A magfizikai alapkutatások eredményeit hasznosító egyik legjelentősebb nukleáris kémiai módszer az aktivációs analízis. A módszerrel a vizsgált anyag minőségi és mennyiségi elemösszetételéről szerezhetünk információt.
Az aktivációs analízis főbb lépéseit az 1. ábra szemlélteti.
1. ábra ^ neutronaktivációs analízis főbb lépései
Aktiváló Prompt Késleltetett
neutron y-sugárzás y-sugár^s
Cél Gerjesztett Radioaktív*^ Leány
atommag atommag atommag atommag
A vizsgálandó anyagot nukleáris részecskékkel (neutronokkal, protonok
kal, deuteronokkal, fotonokkal, stb.) sugározzuk be, amelyek az anyag atom
magjainak egy részét átalakítják. Gyakorlatban a legelteijedtebb a neutronak
tivációs analízis (NAA). Ha az atommag elnyeli, befogja a neutront, akkor egy gerjesztett állapotban lévő köztes atommag keletkezik. A gerjesztett atommag szinte azonnal megszabadul a gerjesztési energiától: prompt (azonnali) y-sugárzást bocsát ki és egy másik atommaggá alakul. A prompt y-sugárzás jellemző a köztes atommagra. A magátalakulás eredménye legtöbbször egy olyan atommag, amely radioaktív, tehát bizonyos időtartamig (amely néhány perctől évekig is tarthat) még további magsugárzásokat bocsát ki. Közülük a y-sugárzás a legalkalmasabb mérési célokra, melyet késleltetett y-sugárzás- nak is szokás nevezni. A mérésre általában a besugárzástól távolabbi helyen (mérőlaborban) és későbbi, optimális időben kerül sor. A y-sugárzás egyes komponenseinek energiája alapján azonosítjuk a mintában található eleme
ket, míg egy adott energiájú sugárzás intenzitása arányos az azonosított elem mennyiségével.
Az aktivációs analízist a magyar származású, Nobel-díjjal kitüntetett H ev esy G yörgy és H ilde L evi fedezte fel és valósította meg 1936-ban.^ Megje
lenése óta persze sokat fejlődött a módszer, különösen a nukleáris kutatóre
aktorok megépítése után. M a már a vizsgált anyagot nagyteljesítményű reak
torokban aktiváljuk, ahol a minta 1 cm^ felületét akár 10^^ (százbiUió) neutron is érheti egyetlen másodperc alatt; az indukált radioaktív sugárzást pedig ala
csony sugárzási hátterű mérőhelyeken és igen érzékeny, félvezető detekto
rokkal és jó minőségű mérőrendszerekkel (y-spektrométerrel) regisztráljuk.
Az aktivációs analízis igényeivel és lehetőségeivel eg)mtt nagyon sokat fejlőd
tek a módszertani, illetve a modern számítógépes mérési és kiértékelési eljá
rások is. A neutronaktivációs analízis módszertani és alkalmazott kutatásai
nak magyarországi bázisai az MTA Atomenergia Kutatóintézet által üzemel
tetett és a közelmúltban felújított és továbbfejlesztett Budapesti Kutatóreak
tor, valamint a Budapesti Műszaki Egyetem Tanreaktora.
Az aktivációs analízis tehát az atommagok reakcióin alapul. A nukleáris fo
lyamatok során felszabaduló energia tipikusan 5-6 nagyságrenddel meghalad
ja a kémiai folyamatokra (veg5mletek képződésére) jellemző energiát. Ebből adódnak a módszer különleges lehetőségei és kiemelkedő érzékenysége, illet
ve korlátai is. Klasszikus neutronaktivációs analízis esetében a vizsgálatok el
végzéséhez néhány milligramm anyagmennyiség már elegendő; de speciális esetekben lehetőség van még kisebb tömegű minták (pl. hajszálak) elemzésére is. Kedvező mátrixanyag esetében a stabil elemek mintegy 2/3 részének méré
se (ún. panoráma-analízise) végezhető el 1 -1000 ng (ng = 10”® g) mennyiség
ben, amint ezt a 2. ábra mutatja.
