Entwicklung radioanalytischer Schnellmethoden im Radioökologielabor

Im Notfallschutz und bei der nuklearspezifischen Gefahrenabwehr sind möglichst rasche Informationen über die Kontamination unerlässlich, um die radiologische Situation bewerten und gegebenenfalls Maßnahmen ergreifen zu können. Für die Bestimmung rein alpha- und betastrahlender Isotope stehen in der Regel nur aufwendige, zeitintensive radiochemische Verfahren zur Verfügung. Außerdem sind viele Analyseverfahren auf einfache Matrizen beschränkt. Daher ist für Notfallsituationen die Entwicklung schneller und allgemein anwendbarer radioanalytischer Methoden entscheidend.

Zielsetzung

In einem radiologischen Notfall sollten schnelle radioanalytische Methoden die Entscheidungsträger dabei unterstützen, die richtigen Maßnahmen zu treffen, um die Strahlenexposition der Bevölkerung zu vermeiden oder zu minimieren. Insbesondere für rein alpha- oder betastrahlende Radionuklide, bei denen die Messung ohne aufwendige Probenvorbereitung und radiochemische Trennungsschritte in der Regel nicht möglich ist, sind hierfür Analyseverfahren, die für möglichst viele Proben Matrizen anwendbar sind, essentiell. In manchen Fällen ist zudem die Menge der verfügbaren Probe ein limitierender Faktor, da die Probenmenge eventuell nicht für alle zu bestimmenden Nuklide ausreicht. Um diese Herausforderungen zu meistern, sollten kombinierte Schnellmethoden, die möglichst universell für viele Probenarten anwendbar sind, entwickelt werden. Diese erlauben die gleichzeitige und schnelle Bestimmung mehrerer Radionuklide in einem Probenaliquot, also einer Teilprobe.

Durchführung

Das Ziel einer Promotionsarbeit im Radioökologielabor war, bestehende radiochemische Analysemethoden im Hinblick auf den erforderlichen Zeitaufwand zu optimieren und neue (Schnell )Verfahren für komplexe Matrizen zu entwickeln. Der Fokus lag dabei insbesondere auf der Bestimmung wichtiger rein alpha- und betastrahlender Leitnuklide wie Pu-239/Pu-240 und Sr-90 in Lebensmitteln und Umweltproben.

Die Promotionsarbeit wurde in drei große Arbeitspakete unterteilt. Im ersten Arbeitspaket wurde eine umfassende Literaturrecherche durchgeführt. Das zweite Arbeitspaket befasste sich mit der tatsächlichen Methodenentwicklung auf der Grundlage des aktuellen Standes von Wissenschaft und Technik. Im dritten Arbeitspaket wurde die entwickelte Schnellmethode evaluiert und validiert.

Die Schnellmethode beginnt mit der Probenvorbereitung, in der Regel durch einen Mikrowellenaufschluss. Nach der Vorbereitung wird die Probe über mehrere sogenannte extraktionschromatographische Kartuschen geleitet, um die einzelnen zu bestimmenden Radionuklide (Aktiniden und Sr-Isotope) voneinander zu trennen bzw. zu reinigen (siehe Abb.). Danach erfolgt die Herstellung der Messpräparate durch Reduzierung der Probenvolumen oder durch Mikromitfällung. Die nachfolgende Messung der Präparate wird entweder mit einem Flüssigszintillationsspektrometer (LSC) oder durch Alphaspektrometrie durchgeführt.

Im Rahmen der Promotionsarbeit konnte die Bestimmungszeit für die Alpha- bzw. Betastrahler in Lebensmittelproben auf einen Tag reduziert werden. Die erreichten Nachweisgrenzen der Schnellmethode erfüllen die Anforderungen an Nachweisgrenzen in Notfallsituationen.

Wesentliche Punkte waren darüber hinaus die Dokumentation und Veröffentlichung der entwickelten radioanalytischen Schnellmethode sowie deren Einführung in die Routinetätigkeit des Radioökologielabors. So entstanden ein "peer reviewed" Artikel (Dolique et al., 2019), eine Arbeitsanweisung (BfS, 2020) sowie die Promotionsarbeit (Dolique, 2021), die bei der Fakultät für Chemie der Technischen Universität München nach nur drei Jahren eingereicht und 2021 erfolgreich verteidigt wurde.

Literatur

Dolique et al. (2019). Fast method for the determination of radiostrontium and plutonium isotopes in food samples. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 322, 1423–1430

BfS (2020). Arbeitsanweisung Nr. [UR 6-AA-SrAmThUPu]: Verfahren zur Schnellbestimmung von Sr-, Am-, Th-, U- und Pu-Isotopen in Lebensmitteln und Umweltproben. Bundesamt für Strahlenschutz, 2020

Dolique (2021). Entwicklung einer radiochemischen Schnellmethode zur Bestimmung von rein alpha- und betastrahlenden Nukliden in Umwelt- und Lebensmittelproben. Promotionsarbeit, Fakultät für Chemie der Technischen Universität München, 2021