Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Automatisert 90Sr separasjon og Preconcentration i en Lab-på-ventilen systemet på Ppq nivå

Published: June 6, 2018 doi: 10.3791/57722
Automatic Translation
1, 1, 1, 1
1Directorate G - Nuclear Safety & Security, Unit G.III. 8 - Waste Management, European Commission, DG Joint Research Centre - JRC

Summary

Her presenterer vi den bærbare autoRAD plattformen for rask radiometric fargeseparasjoner og fastsettelse av 90Sr, en viktig fisjon produkt svært relevant for atomavfall.

Abstract

Et raskt, automatisert og transportabel system for separasjon og fastsettelse av radiostrontium i vandig prøver, Sr-harpiks og multi sekvensielle flyten injeksjon analyse, har blitt utviklet. Konsentrasjonen av radioaktivt strontium ble fastsatt av flyt scintillation teller, slik at for on-line og også på vilje. Banen kan bestemme radioaktivt strontium på industrielt relevante nivå uten videre endringer ved hjelp av totale analyse tiden mindre enn 10 min per vandig prøve. Grensen for deteksjon er 320 fg·g-1 (1,7 Bq/g).

Introduction

150 kommersielle kjernefysiske anlegg (NPP) er under avvikling, men det totale antallet KJERNEKRAFTANLEGG er mye større hvis forskning og reprosessering fasiliteter er tatt i betraktning1. Avvikling av kjernefysiske anlegg er svært dyrt og involverer transport og off site målingen av forurenset materiale. Besparelser er mulig ved å vedta på stedet og fleksibel måling teknikker1. Det er derfor et presserende behov for rask på nettstedet analytiske metoder støtter avvikling av gamle kjernefysiske anlegg. Gamma-sendere kan enkelt og selektivt bestemmes gamma-spektroskopi, men det er en mangel i stedets analytiske metoder for vanskelig å måle (HTM) Radionuklider2. Blant HTM, 90Sr er av stor interesse pga toksisitet og høy energi-utslipp. Dens beslutning er tidkrevende og krever separasjon fra forstyrrelser og kvantifisering bruker Lexmarks Løsningssenter eller spektroskopiske metoder3,4,5,6,7, 8,,9,,10,,11,,12,,13.

Standard radiochemical metoder er tidkrevende og krever ofte repetisjoner å få en tilstrekkelig avkastning på strontium. Derfor er det et presserende behov for raskere og nøyaktig metoder. I tillegg til standard separasjon protokollene, er flyt injeksjon teknikker brukt i rensing og/eller pre konsentrasjon radioisotopes5,14,15. Lab-på-ventil (My) enheter er en videreutvikling i flyt teknikker. De programmerbare, flyt-baserte plattformer med forskjellige kopling moduser og viser høy allsidighet16. Slike enheter kan automatisk separasjon og pre konsentrasjonen av analytter før oppdagelsen, dermed øker reproduserbarhet og repeterbarhet8,17,18,19. MIN systemer koplet til multisyringe flow pumper brukt mye for påvisning av Radionuklider, på grunn av minimering av reagens forbruk og avfall generasjon8,10,17, 18 , 19 , 20. likevel rapportert studier om online gjenkjenning på ultra-sporingsnivåer er sparsom8,17.

Stedets målinger av radioaktivt materiale har mange fordeler og fordeler, men programmer ingen av flyt scintillation 90Sr overvåking. I utgangspunktet oppnås kvantifisering ved hjelp av en online detektor som blander eluate kommer fra min enhet med det glimrende cocktail11,21,22. Blandingen blir så pumpet gjennom telling cellen og måling er laget ved hjelp av sammenkoblede photomultipliers. På grunn av lite antall cellen er måling tiden i sekunder skalaen.

Målet med denne forskningen er utviklingen av en helautomatisk metode for påvisning av on-line strontium over en stor arbeidsområdet, som dekker både miljøvennlig relevante konsentrasjoner også finnes i atomindustrien avfallsstrømmer. Plattformen er mobile og kan monteres i en bil å utføre på stedet analyse av vandig prøver.

Protocol

Merk: Løsninger ble utarbeidet av høy renhetsgrad vann (18.2 MΩ cm) bruker enheter designet for ultratrace analyse. Salpetersyre var renset med en quartz sub kokende destillasjon enhet. Både det vannrensing systemet og sub kokende destillasjon enheten ble operert i et rent rom.

Forsiktig: 90Sr er akutt giftige og kreftfremkallende. Nødvendige sikkerhets praksis er avgjørende når du utfører eksperimenter, inkludert engineering kontrollsystemer og personlig verneutstyr.