Az NAA tehát különösen alkalmas nyomelemek meghatározására. Egyide
jűleg term észetesen több elem is mérhető. A mérés pontossága a kísérleti kö
rülményektől függően tipikusan 1 -1 0 % között változhat. A módszer legelter
jedtebb változatának alkalmazásakor nincs szükség a minták kémiai kezelésé
re (roncsolásra), így a minták nem károsodnak tartósan. Bizonyos idő eltelte után ism ét felhasználhatóak eredeti rendeltetésüknek megfelelően, vagy a m érések megismételhetőek, illetve más vizsgálati eljárásokkal kiegészíthető- ek és ellenőrizhetőek. Ha mégis szükség van (radio)kémiai műveletre, akkor az analízist nem zavarja a vegyszerek szennyezése, mert a radioaktív sugár
zást nem befolyásolják az aktiválás után bevitt, tehát inaktív szennyezők.
Olyan elemek (például ritkaföldfémek) analízise is elvégezhető neutronakti
vációs analízissel, melyek kémiai tulajdonságai kivételesen hasonlítanak egy
másra, és ezért kémiai módszerekkel csak igen nehezen elemezhetőek. Az em
lített és más előnyös tulajdonságoknak köszönhetően az NAA-módszert gyakran referen c ia m ó d sz er k én t használják standard anyagok, analitikai
mód-1 G. von Hevesy, H. Levi, Kgl. Danske Videnskab. Selskab. Math.-fys. Medd.,mód-14 (mód-1936) 5.
A neutronaktivációs analízissel tipikusan kimutatható legkisebb anyag- mennjriség nanogrammban kedvező mátrix esetén (ng = 10"® g)
Ll
Az elemek szimbóluma alatti első sor a kutatóreaktorokkal végzett, klasszikus NAA-ra, míg a második sor a prompt-gamma NAA-ra^ vonatkozik.
szerek és más eljárások hitelesítésére. A nagyérzékenységű, modern műsze- rés analitikai módszerek között az NAA ellentmondásos helyet foglal el vi
szonylagos bonyolultsága és nagy költségigénye miatt. Ez azonban csak lát
szólagos, mert a „sugárforrásokat" az esetek döntő többségében nem vagy nem kizárólag analitikai céllal hozzák létre, így az NAA a sugárforrás kihasz
náltságát tovább növeli.
Az aktivációs analízis - egyedi lehetőségei révén - termékenyítőleg hat más (szub)diszciplinák fejlődésére, elsősorban azokon a területeken, ahol ko
rábbi vagy más analitikai módszerek korlátozott érzékenysége és/vagy hiá
nyos eredményei nem tették lehetővé számos kérdés megválaszolását. A tel
jesség igénye nélkül szolgáljon néhány példa az előbbi állítás igazolására.
Fontos biológiai funkciókat ellátó vegyületekben (enzimekben, fehérjék
ben) gyakran találunk olyan elemeket, amelyek nagyon kis koncentrációban vannak jelen, de esetleges hián3mk mélyreható zavarokat és károsodást okoz az élő szervezetben. Emberi, állati és más biológiai eredetű anyagok nyom
elemtartalmának ismerete tehát nagymértékben hozzájárul néhány
anyag-2 C. Yonezawa, Anal. Sci. 9, 267 (1993)
cserefoly am attal, táp lálkozással, p atológ iáv al és m u n kaegészségüggyel kap
csolatos kérdés jobb megértéséhez. Az NAA-vizsgálatok egyrészt a szervek, haj, köröm, bőr és vérplazma létfontosságú nyomelemtartalmának normál ér
tékeit és térbeli eloszlását eredményezik, majd ezek egyes betegségek kialaku
lásában és m e g e lő z é s é b e n játszott szerepének megállapítását célozzák. Az emberi vérszérum nyomelemtartalma és a daganatos, illetve a Down-kóros megbetegedések kialakulása között összefüggést találtak; a vérszérum man
gán-, réz- és cinktartalma például akut és krónikus májgjrulladás esetén je lentősen eltér a normál értéktől. Állatkísérletek és klinikai vizsgálatok egy
aránt bizonyítják, hogy a szelén-pótlásnak, napi 200 fig mennyiségű szelén adagolásának jelentős hatása van a daganatos betegségek megelőzésében: a rákos megbetegedések előfordulását 41%-kal, a tüdőrákot 46%-kal, a prosz
tatarákot 68% -kal is csökkentheti.
