Pátek, 25 září
Shadow

Může unikátní pulzní reaktor v JINR Dubna sloužit k monitorování životního prostředí?

Ano, může a to díky metodě nazvané neutronová aktivační analýza. V minulém článku o výzkumném centru v Dubně, v němž byly popsány jednotlivé oblasti výzkumu ve zdejších sedmi laboratořích, jste se mohli dočíst o laboratoři neutronové fyziky. Jednou ze specializací Frankovy laboratoře neutronové fyziky v Dubně je právě neutronová aktivační analýza. Co si pod tímto fyzikálním pojmem představit?

Konkrétně instrumentální neutronová aktivační analýza (INAA) je metoda, která slouží k rozpoznávání prvků v dané substanci – nejčastěji rostlině, mechu, zemině ale i v lidské tkáni. O její objevení se v roce 1936, což bylo pouze čtyři roky po objevení neutronu Jamesem Chadwickem, zasloužili dva vědci G. Hevesy z Maďarska a H. Levi z Dánska. Metoda je založena na principu konverze stabilního nuklidu v důsledku ozáření na nuklid radioaktivní a následném měření gamma záření, které tyto ozářené prvky emitují při svém rozpadu. Přívlastek instrumentální znamená, že je to metoda nedestruktivní. Vzorek je udržován ve své přirozené formě – není nijak poškozen a ani nevzniká potřeba převádět pevnou látku do kapalného či plynného stavu. Pro úplnost dodejme, že existuje i aktivační neutronová analýza destruktivní, tzv. radiochemická, při které je vzorek chemicky rozložen, a jednotlivé prvky jsou separovány.

Obrázek 1: Příklad úpravy a rozlišení slisovaného mechu pro krátkodobé ozáření (bez obalu) a pro dlouhodobé ozáření (v alobalu) v reaktoru IBR-2.
Obrázek 1: Příklad úpravy a rozlišení slisovaného mechu pro krátkodobé ozáření (bez obalu) a pro dlouhodobé ozáření (v alobalu) v reaktoru IBR-2.

Na letní škole v Dubně, které jsem se zúčastnila, byla možnost si na vlastní kůži vyzkoušet výzkum ve slovutné Frankově laboratoři. Experimentální úlohu nazvanou Activation Analysis for Life Sciences (do češtiny lze přeložit jako aktivační analýza ve vědě o živém) vedla uznávaná odbornice na aktivační analýzu M. V. Frontasjeva.

Samotné ozařování vzorků je prováděno ve výzkumném reaktoru, v Dubně se jedná o unikátní pulzní reaktor IBR-2. Pulzní reaktor pracuje na principu dvou otáčejících se reflektorů v navzájem opačném směru, čímž je vytvořen velmi intenzivní impuls neutronového toku vhodný pro účely ozařování. Vzorky jsou rozděleny na dva typy – na ty, u nichž budeme hledat krátkodobé izotopy a na ty, u kterých hledáme izotopy s dlouhým poločasem rozpadu. Tomu odpovídá i způsob úpravy vzorků před zasláním do reaktoru (příkladem mohou být vzorky mechu na obrázku 1). Dále je zapotřebí měřící aparatura s velkým rozlišením vyzařovaných gamma spekter. Poslední fáze procesu aktivační analýzy je velmi důležitá analýza gamma spekter jednotlivých prvků a určení jejich koncentrace ve vzorku.

Co dále charakterizuje INAA? 

Mezi nejdůležitější vlastnosti aktivační analýzy, které staví tuto metodu zkoumání látek mezi jednu z nejčastějších, patří:

  • INAA je nedestruktivní metoda zkoumání.
  • Pomocí INAA lze detekovat mnoho prvků najednou.
  • Chemické složení ani fyzikální stav daného vzorku neovlivňuje aktivaci ani následné rozpady radioaktivních prvků a to díky tomu, že INAA je založena pouze na procesech uvnitř atomových jader.
  • Nejběžnější prvky v přírodě (a tedy i ve zkoumaných vzorcích) jako jsou uhlík, vodík, kyslík, křemík a dusík nejsou během ozařování aktivovány a nepřispívají do pozorovaných gamma spekter, což by bylo nežádoucí.
  • Metoda je vhodná pro zjištění látky o hmotnosti 10-6 až 10-9 g ve vzorku.