1. eksperiment forberedelse

Merk: En detaljert beskrivelse om programvaren arkitekturen og dens funksjonaliteter kan finnes andre steder23.

  1. Koble modulære ventilstilling Avslutt porten til ankomststed av radio strømmen detektor.
  2. Koble utløser linjen til valgte detektor.
  3. Kontroller at min portene er riktig koblet. Kontroller at det finnes tilstrekkelig mengder arbeider løsninger for hele protokollen og at flytende prøvetaking rør vil være neddykket.
  4. Sikre at Autosampler er på start autosampler programvare og via programvaregrensesnitt, initialisere autosampler. Klikk initialisere for å generere kommunikasjonen mellom apparatet og PC.
  5. Sikre AutoRAD programvaren er startet, kontrollere kommunikasjonsporter ved hjelp av kategorien Alternativer og initialisere programvaren via brukergrensesnittet. Se drøftingen for mer informasjon om programvaren grafisk grensesnitt.
  6. Kontroller at analyse sekvensen er programmert i detektoren programvare. Vew gjennomløp i kategorien Method editor i AutoRAD programvaren, ved å angi antall trinn nødvendig og oppgaver og hastighet for hver enhet.
    Merk: En detaljert beskrivelse av programvare operasjonen finner i forrige publikasjonen23.
  7. Kontakt det lokale radioprotection offiseren og ansette radioprotection målingene nødvendig for den komplette prosedyren bruker 90Sr.

2. system rensning

  1. Laste inn 10 mL 18.2 MΩ cm vann fra flasken til sprøyten på 90 mL·min-1. Kontroller at ventilstyring sprøyten er satt til i posisjon for dette trinnet. I denne posisjonen skjer lasting direkte til sprøyten og ikke gjennom min.
  2. Slippe vann til avfall via holder spolen på en strømningshastighet på 90 mL·min-1.
  3. Laste inn 3 mL etanol holder spolen på en strømningshastighet på 3 mL·min-1. Angi ventilstyring sprøyten til ut.
  4. Send etanol detektor spolen på en strømningshastighet på 3 mL·min-1.

3. Legg skal min

  1. Mens røring harpiks suspensjon i vann (12 mg·mL-1), plukke opp 3 mL via min. Angi flyten til 3 mL·min-1
  2. Slipp harpiks suspensjon i kolonnen kanalen på en strømningshastighet på 1,2 mL·min-1
  3. Rengjør holder spolen og slipp harpiks rester på kolonnen kanalen. For dette, laste 9 mL 18.2 MΩ cm vann fra flasken til sprøyten på en strømningshastighet på 90 mL·min-1. Kontroller at ventilstyring sprøyten er i i posisjon. Slippe vann til avfall via holder spolen på en strømningshastighet på 3 mL·min-1.

4. analysen sekvens

  1. Kolonnen condition
    1. Legg 2 mL HNO3 (4 M) via min på holder spolen. Angi flyten 6 mL·min-1.
    2. Send HNO3 på kolonnen på en strømningshastighet på 1,2 mL·min-1.
  2. Eksempel lasting og eliminering av forstyrrelser
    1. Laste utvalg (1,3 mL) fra autosampler å holde spolen på en strømningshastighet på 6 mL·min-1.
    2. Send prøven på kolonnen på en strømningshastighet på 1,2 mL·min-1.
    3. Last 0,5 mL HNO3 (4 M) på holder spolen på en strømningshastighet på 6 mL·min-1.
    4. Skyll kolonnen med 0,5 mL HNO3 (4 M) til elute matrise forstyrrelser på en strømningshastighet på 1,2 mL·min-1.
  3. Elueringsrør utvalg og måling
    1. Laste 5 mL 18.2 MΩ cm vann på holder spolen på en strømningshastighet på 6 mL·min-1.
    2. Utløse detektoren. Angi inntakets scintillation væske til 2 mL·min-1 i detektor programvaren. Angi bor til 10 s. Eksempel-coil har et volum 2 ml.
    3. Skyll kolonnen.
  4. skylling av prøven sonden og holder spolen
    1. Last 0,6 mL HNO3 (1%) på holder spolen på en strømningshastighet på 6 mL·min-1.
    2. Last 0,6 mL av luft til holder spolen på en strømningshastighet på 6 mL·min-1.
    3. Utslipp 1,2 mL blandingen til avfall.
  5. Harpiks erstatning
    1. Last 0,2 mL etanol holder spolen på en strømningshastighet på 3 mL·min-1.
    2. Skyll kolonnen med 0,2 mL etanol på en strømningshastighet på 1,2 mL·min-1.
    3. Tøm kolonnen kanalen med 0,5 mL vann på en strømningshastighet på 0,45 mL·min-1.
    4. Utslipp brukte harpiks til avfall.

