Chemistry

자동화 된 ⁹⁰Sr 분리 및 Ppq 수준에서 실험실에 밸브 시스템 Preconcentration

Published: June 6, 2018 doi: 10.3791/57722

Victor Vicente Vilas¹, Sylvain Millet¹, Miguel Sandow¹, Laura Aldave de las Heras¹

¹Directorate G - Nuclear Safety & Security, Unit G.III. 8 - Waste Management, European Commission, DG Joint Research Centre - JRC

Summary

여기, 우리는 빠른 방사성 분리 및 ⁹⁰Sr, 핵 폐기물에 매우 적절 한 중요 한 분열 제품의 결정을 위한 휴대용 autoRAD 플랫폼을 제시.

Abstract

분리와 radiostrontium 수성 견본, Sr-수 지 및 다중 순차적 흐름 주입 분석를 사용 하 여에서 결정에 대 한 빠른, 자동 및 휴대용 시스템 개발 되었습니다. 방사성 스트론튬의 농도에 의해 흐름 섬광, 온라인 및 또한 현장 확인을 위해 수 있도록 결정 했다. 제안 된 시스템 수성 샘플 당 10 분 미만의 전체 분석 시간을 사용 하 여 추가 수정 없이 산업 관련 수준 방사성 스트론튬을 확인할 수 있습니다. 검출 한계 320 fg·g^-1 (1.7 Bq/g) 이다.

Introduction

약 150 상업 원자력 발전소 (NPP) 폐기, 겪고 있다 하지만 핵 시설의 총 수는 훨씬 더 연구 하 고 재처리 시설 고려¹고려 하는 경우. 핵 시설의 폐기 매우 비용이 많이 드는 교통 포함 및 오염된 물질의 사이트 측정에서. 저축 현장 및 유연한 측정 기법¹을 채택 하 여 수 있습니다. 따라서 빠른 오래 된 핵 시설의 폐기 지원 사이트 분석 방법에 대 한 긴급 한 필요가 있다. 감마 방출 결정 될 수 있다 쉽게 하 고 선택적으로 감마 분광학을 사용 하 여 그러나 하드 측정 (HTM) 방사성²에 대 한 현장 분석 방법에 결핍이 있다. HTM, 가운데 ⁹⁰Sr 독성 및 고 에너지 방출 큰 관심입니다. 그것의 결정은 시간이 소모 하며 방해를 정량화 LSC 또는 분 광 방법³^,^,⁴⁵^,⁶^,⁷^{를 사용 하 여 분리} ⁸^,^,⁹¹⁰^,¹¹^,^,¹²¹³.

표준 방사선 화학 방법을 시간이 많이 소요 되며 종종 스트론튬의 적절 한 수익률을 얻기 위해 반복 해야. 따라서, 신속 하 고 정확한 방법에 대 한 긴급 한 필요가 있다. 표준 분리 프로토콜 외 흐름 주입 기술은 정화 및 radioisotopes⁵^,^,¹⁴¹⁵의 사전 농도에 적용 됩니다. 실험실에 밸브 (LOV) 장치는 흐름 기술을 더 개발. 그들은 다른 커플링 모드 프로그래밍 가능, 플로우 기반 플랫폼 이며 다용도¹⁶전시. 이러한 디바이스 자동 분리 및 검출, 따라서 재현성 및 반복성⁸^,¹⁷^,^,¹⁸¹⁹증가 이전 analytes의 사전 집중 수 있습니다. LOV 시스템 multisyringe 흐름 펌프를 결합 시 약 소모의 최소화로 인해 방사성 핵의 탐지를 위해 널리 사용 되 고 낭비 세대⁸^,¹⁰^,¹⁷^, ¹⁸ ^, ¹⁹ ^, ²⁰. 그럼에도 불구 하 고, 울트라-추적 수준 온라인 탐지에 관한 연구는 스파스⁸^,¹⁷보고.

