод радиоактивных индикаторов позволяет исследовать механизм движения растворов, сорбции, экстракции, фильтрации и т.п.

Для обеспечения требований радиационной безопасности и охраны окружающей среды активность меченого вещества, как правило, выбирают такой, чтобы её значение в отбираемых пробах не превышало допустимой по санитарным нормам для питьевой воды. Гамма-активные индикаторы, например радон, непосредственно в стволе скважины определяют стандартными приборами гамма-каротажа. Бетта-активные индикаторы, например тритий, в отработанных пробах определяют газовыми счётчиками внутреннего наполнения или жидкостными сцинтилляционными счётчиками.

Заключение

Итак, метод радиоактивных индикаторов — это исследование физико-химических, биологических и технологических процессов, основанное на измерении распределения радиоактивного нуклида, находящегося или искусственно введённого в вещество, участвующее в исследуемом процессе или объекте.

В качестве идентифицируемой в веществе «метки» используются нуклиды (чаще всего радиоактивные, реже стабильные), незначительно отличающиеся от атомов исследуемого вещества по физическим и вовсе не отличающиеся по химическим свойствам, благодаря чему не нарушается естественный ход процесса при исследовании.

Метод впервые предложен венгерским радиохимиком Д. Хевеши и немецким химиком Ф. Панетом в 1913 для изучения химических реакций. Выбор нуклида определяется главным образом периодом его полураспада, типом и энергией излучения. В качестве радиоактивных меток используют нуклиды: 3Н, 14С, 32Р, 35S, 13IJ, 15Na, 65Zn, 89Sr и др [4].

Для элементов, существующих в природе в виде одного изотопа (Be, F, Na, Al, Р), применяют искусственные нуклиды. Для измерения ионизирующего излучения используют газоразрядные и сцинтилляционные счётчики, ядерные, фотографические эмульсии и другие детекторы, в случае стабильных изотопов — масс-спектрометр.

В зависимости от метода регистрации радиоактивного индикатора различают радиометрический способ, определяющий количество вещества в отобранной пробе или непосредственно в объекте как функцию концентрации метки и интенсивности радиоактивного излучения, и радиографический способ, позволяющий получить фотографического изображение, а также количественную оценку распределения метки в объекте

Список литературы

1. Бердоносов С.С. Радиоактивные индикаторы в химических исследованиях. 1999.
2. Ванг Ч., Уиллис Д., Радиоиндикаторный метод в биологии, пер. с англ., М., 1969.
3. Заборенко К. Б. Ядернофизические методы анализа веществ, М., 1971.
4. Камен М., Радиоактивные индикаторы в биологии, пер. с англ., М., 1948.
5. Лукьянов В.Б., Бердоносов С.С., Богатырев И.О. и др. Радиоактивные индикаторы в химии: Основы метода. М.: Высш. шк., 1985. 287 с.
6. Нефедов В.Д., Торопова М.А., Кривохатская И.В. и др. Радиоактивные изотопы в химических исследованиях. Л.; М.: Химия, 1965. 246 с.
7. Хевеши Г., Радиоактивные индикаторы, их применение в биохимии, нормальной физиологии и патологической физиологии человека и животных, пер. с англ., М., 1950.