Representative Results

Fullt automatisert AUTORAD plattformen drives av hjemmelaget LabVIEW-basert programvare er utviklet og implementert (figur 1). Programvaren gir tilstrekkelig fleksibilitet for daglige driften i et brukervennlig miljø (figur 2). Allsidigheten til plattformen har også vist ved å koble det til ulike detektorer (Figur 3). Anvendelse av metoden har blitt demonstrert i vandig prøver spiked med 90Sr standard (Figur 4). Parametere linearitet, lineær range, grensen for påvisning (LOD) og repeterbarhet har vært vurdert (figur 5).

Figure 1
Figur 1. Skjematisk fremstilling av AutoRAD systemet viser portkonfigurasjon og anvendte reagensene. Sentrale porten er koblet til sprøytepumpen via holder spolen (10 mL); methacrylate min ble fabrikkert i huset. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 2
Figur 2. AutoRAD programvare Alternativer menyen. Nederste høyre hjørne området viser tilordnede portene. Via rullegardinmenyen er brukeren kjøpedyktig gjøre endringer i oppdraget. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 3
Figur 3. 86 SR elueringsrør topper bruker en Induktivt kombinert plasma massespektrometri (ICP-MS) som en detektor. Strontium er elut kvantitativt kolonnen under de første 100 s av tilsettes. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4. 34,5 ± 1 Bq 90Sr (6.6 pg·g-1) elueringsrør topp med ß-RAM 5 som detektor. Botid i CoILen var 40 s. Generelle utvinningsgrad på foreslåtte metodikken for 90Sr er 70% ± 5%. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5. Kalibreringskurven for det antall rate kontra konsentrasjonen av radiostrontium. En god linearitet ble innhentet (R2 = 0.997). Deteksjonsgrensen beregnet som 320 fg·g-1 ± 5 (1,7 Bq) av tre punkt tre ganger standardavviket for tomt. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Radiologisk karakterisering og beskyttelse er av avgjørende betydning under alle faser av en kjernefysisk anlegg livssyklus. Behovet for radionuklidenes vilje under avvikling av kjernefysiske anlegg krever kontinuerlig forbedring av analytiske prosedyrer. Dette innebærer styrking av selektivitet og følsomhet og redusere tiden det analyse. AUTORAD prototypen oppfyller disse kravene. I tillegg prototypen er bærbar og lar stedets besluttsomhet. Den foreslåtte automatiserte online metoden ble brukt for fastsettelse av 90Sr aktivitet i vandig prøver.

Figur 1 viser en skjematisk diagram av AutoRAD. Kommunikasjon med prototypen ble oppnådd ved hjelp av kommersielle grafiske programmeringsspråket LabVIEW 2014. Den virtuelle maskinen programvare arkitektur (VISA) modusen for konfigurering, programmering og kontrollere grensesnitt ble distribuert. Figur 2 viser grafisk bruker grenseflate skjermen der portkonfigurasjonen kan bekreftes før systemoppsettet. VISA modusen er uavhengig på operativsystemet og programmet miljø, så det gir eksepsjonell allsidighet. Grunnleggende struktur og funksjoner av utviklet programvaren har vært mye diskutert i forrige publikasjonen24. Forbedringer oppnådd ved å kontrollere burettes av PC med en RS232-grensesnitt, slik at bedre kontroll over begge burettes samtidig og muligheten til å utføre målinger i stoppmodus flyt. Derimot reagerer RS232-kopling raskt når systemet backpressure øker. Dette kan føre til systemfeil og måling stoppe. Derfor må spesiell oppmerksomhet betales under harpiks lasting og ioniske styrke av prøvene.

Optimalisering av eksperimentelle forhold ble oppnådd i en rekke eksperimenter med strontium stabil isotop 86Sr som et surrogat for radioaktivt 90Sr, og ved å koble AUTORAD systemet til ICP-MS i stedet for en beta detctcor system. Figur 3 viser den ICP-MS 86Sr elueringsrør profiler. Den fått 86Sr elueringsrør profiler er i full enighet med tidligere rapportert resultater for totalt strontium ved hjelp av lavtrykk separasjon enheter25, og har vært tom trukket. Metoden minste kvadraters lineær regresjon ble brukt til å generere en anfall for hensikt kurven som ikke innføre en ekstra usikkerhet komponent. Linearitet innhentet var 0.995, med p-verdier mindre enn signifikansnivået. LOD av 2 pg·g-1ble bestemt av gjentatte målinger av tomt etter Currie26. Reproduserbarhet av metoden, basert på relative standardavviket for peak området beregnes på grunnlag av tre gjentatte ganger, var alltid mindre enn 4% i området fra 10 til 120 pg·g-1. Skulderen vitne i elueringsrørets profiler er mest sannsynlig en gjenstand på grunn av ingen-optimal pakking for kolonnen i den automatiserte AUTORAD konfigurasjonen.