방사성 물질의 현장 측정 많은 혜택 및 장점, 하지만 ⁹⁰Sr 모니터링에 흐름 섬광의 응용 프로그램입니다. 기본적으로, 정량화 eluate 재미 있는 칵테일¹¹^,^,²¹²²LOV 장치에서 오는 믹스 온라인 검출기를 사용 하 여 이루어집니다. 혼합물은 다음 계산 셀을 통해 펌핑 하 고 측정 쌍된 photomultipliers를 사용 하 여 이루어집니다. 셀의 작은 볼륨으로 인해 측정 시간은 초 규모에서 이다.

이 연구의 목적은 큰 작업 범위, 두 환경 관련 농도 다루는 온라인 스트론튬 검출을 위한 완전 자동화 된 방법의 개발 이며 또한 그 핵 산업 폐기물 스트림에서 발견. 플랫폼 모바일 이며 수성 샘플 현장 분석을 수행 하는 차량에 거치 될 수 있다.

Protocol

참고: 솔루션 ultratrace 분석을 위해 설계 된 장치를 사용 하 여 고 순도 물 (18.2 m ω c m)에서 준비 되었다. 질소 산 소 증 류 장치를 끓는 석 영을 사용 하 여 순화 되었다. 물 정화 시스템 및 하위 끓는 증 류 법 단위는 클린 룸에서 운영 했다.

주의: ⁹⁰Sr은 심하게 독성과 발암 성. 적절 한 안전 관행 엔지니어링 제어 시스템 및 개인 보호 장비를 포함 하 여 실험을 수행할 때 필수적입니다.

1. 실험 준비

참고: 소프트웨어 구조 및 그 기능에 관한 자세한 설명을 찾을 수 있습니다 다른²³.

모듈러 밸브 위치 출구 포트 라디오 흐름 검출기의 엔트리 포트를 연결 합니다.
선택 된 검출기에 트리거 라인을 연결 합니다.
LOV 포트 올바르게 연결 되었는지 확인 합니다. 적절 한 볼륨 작업 솔루션의 전체 프로토콜에 대 한 사용할 수 있습니다 액체 샘플링 튜브 잠긴 상태로 유지 됩니다 확인 하십시오.
에 Autosampler 인지 확인, autosampler 소프트웨어를 시작 하 고 소프트웨어 인터페이스를 통해 초기화는 autosampler. PC와 장치 간의 통신을 생성 하는 초기화 버튼을 클릭 합니다.
AutoRAD 소프트웨어 시작 되었습니다 확인 하 고 옵션 탭을 사용 하 여 통신 포트를 확인 한 사용자 인터페이스를 통해 소프트웨어를 초기화 합니다. 토론 소프트웨어 그래픽 인터페이스에 대 한 자세한 내용은 섹션을 참조 하십시오.
소프트웨어 검출기에서 분석 시퀀스 프로그래밍 되어 있는지 확인 합니다. AutoRAD 소프트웨어에 필요한 단계 수를 입력 하 여 메서드 편집기 탭을 사용 하 여 프로그램 내용을 보려면 시퀀스 작업 그리고 각 장치에 대 한 속도.
참고: 소프트웨어 동작에 대 한 자세한 설명 이전 간행물²³에서 찾을 수 있습니다.
로컬 radioprotection 장교를 상담 하 고 ⁹⁰미스터를 사용 하 여 전체 프로시저에 필요한 radioprotection 측정 사용

2입니다. 시스템 청소

플라스 크에서 90 mL·min^-1에 주사기 18.2 m ω cm 물 10 mL를 로드 합니다. 이 단계에 대 한 위치에 주사기 밸브 위치 설정 되어 있는지 확인 합니다. 이 위치에서 로드 직접 주사기와는 LOV 통해 발생합니다.
물 90 mL·min^-1의 유량에 지주 코일을 통해 폐기물을 드롭.
3 mL·min^-1의 유량에 지주 코일에 에탄올의 3 mL을 로드 합니다. 아웃로 주사기 밸브 위치를 설정 합니다.
3 mL·min^-1의 흐름 속도 검출기 코일에 에탄올을 드롭.