Teď už víme, co taková aktivační analýza je a jak funguje. Na to, co má společného s ochranou životního prostředí, nám odpoví další část článku.

 

Jak lze využít aktivační analýzu ke studiu životního prostředí?

Obrázek 2: Běžně rostoucí mech Hylocomium splendens, který je využíván pro monitorování životního prostředí.
Obrázek 2: Běžně rostoucí mech Hylocomium splendens, který je využíván pro monitorování životního prostředí.

Neutronová aktivační analýza, která je prováděna v Dubně za pomoci reaktoru IBR-2 je neodmyslitelně spjata s ochranou životního prostředí a s detekcí nežádoucích prvků v živé přírodě. Protože snaha chránit přírodu před znečištěním toxickými prvky patří k moderní civilizaci, je třeba odhalit příčinu těchto zdrojů, detekovat šíření a provádět následnou kontrolu. Právě tato myšlenka vedla v 90. letech k hojnému využití aktivační analýzy na reaktoru IBR-2 v biologii, ekologii a medicíně. V současné době výzkumný tým M. V. Frontasjevy v Dubně zajišťuje monitorování stovky oblastí po celé Evropě i Asii.

Nejlépe k biomonitoringu znečištění vzduchu slouží mechy, protože nemají hluboké kořeny a tak většinu látek získávají ze vzduchu a jen zanedbatelné minimum z půdy. Mechy jsou vlastně považovány za živé filtry vzduchu, protože jejich vhodné povrchové vlastnosti usnadňují pronikání kovových iontů do buněk v místech, kde jsou vázány. Za nejvhodnější a tudíž často sbírané mechy pro detekci těžkých kovů v ovzduší jsou považovány tyto druhy: Hylocomium splendens (na obrázku 2) a Pleurozium schreberi. Naštěstí tyto dva druhy běžně rostou v mírném klimatu po celé Evropě a jejich sběr není obtížný. Sběrem mechů v různých oblastech Evropy a následným zasláním na aktivační analýzu do Dubny, lze docílit velmi přesné detekce toxických látek nacházejících se v daném prostředí. Tento způsob biomonitorování ovzduší pomocí mechů se vyvíjí už od roku 1960.

 


Projekt REGATA a biomonitoring mechů v Rusku

Obrázek 3: Snímky povrchu mechu získané z elektronového mikroskopu, nalevo částice železa s nečistotou hořčíku a napravo čisté železo.
Obrázek 3: Snímky povrchu mechu získané z elektronového mikroskopu, nalevo částice železa s nečistotou hořčíku a napravo čisté železo.

Zkratka REGATA pochází z anglického spojení Russian-European GAte To Asia a za těmito slovy se skrývá významný projekt běžící od roku 1995 v Dubně, který se zabývá detekcí těžkých kovů v ovzduší pomocí zmiňovaných mechů. Jak už plyne z názvu, jsou do projektu zapojeny státy jak v Evropě, tak v Asii a Česká Republika není výjimkou. Protože účastnických zemí je 20, uveďme namátkou: Ukrajina, Bělorusko, Rumunsko, Slovensko, Albánie, Chorvatsko, Turecko, Mongolsko, Vietnam, Thajsko a Jižní Korea. Ve všech těchto zemích probíhá sběr mechů na vyznačených místech a v Dubně jsou pak vzorky posílány na ozáření. Slovem REGATA je také označován radianalytický komplex, jenž je součástí celkové instalace reaktoru IBR-2, a v kterém jsou vzorky zpracovávány. Jak vypadají zachycené částice těžkých kovů na povrchu mechu pod elektronovým mikroskopem lze vidět na obrázku 3.

Obrázek 4: Mapa rozložení detekovaného vanadu v Leningradské oblasti.
Obrázek 4: Mapa rozložení detekovaného vanadu v Leningradské oblasti.

V Rusku jsou monitorovány oblasti okolo velkých elektráren, měst a jiných potenciálních zdrojů znečištění, např. v okolí Moskvy, Tomsku, na poloostrově Kola nebo v Smolenské oblasti. Jak vypadá výsledek práce biomonitoringu, můžeme vidět na obrázku 4.

 

 

 

Zdroje:

M. V. Frontasjeva:Neutron Activation Analysis in the Life Sciences

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *

Tato stránka používá Akismet k omezení spamu. Podívejte se, jak vaše data z komentářů zpracováváme..