Figur 4 viser 90Sr profil ved hjelp av radio strømmen detektoren. AUTORAD systemet er i stand til å effektivt skille 90Sr i vandig prøver.

Figur 5 viser avhengigheten av 90Sr konsentrasjon med signalet er lineær i området rundt. Avledede oppdagelsen grensen er i fg. g-1 rekkevidde, aktivere, uten videre endringer, fastsettelse av radiostrontium i kjernefysiske avvikling og avfall karakterisering prøver. Reproduserbarhet av metoden bruker flyt scintillation detektoren og basert på relative standardavviket av peak er rundt 30% i området studerte konsentrasjon. Det gjeldende oppsettet av prototypen, begrenser imidlertid sin søknad til miljøprøver, hovedsakelig på grunn av den korte tiden teller på detektoren. Videre kan komplekse matriser mette harpiks i mini-kolonnen.

Stoppet-flow teknikken, hvor både Hamilton og radio flow detektor pumpe stoppes under målingen, iverksettes. Denne funksjonen forbedrer sensitiviteten ved å utvide botid i den største delen av sonen utvalg i flyt cellen. Dermed er et statistisk meningsfull signal acculated før prøven avslutter detektoren. Denne tilnærmingen vil forbedre både telling statistikken og gjenkjenning grensene. I tillegg blir en ny søknad utviklet inkludert en ekstra ion-exchange mini kolonne for fjerning av matrix komponenter som kan påvirke oppbevaring og separasjon av ulike Radionuklider i komplekse matric prøver.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Forfatterne ønsker å markere kolleger og folk involvert i de ulike trinnene i prosjektet. Kolleger i JRC Karlsruhe design kontor, Messrs Dietrich Knoche og Volkmar Ernest, i JRC Karlsruhe Workshop Messrs Christian Diebold og Joachim Küst for design og produksjon av lab på ventilen (My) manifold og Ringwald GmbH for den programvareimplementeringen av stoppet-flow oppdagelsen modus teknikken.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Zapata-García, D., Wershofen, H. Development of radiochemical analysis strategies for decommissioning activities. Applied Radiation and Isotopes. 126, 204-207 (2017).
  2. Hou, X. Radiochemical analysis of radionuclides difficult to measure for waste characterization in decommissioning of nuclear facilities. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 273 (1), 43-48 (2007).
  3. Chung, K. H., et al. Rapid determination of radiostrontium in milk using automated radionuclides separator and liquid scintillation counter. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 304 (1), 293-300 (2015).
  4. Desmartin, P., Kopajtic, Z., Haerdi, W. Radiostrontium-90 (90Sr) Ultra-Traces Measurements by Coupling Ionic Chromatography (HPIC) and on Line Liquid Scintillation Counting (OLLSC). Environmental Monitoring and Assessment. 44 (1), 413-423 (1997).
  5. Grate, J. W., Strebin, R., Janata, J., Egorov, O., Ruzicka, J. Automated Analysis of Radionuclides in Nuclear Waste: Rapid Determination of 90Sr by Sequential Injection Analysis. Analytical Chemistry. 68 (2), 333-340 (1996).
  6. Holmgren, S., Tovedal, A., Björnham, O., Ramebäck, H. Time optimization of 90Sr measurements: Sequential measurement of multiple samples during ingrowth of 90Y. Applied Radiation and Isotopes. 110, 150-154 (2016).
  7. Kavasi, N., et al. Measurement of 90Sr in soil samples affected by the Fukushima Daiichi Nuclear Power Plant accident. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 303 (3), 2565-2570 (2015).
  8. Kołacińska, K., et al. Automation of sample processing for ICP-MS determination of 90Sr radionuclide at ppq level for nuclear technology and environmental purposes. Talanta. 169, 216-226 (2017).
  9. Lazare, L., Crestey, C., Bleistein, C. Measurement of 90Sr in primary coolant of pressurized water reactor. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 279 (2), 633-638 (2009).
  10. Mola, M., et al. Determination of 90Sr and 210Pb in sludge samples using a LOV-MSFIA system and liquid scintillation counting. Applied Radiation and Isotopes. 86, 28-35 (2014).
  11. Plionis, A. A., Gonzales, E. R., Landsberger, S., Peterson, D. S. Evaluation of flow scintillation analysis for the determination of Sr-90 in bioassay samples. Applied Radiation and Isotopes. 67 (1), 14-20 (2009).