3. 로드는 LOV 수 지

수 지 서 스 펜 션 물 (12 mg·mL^-1)에 감동 하는 동안 3 mL는 LOV 통해 선택 합니다. 3 mL·min^-1 로 흐름을 설정
1.2 mL·min^-1 의 유량에서 열으로 수 지 정지를 드롭
지주 코일을 청소 하 고 열 채널에 수 지 잔류물을 놓습니다. 이 위해, 90 mL·min^-1의 유량에서 주사기에 18.2 m ω cm 물 9 mL 플라스 크에서 로드 합니다. 주사기 밸브 위치에 위치에 있는지 확인 합니다. 3 mL·min^-1의 유량에 지주 코일을 통해 폐기물 물 드롭.

4. 분석 순서

열 조절
1. HNO₃ (4 M) LOV 지주 코일을 통해의 2 개 mL를 로드 합니다. 6 mL·min^-1로 흐름을 설정 합니다.
2. 1.2 mL·min^-1의 유량에 HNO₃ 열에 드롭.
샘플 로드 및 방해의 제거
1. 6 mL·min^-1의 유량에 지주 코일에는 autosampler에서 샘플 (1.3 mL)를 로드 합니다.
2. 열에 샘플 1.2 mL·min^-1의 유량에 드롭.
3. 0.5 mL HNO₃ (4 M) 6 mL·min^-1의 유량에 지주 코일의 부하.
4. 0.5 mL HNO₃ elute 1.2 mL·min^-1의 유량에서 매트릭스 방해를 (4 M)의 열을 씻어.
샘플 및 측정의 차입
1. 6 mL·min^-1의 유량에 지주 코일에 18.2 m ω cm 물 5 mL를 로드 합니다.
2. 탐지기를 트리거하십시오. 2 mL·min^-1 탐지기 소프트웨어를 섬광 액체의 유량을 설정 합니다. 10는 면만 설정 s. 샘플 코일 2 mL의 볼륨이 있다.
3. 열을 씻어.
샘플 조사의 세 정 및 코일을 들고
1. HNO₃ (1%)을 6 mL·min^-1의 유량에 지주 코일의 0.6 mL 로드 합니다.
2. 6 mL·min^-1의 유량에 지주 코일에 공기의 0.6 mL 로드 합니다.
3. 폐기물을 혼합의 1.2 mL 방전.
수 지 교체
1. 3 mL·min^-1의 유량에 지주 코일에 에탄올의 0.2 mL를 로드 합니다.
2. 1.2 mL·min^-1의 유량에서 에탄올의 0.2 mL와 열을 씻어.
3. 0.45 mL·min^-1의 유량에 물 0.5 mL로 열 채널을 플러시.
4. 폐기물을 사용된 수 지 방전.

Representative Results

만든 LabVIEW 기반 소프트웨어에 의해 운영 하는 완전 자동화 된 AUTORAD 플랫폼 되었습니다 개발 하 고 구현 (그림 1). 소프트웨어는 사용자 친화적인 환경 (그림 2)에서 일일 작업에 대 한 충분 한 유연성을 허용 한다. 플랫폼의 다양성 또한 다른 검출기 (그림 3)에 커플링에 의해 증명 되었습니다. 방법의 적용⁹⁰Sr 표준 (그림 4)와 함께 아군 수성 샘플에서 증명 되었습니다. 매개 변수 선형, 선형 범위, 검색 (LOD) 및 반복성의 제한 되었습니다 (그림 5) 평가.

그림 1입니다. 포트 구성 및 사용 하는 시 약을 보여주는 AutoRAD 시스템의 도식 적인 표현입니다. 중앙 포트 지주 코일 (10 mL);를 통해 주사기 펌프에 연결 되어 메타 크 릴 산 LOV 집에서 조작 했다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 2입니다. AutoRAD 소프트웨어 옵션 메뉴. 하단 오른쪽 모서리 영역 할당 된 포트를 표시합니다. 메뉴 아래로 스크롤을 통해 사용자는 할당을 변경할 수 있습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 3입니다. ⁸⁶ Sr 차입 봉우리를 검출기로 유도 결합된 플라즈마 질량 분석 (ICP-MS)를 사용 하 여. 스트론튬은 eluted 양적 열에서 첫 번째 100 동안는 차입의 s. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 4입니다. 34.5 ± 1 Bq ⁹⁰Sr (6.6 pg·g^-1) 차입 피크 검출기로 ß-RAM 5를 사용 하 여. 코일에 체류 시간 이었다 40 s. Sr ⁹⁰대 한 제안 된 방법론의 전반적인 회복 율 70% ± 5% 이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

그림 5입니다. Radiostrontium의 농도 대 수 비율에 대 한 교정 곡선. 좋은 선형성 얻은 (R² = 0.997). 검출 한계는 빈의 3 포인트 3 배 표준 편차에 의해 320 fg·g^-1 ± 5 (1.7 Bq)로 계산 됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.

Discussion

방사능 특성화 및 보호 핵 시설 라이프 사이클의 모든 단계 동안 중요 한 문제가 있습니다. 방사성 핵 종 핵 시설의 폐기 하는 동안 결정에 대 한 필요성 분석 절차의 지속적인 향상을 필요 합니다. 이것은 선택도 및 감도, 분석 시간 단축의 향상 수반. AUTORAD 프로토타입 이러한 요구 사항을 다 하 고 또한, 프로토 타입 휴대용 이며 현장 결정 수 있습니다. 제안된 된 자동화 된 온라인 방법 ⁹⁰수성 샘플에서 Sr 활동의 결심을 위해 성공적으로 적용 되었다.

그림 1 은 AutoRAD 시스템의 회로도 보여준다. 프로토 타입와 통신 상용 그래픽 기반 프로그래밍 언어 LabVIEW 2014을 사용 하 여 달성 되었다. 가상 악기 소프트웨어 아키텍처 (비자) 모드 구성, 프로그래밍 및 제어 인터페이스에 대 한 배포 되었습니다. 그림 2 포트 구성 시스템 초기화 전에 확인 하는 수 있는 그래픽 사용자 인터페이스 화면을 보여줍니다. 뛰어난 융통성을 제공 하 고 있습니다. 그래서 비자 모드는 운영 체제 및 프로그램 환경에 독립적입니다. 개발 된 소프트웨어의 기능과 기본 구조 널리 논의 되었습니다 이전 간행물²⁴. 향상 된 PC RS232 인터페이스를 사용 하 여 동시에 두 burettes의 향상 된 제어 되므로와 가능성 측정을 수행 정지 흐름 모드에서 burettes를 제어 하 여 달성 되었습니다. 대조적으로, RS232 연결 시스템 배 압 증가 했을 때 신속 하 게 반응 합니다. 이 시스템 오류 및 측정으로 이어질 수 있습니다 중지. 따라서, 특별 한 주의 수 지 로드와 샘플의 이온 강도 과정 지불 하고있다.

실험 조건 최적화 실험 방사성 ⁹⁰Sr, 그리고 베타 detctcor 보다는 ICP MS AUTORAD 시스템을 결합 하 여 대리로 스트론튬 안정 동위 원소 ⁸⁶Sr을 사용 하 여 집합에 달성 했다 시스템입니다. 그림 3 에서 Sr 차입 프로필 ICP MS ⁸⁶를 보여준다. 얻은 ⁸⁶Sr 차입 프로필과 이전에 보고 된 결과²⁵, 낮은 압력의 분리 장치 사용 하 여 총 스트론튬에 대 한 완전 한 합의에 빈 되었습니다 뺍니다. 최소 제곱법 선형 회귀 한 여분의 불확실성 요소를 소개 하지 않는 목적 곡선에 맞는 생성 하 사용 되었다. 얻은 선형성은 0.995, p-값 의미 수준 보다는 더 적은. 2 pg·g^-1의 LOD 커리²⁶에 따라 빈의 반복된 측정에 의해 결정 되었다. 3 반복된 실행을 기준으로 계산 하는 피크 지역의 상대 표준 편차에 따라 방법의 재현성 항상 10 ~ 120 pg·g^-1의 범위에서 4% 미만 했다. 어깨 차입 프로필에 목격은 대부분의 자동된 AUTORAD 구성 열 비-최적의 포장 때문 인 위입니다.

⁹⁰Sr 프로필 사용 하 여 그림 4 쇼는 라디오 흐름 검출기. AUTORAD 시스템은 효과적으로 ⁹⁰Sr 수성 샘플에서 분리 수 있습니다.

그림 5 에서는 ⁹⁰신호와 Sr 농도의 의존은 관심의 범위에서 선형. 파생된 검출 한계는 fg입니다. g^-1 범위, 사용, 추가 수정 없이 핵 폐기와 폐기물 특성 샘플 radiostrontium의 결정. 흐름 섬광 검출기를 사용 하 여 피크 영역의 상대 표준 편차에 따라 방법의 재현성 공부 농도 범위에서 30% 전후입니다. 그러나 프로토 타입의 현재 설정, 검출기에서 짧은 시간 때문에 본질적으로 환경 샘플 응용 프로그램을 제한 합니다. 또한, 복잡 한 매트릭스 미니 열에서 수 지를 포화 수 있습니다.

어디 해밀턴 및 라디오 흐름 검출기 펌프 측정 동안 중지, 중지 흐름 기술 구현 됩니다. 이 기능은 샘플 영역 셀 내에 흐름의 가장 큰 부분에 체류 시간을 연장 하 여 감도 향상 됩니다. 따라서, 통계적으로 의미 있는 신호는 샘플 검출기를 종료 하기 전에 acculated를 이다. 이 방법은 계산 통계 및 검출 한계 향상 됩니다. 또한, 새로운 응용 프로그램의 보존에 영향을 미칠 수 있는 매트릭스 구성 요소 제거 및 다른 방사성 핵의 분리에 대 한 추가적인 이온-교환 미니 열을 포함 하 여 복잡 한 matric 샘플에서 개발 되고있다.

Disclosures

저자는 공개 없다.

Acknowledgments

저자 싶습니다 ㄷ 동료와 사람들은 프로젝트의 다른 단계에 참여. JRC 카를스루에 동료 디자인 사무실, Messrs. 디트리히 Knoche와 JRC 카를스루에 워크숍 Messrs. 기독교이 볼드에서 Volkmar 어니스트와 설계 및 밸브 (LOV) 매니폴드에 실험실의 제조에 대 한 요 아 킴 Küst 및 대 한 Ringwald GmbH는 중지 흐름 탐지 모드 기술의 소프트웨어 구현입니다.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
microLAB 600 series	Hamilton	ML600EE6910	Two dual syringe pump system, equiped with two 10 mL glass syringes. The instruments are interconnected using the CAN port (daisy chain).
FlowLogic U	LabLogic	SG-BXX-05	Liquid scintillator with high flash point
ß-RAM 5	LabLogic		flow detector, 2000 μL coiled Teflon flow cell.Software Laura 4.2.8 (LabLogic, England) run on desktop PC and connected to the detector via USB
SC-μ DX Autosampler	Elemental Scientific Instruments (ESI)
Cheminert selector	Valco Instruments Co. Inc.		in-house made Lab-on-Valve has been mounted on this selector
Modular Valve Positioner (MVP)	Hamilton
mini magnetic stirrer	IKA
Nitric Acid Suprapur 65%	Merck	1.00441.1000	purified using quartz sub-boiling distillation unit
Sr-resin	Eichchrom Tecnologies, Inc	SR-B100-A	particle size 100-150 µm
Water system Elix 3 in combination with Mili-Q Element A10	Millipore		high-purity water (18.2 MΩ cm)
Sr-90 standard	Eckert & Ziegler	7090	Sr-90 concentration 1.915 kBq/g ± 3.0%, reference date 15-May-2016 12:00 PST
MLS quartz sub-boiling distillation unit	MLS GmbH		Subboiling unit for the purification of HCl and nitric acid