Az em beriség egyre növekvő igényeinek kielégítése közben sok szempont
ból meghatározó átalakítójává vált környezetének, ami már földi méretekben is megmutatkozik. Jövőnk az e m b e r és k ö rn y ez ete kap csolatán ak megértésé
től és összehangolásától függ. Ebben a folyamatban is jelentős szerepet játszik az NAA, m ert a módszer előnyei kitűnően érvényesülnek környezeti minták (talaj, pernye, por, üledék, hulladékok, aeroszol, szén, felszíni víz, illetve biom onitorok) vizsgálatakor. Budapest levegőjében jelenlévő, szuszpendált részecskék (aeroszolok) különböző méret szerinti frakcióinak mintavételezé
sével mintegy 200-5 0 0 jug tömegű mintákat kapunk. A méret szerinti frakciók g}mjtése nagyon fontos az aeroszolok további biogeokémiai viselkedésének és egészségügyi hatásának jobb megértése szempontjából. NAA-módszerrel rendszerint 4 5 -5 0 kémiai elemet határozunk meg az aeroszol-frakciókban.
Ilyen adatsorok együttes kiértékelése, majd multistatisztikus, modellezési és más számítási módszerek új és a folyamatok lényegére vonatkozó ismereteket n)mjtanak az aeroszol levegőszennyezőkről. Azonosíthatjuk például a levegő- szennyezés eredetét és meghatározhatjuk forrásmegoszlását, vagyis a gépjár
műforgalom, az energiatermelés, a hulladékégetés, az ipari tevékenység, a háztartási tevékenység, a légköri transzportfolyamatok és a természetes for
rások hozzájárulását a levegőszennyezéshez egzakt módon számolhatjuk.
Ezen ism eretek szükséges feltételei a hatásos környezetvédelmi elképzelések és megoldások kialakításának.
Régészeti tárgyak és műalkotások nyomelemtartalma nagymértékben változhat keletkezésük földrajzi, történelmi és kulturális körülményeinek, valamint technológiai/műszaki fejlettségének különbözőségéből eredően. A nyomelemek sorozatának koncentrációja az ujjlenyomathoz hasonlóan sok esetben lehetővé teszi a kérdéses tárgyak (pl. fémeszközök, érmék, agyagból, márványból vagy vulkáni üvegből készített tárgyak) eredetének meghatározá
sát, azonosítását és történelm i korokba való besorolását, illetve a hamisítvá
nyok kiszűrését.
Az NAA-módszert sikeresen alkalmazták m odern g eok ém iai, g eo k r o n o ló - giai és k o z m o k ém ia i p r o b lé m á k megoldásakor is, melyek közül elsősorban meteoritok, holdkőzet és ásványok ritkaföldfém-tartalmának meghatározását kell kiemelni. Sok esetben az NAA segítségével döntik el, hogy a vizsgált tárgy meteorit-e egyáltalán, és ha igen, akkor az összetevőik (közöttük a nyomele
mek) alapján osztályokba sorolják, kozmokémiai folyamatokhoz rendelik őket. A holdfelszín in situ és laboratóriumi vizsgálatában és jellemzésében is nagy szerepet játszott az NAA.
A krim inalisztikai alkalmazásokat jól szemlélteti N ap oleon császár hajszá
lai arzéntartalmának vizsgálata az esetleges mérgezés kimutatása céljából. Az emberi szervezetbejutó arzén aránylag jelentősen dúsul a hajszálakban, ami NAA-val már mérhető. A hajszálak hosszúsága mentén mért arzéneloszlás retrospektív megállapításokat is lehetővé tett. Az NAA-t igénybe veszik per
döntő bizonyítékok, bűntárgyak vagy lőpornyomok elemzésekor is, amint azt a J. F. K en n ed y eln ö k elleni merénylet kivizsgálása is jó l példáz.
A je le n és a j ö v ő k o r sp eciális anyagainak nagyon szigorú tisztasági köve
telményeket kell teljesíteniük. Gyakran csak olyan anyagok megfelelőek, ame
lyekben a szennyezőknek vagy doppoló (szándékosan adagolt) anyagoknak legfeljebb 1 atomja található az alapanyag 100 miüiárd atomjával szemben, egyenletesen elosztva, ami mintegy 10““ %-nak felel meg. Ilyen speciális (pl.
elektronikai vagy nukleáris szerkezeti) anyagok kifejlesztésében, tulajdonsá
gainak tanulmányozásában és gyártási technológiájának kidolgozásában is szerepet játszik az NAA.