  12. Temba, E. S. C., Reis Júnior, A. S., Amaral, ÂM., Monteiro, R. P. G. Separation and determination of 90Sr in low- and intermediate-level radioactive wastes using extraction chromatography and LSC. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 290 (3), 631-635 (2011).
  13. Tomita, J., Yamamoto, M., Nozaki, T., Tanimura, Y., Oishi, T. Determination of low-level radiostrontium, with emphasis on in situ pre-concentration of Sr from large volume of freshwater sample using Powdex resin. Journal of Environmental Radioactivity. 146, 88-93 (2015).
  14. Egorov, O., Grate, J. W., Ruzicka, J. Automation of radiochemical analysis by flow injection techniques: Am-Pu separation using TRU-resin™ sorbent extraction column. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 234 (1), 231-235 (1998).
  15. Rodríguez, R., Avivar, J., Leal, L. O., Cerdà, V., Ferrer, L. Strategies for automating solid-phase extraction and liquid-liquid extraction in radiochemical analysis. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 76, 145-152 (2016).
  16. Miró, M., Oliveira, H. M., Segundo, M. A. Analytical potential of mesofluidic lab-on-a-valve as a front end to column-separation systems. TrAC Trends in Analytical Chemistry. 30 (1), 153-164 (2011).
  17. Kołacińska, K., et al. Automation of sample processing for ICP-MS determination of 90Sr radionuclide at ppq level for nuclear technology and environmental purposes. Talanta. , (2016).
  18. Rodríguez, R., Avivar, J., Ferrer, L., Leal, L. O., Cerdà, V. Automated total and radioactive strontium separation and preconcentration in samples of environmental interest exploiting a lab-on-valve system. Talanta. 96, 96-101 (2012).
  19. Rodríguez, R., et al. Automation of 99Tc extraction by LOV prior ICP-MS detection: Application to environmental samples. Talanta. 133, 88-93 (2015).
  20. Villar, M., et al. Automatic and Simple Method for 99Tc Determination Using a Selective Resin and Liquid Scintillation Detection Applied to Urine Samples. Analytical Chemistry. 85 (11), 5491-5498 (2013).
  21. L'Annunziata, M. F. Handbook of Radioactivity Analysis. , Third Edition, Academic Press. 1117-1178 (2012).
  22. Roane, J. E., DeVol, T. A., Leyba, J. D., Fjeld, R. A. The use of extraction chromatography resins to concentrate actinides and strontium from soil for radiochromatographic analyses. Journal of Environmental Radioactivity. 66 (3), 227-245 (2003).
  23. Barbesi, D., et al. A LabVIEW®-based software for the control of the AUTORAD platform: a fully automated multisequential flow injection analysis Lab-on-Valve (MSFIA-LOV) system for radiochemical analysis. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 313 (1), 217-227 (2017).
  24. Barbesi, D., et al. A LabVIEW®-based software for the control of the AUTORAD platform: a fully automated multisequential flow injection analysis Lab-on-Valve (MSFIA-LOV) system for radiochemical analysis. Journal of Radioanalytical and Nuclear. , 1-11 (2017).
  25. Strahlenschutz, F. f Moderne Routine- und Schnellmethoden zur Bestimmung von SR-89 und SR-90 bei der Umweltüberwachung : Bericht einer Ad-hoc-Arbeitsgruppe des Arbeitskreises Umweltüberwachung (AKU). , Fachverband für Strahlenschutz e.V. (2008).
  26. Currie, L. A. Limits for qualitative detection and quantitative determination. Application to radiochemistry. Analytical Chemistry. 40 (3), 586-593 (1968).

Tags

Kjemi problemet 136 automatisering flyt injeksjon analyse radiostrontium flyt scintillation Lab-på-ventil vanskelig å måle Radionuklider
Automatisert <sup>90</sup>Sr separasjon og Preconcentration i en Lab-på-ventilen systemet på Ppq nivå
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Vicente Vilas, V., Millet, S.,… More

Vicente Vilas, V., Millet, S., Sandow, M., Aldave de las Heras, L. Automated 90Sr Separation and Preconcentration in a Lab-on-Valve System at Ppq Level. J. Vis. Exp. (136), e57722, doi:10.3791/57722 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter