EINSATZ DER IONENCHROMATOGRAPHIE ZUR ABTRENNUNG VON RADIOSTRONTIUM AUS LEBENSMITTELPROBEN
M. Heilgeist
Bundesforschungsanstalt für Ernährung, Karlsruhe
Zusammenfassung
Die Einsatzmöglichkeit eines ionenchromatographischen Trennverfahrens als Ersatz für naß- chemische Feinreinigungsschritte bei der Bestimmung von Radiostrontium in Lebensmittel- proben wurde getestet und seine Eignung als schnelles Trennverfahren untersucht. Als Ver- fahren der Wahl kam die isokratische Ionenchromatographie mit elektronischer Leitfähigkeits- unterdrückung zum Einsatz. Mit einer Kombination aus stark saurem, sulfonsäuremodifizier- tem Kieselgel als Trägermaterial und citronensaurem, ethylendiaminhaltigem Eluenten vmrde eine gute Ca/Sr- und Sr/Ba-Trennung erzielt. Die Strontiumabtrennung wurde in Gegenwart potentieller Störionen (K, Cs, Ag, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Al, Fe, Bi, La, Ce, Zr, Ru, Te, Mo) geprüft. Die Chromatogramme ergaben keine Überschneidung mit der Strontium-Fraktion. Die Maßstabsvergrößerung von der analytischen Säule (d
=
4 mm, 1=
125 mm, Probenvol.: 0, 1 ml) zur semipräparativen Säule (d
=
10 mm, l=
250 mm, Pro- benvol.: 1 ml) wurde mit Modell-Lösungen mit einem Erdalkaligehalt von 50: 1000:50 mg/I für Ca:Sr:Ba untersucht. Zur Bestimmung der radiochemischen Ausbeute und Trenngüte der semipräparativen Säule wurde Sr-85 bzw. Ba-133 als Tracer eingesetzt. Sr-85 wurde zu 2 99 % in der Strontium- und zu 0,3 3 in der Barium-Fraktion gefunden. 0, 1 3 des Ba-133 fanden sich in den letzten 0,3 3 der Strontiumfraktion. Es wird die Einbindung des Ver- fahrens in ein komplettes Analysenverfahren zur Sr-89- und Sr-90-Bestimmung mit den Teil- schritten Phosphatfällung (Alkali/Erdalkali-Trennung), Kronenethertrennung (Ca/Sr-Tren- nung), Ionenchromatographie (Sr-Feinreinigung), Carbonatfällung (Sr-Isolierung) und Flüs- sigkeitsszintillationsspektrometrie vorgeschlagen.1 Einleitung
Die Ionenchromatographie hat sich innerhalb der letzten zehn Jahre als Routineverfahren zur Bestimmung von Alkali- und Erdalkalielementen in den analytischen Labors etabliert [1,2].
Ihr Einsatz als Trennverfahren zur Bestimmung von Sr-89 und Sr-90 (Radiostrontium) wurde mehrfach vorgeschlagen [3-6]. Gemäß den "Meßanleitungen zur Überwachung der Radioak- tivität in der Umwelt" [7] erfolgt die Abtrennung von Strontium aus Lebensmittelproben zur Bestimmung des Radiostrontium-Gehaltes nach klassischen naßchemischen, relativ zeitauf- wendigen Fällungsverfahren. Im Rahmen der Bestrebungen, die Bestimmung von Radio- strontium in Lebensmitteln zu beschleunigen, wurde der Einsatz eines ionenchromatographi- schen Verfahrens untersucht.
2 Überlegungen zum Einsatz der Ionenchromatographie
Für den Einsatz der Ionenchromatographie zur Bestimmung von Radiostrontium in Lebens- mitteln spricht eine Reihe von Vorteilen, es sind aber auch Nachteile, Probleme und , Anforderungen zu bedenken (Tab. 1).
Tabelle 1: Bewertung der Ionenchromatographie
Vorteile
Es sind relativ kurze Trennzeiten zu erwarten.
Die bei der klassischen Ca/Sr-Tren- nung nach der Nitratfällungsmethode bekannten Korrosionsprobleme durch rauchende Salpetersäure entfallen.
Die Sr-Analytik ist in dem Verfahren gleichsam integriert.
Der Laboraufwand ist niedrig.
Die Trennung kann automatisiert werden.
Beim Ionenaustausch verhalten sich Spurenkonzentrationen wie Makro- konzentrationen. Für radiochemische Trennaufgaben ist das Verfahren da- her besonders gut geeignet, da (fast) trägerfrei gearbeitet werden kann.
3 Apparatur und Säulenauswahl
Nachteile, Probleme, Anforderungen Die Ionenchromatographie ist eigentlich ein Trennverfahren für die Spurenanalyse. Der Einsatz zur Strontiumabtrennung aus Lebens- mitteln bedeutet, daß aufgrund der zur Be- stimmung von Radiostrontium notwendigen Aufkonzentrierung im semi-präparativen Maßstab gearbeitet werden muß. Daraus re- sultiert ein für das Probenvolumen erforder- licher ml- statt µ!-Bereich und für die Proben- konzentration ein g/1- statt ein mg/1-Bereich.
Aufgrund der begrenzten Säulenkapazität muß eine vorhergehende Abreicherung der Mi- neralstoffe Na, K, Mg, Ca vorgenommen werden.
Das Trennsystem muß eine maßstäbliche Er- weiterung zulassen und unempfindlich gegen Überladung sein.
Die bei stärkeren Säulendurchmessern zu er:
wartende Peakverbreiterung darf nicht zur Peaküberlappung führen.
Als Verfahren wurde die isokratische Ionenchromatographie mit elektronischer Leitfähig- keitsunterdrückung eingesetzt. Die Apparatur bestand aus folgenden Komponenten: Ionen- chromatograph 690 (Fabrikat Metrohm) mit thermostatisiertem Leitfähigkeitsdetektor, HPLC-Pumpe, manuell betätigtes Injektorventil mit 0, 1-bzw. 1 ml-Probenschleife, Vorsäule und Hauptsäule. Das Signal des Detektors wurde über einen elektronischen Integrator und einen x,t-Schreiber ausgewertet. Um Eluenten mit höherer Leitfähigkeit verwenden zu können, wurde der obere, elektronisch noch zu unterdrückende Meßbereich auf 10.000 µS/cm erweitert. Als Material für den Ionenaustauscher wurde Nucleosil 5 SA der Fa.
Macherey-Nagel gewählt, ein stark saures, sulfonsäuremodifiziertes Kieselgel, das sich zur Auftrennung zweiwertiger Kationen eignet [1].
4 Experimentelle Ergebnisse und Diskussion
4.1 Eluentenwahl
Das Retentionsverhalten der Kationen wird durch die Gleichgewichte "nichtkomplexiertes Kation/Ionenaustauscher" und "Kation/Komplexbildner" bestimmt. Die Auftrennung der Erd- alkali-Elemente wurde mit verschiedenen bi-(bzw. mehr-)-funktionellen organischen Säuren als Komplexbildner ("ziehender" Faktor) und Ethylendiamin (EDA) als "schiebender" Faktor untersucht. Am besten geeignet zeigten sich die Eluenten Oxalsäure/EDA und Citronensäure/
EDA. Der oxalsäurehaltige Eluent erzielt eine sehr gute Auftrennung der Elemente, führt aber bei höheren Sr-Konzentrationen zur Sr-Oxalat-Ausfällung, da das Löslichkeitsprodukt überschritten wird. Der citronensäurehaltige Eluent trennt Mg und Ca nicht auf. Die Auf- trennung Ca/Sr und Sr/Ba ist jedoch gleich gut, und es gibt keine Probleme mit Ausfäl- lungen.
4.2 pH-Abhängigkeit der Auftrennung
Die Lage des Komplexbildungsgleichgewichtes wird vom pH-Wert des Eluenten bestimmt.
Im Gegensatz zu den übrigen Erdalkali bildet Sr erst ab pH-Wert
>
3,5 und dann auch nur mit dem 3-fach negativ geladenen Citrat-Anion einen Komplex; bei pH = 5 liegt Sr zu 60 3 als Citrat-Komplex vor. Abb. 1 zeigt die Retention der Erdalkali-Elemente als Funktion des pH-Wertes (k' = auf die Totzeit der Trennsäule bezogene Retentionszeit des Kations).Bei pH = 5 wird bei möglichst niedriger Retentionszeit ein Optimum der Sr-Abtrennung er- reicht.
r---25 --- --- ---, - - - i - - - - --- - - --L'
1
! --- . r i . ---
Ba 1/ 20 r
r -- __ __ -·--···-
Ca -i
i / 1 .._ .._ ...__ ..._
l - -- - .
Mg15 • --,
Sr -~
1~,~-,l_„,
10+;---+----=..,.-,---l-=-,---1-- - - +
... ,
1 ... „ ...
5++---1---+--~---l---l-„ ____
-
....0 - + + - - -- - - - 1 1 - - - -- - - - + - - - - -- - -l - - -- - - I -
3.5 4.0 4.5 5.0 5.5
pH
Abb. l: Retention der Erdalkalielemente als Funktion des pH-Wertes
Eluent: 7 mM Citronensäure, 3 mM EDA, 5 3 Aceton, Einstellung des pH-Wertes mit NaOH, Q = 1,0 mllmin, Säule 250 x 4 (l x iD., mm)
Proben: Mg 2 - 6, Ca 4 - 12, Sr 20, Ba 25 mgll, V= 0,1 ml
4. 3 Einfluß potentiell störender Kationen
Eine Reihe natürlicher und künstlicher Isotope kann bei ungenügender chemischer Abtren- nung die Bestimmung von Radiostrontium stören. Die Elemente K, Cs, Ag, Mn, Co, Ni, Cu, Zn, Cd, Hg, Pb, Al, Fe, Bi, La, Ce, Zr, Ru, Te und Mo wurden daher in Form ihrer stabilen Isotope auf eine Interferenz mit der abzutrennenden Strontiumfraktion getestet. Aus der Reihe der angegebenen ein- bis sechswertigen Kationen zeigten nur Mn und Cd Peaks mit Retentionszeiten, die vor der Retention von Ca lagen. Alle übrigen Kationen werden ent- weder wie die Alkalielemente kurz nach dem Lösungsmittelpeak eluiert oder aber sie werden so fest auf der Säule zurückgehalten, daß sie erst nach Zugabe eines starken Komplex- bildungsagens wie Ethylendiamin-Tetraessigsäure (EDT A) eluiert werden können. Eine Überschneidung mit der Lage des Strontiumpeaks wurde nicht festgestellt.
4.4 Maßstäbliche Erweiterung (Scale-up)
4.4.1 Test der Beladbarkeit verschiedener Säulengrößen mit Sr
Mit dem als geeignet befundenen Citronensäure-Eluenten wurde die Beladbarkeit verschiede- ner Säulengrößen mit Sr getestet (Tab. 2). Trotz eines mit zunehmender Sr-Beladung einsetzenden starken Überladungsverhaltens der 250x10-Säule wird bis zu einer Sr- Konzentration von 2 g/l (m = 2 mg) eine lineare Beziehung zwischen Peakfläche und Sr- Konzentration gefunden.
Tabelle 2: SCALE-UP
Eluent: 7 mM Citronensäure, 3 mM EDA, 7 mM NaOH, 5 % Aceton, pH=5,0
Säule Proben- max. Sr- max. Sr-
1 X i.D. Volumen Konzentration Beladung
(mm x mm) (ml) (mg/l)
125 X 4 0,1 40 4 µg
250 X 4 0,1 40 4 µg
250 X 8 1,0 1000 1 mg
250 X 10 1,0 2000 2 mg
4.4.2 Untersuchung der Sr-Isolierung im semipräparativen Maßstab
Mit einer an die Trennaufgabe angepaßten Modell-Lösung (Ca : Sr : Ba = 50 : 1000 : 50 mg/l) wurde die Sr-Isolierung im semipräparativen Maßstab getestet. Versuchsbedingungen:
Säule 250 x 10 (mm), Probenvolumen 1 ml, Eluentenfluß 2 ml/min, Eluent 7 mM Citronen- säure, 3 mM EDA, 7 mM NaOH, 5% Aceton, pH = 5,0). Durch die hohe Beladung wird eine Konzentrationsüberladung bewirkt und die präparative Säule im Überladungsbereich be- trieben (Abb. 2). Die Form des Sr-Peaks zeigt ein betontes Fronting, wobei das Maximum
im Vergleich zu den Retentionszeiten bei niedriger Sr-Beladung stark verzögert erscheint.
Die Lagen der Peakmaxima von Ca, Sr und Ba bei niedriger Beladung wurden zum Ver- gleich als Striche eingezeichnet. Die Ca/Sr-Trennung wird durch die Überladung nicht beein- flußt, der Ba-Peak wird zu längeren Retentionszeiten verschoben, und es erfolgt eine Basis- linientrennung für Sr/Ba.
- w
~
~
±: Q)
~ O>
..c =ro :P
Q) _J14
12 - - - - r - · - -j
1
10 --i---1 ---
8-
C_a
6
4-
2
0
-2 '+-~--t----,;--~-~--:---c---~--;--,---7---~l~
1I
1 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 1501601
1
· - - - - -- ---Retentionszeit (ml) /
Abb.2: Semipräparative Auftrennung der Erdalkalielemente Säule 250 x 10 (l x iD., mm)
Eluent: 7 mM Citronensäure, 3 mM EDA, 5 % Aceton, pH
=
5, 0, Q=
2 mllmin Beladung: V=
1 ml, Ca : Sr: Ba=
50 : 1000 : 50 mgll4. 5 Untersuchung der semipräparativen Säule mit Sr-85- bzw. Ba-133-Tracer-Experimenten Da die Leitfähigkeitsmessung nicht hinreichend empfindlich ist, wurden zur Bestimmung der radiochemischen Ausbeute und der Trenngüte der präparativen Trennsäule mit der Modell- Lösung Ca:Sr:Ba = 50: 1000:50 mg/l Radiotracer-Experimente durchgeführt, wobei jeweils 1000 Bq Sr-85 bzw. Ba-133 als Tracer eingesetzt wurden. Die Sr- und Ba-Peaks wurden hierzu in Fraktionen unterteilt und ausgemessen ..
Für das Sr-Tracer-Experiment wurden in der Summe der Strontiumfraktionen mehr als 99
% , in der Summe der Ba-Fraktionen etwa 0,3 % des eingesetzten Sr-85 gefunden.
Bei dem Ba-Tracerexperiment wurden in den letzten 0, 3 % des Strontiumpeaks 0, 1 3 des eingesetzten Ba-133 gefunden, der Rest im Ba-Peak. Das heißt, daß die Sr-Fraktion kurz vor der Rückkehr zur Basislinie geschnitten werden muß, um eine Kontamination mit Ba zu ver- meiden.
5 Einbindung der Ionenchromatographie in ein komplettes Analysenschema zur Sr- 89/90-Bestimmung
Die Einbindung des ionenchromatographischen Schrittes in ein vollständiges Schema einer Sr-89/Sr-90-Analyse gemäß Tab.3 wird vorgeschlagen:
Tabelle 3: SCHEMA UND ZEITPLAN DER SCHNELLEN SR-89/SR-90-ANALYSE
Tag Zeit (h) Arbeitsschritt
l. 1 Probenvorbereitung (m
=
500 g) 2 - 3 Trocken-Veraschung (550 °C)2 Lösen der Asche, Silikatentfernung, Filtrieren
1,5 Alkali/Erdalkali-Trennung durch Phosphat-Fällung, Filtrieren des Phosphatniederschlags, Lösen in Salpetersäure
2. 2 Ca/Sr-Trennung durch Ionenaustauscher auf Basis des di-tert- Butyl-substituierten Dicyclohexyl-18-Krone-6-Ethers (SrSPEC®) 1 Eindampfen zur Trockne, Aufnahme in 0,001 M HN03
1,5 Ionenchromatographie, Probenvolumen 1 ml 1,5 Sr-Carbonat-Fällung
1 - 16 LSC-Messung (Dauer in Abhängigkeit von der Aktivität) Eine Analyse nach dem vorgestellten Schema erfordert 2 Arbeitstage ohne die abschlie- ßende LSC-Messung. Auf Basis dieses Trennkonzeptes wurden mit Hilfe von Sr-85-Tra- cer-Versuchen und bei einem Sr-Träger-Einsatz von 1 mg Wiederfindungsraten bestimmt.
Sie lagen bei 84 bis 91 3 für Modell-Lösungen und bei 81 3 für eine Grünkohlprobe.
6. Literatur
1. Schäfer, J. GIT Fachz.Lab. 3:221-228, 1988 2. ISO-Entwurf ISO/TC 147/SC2N306, 1994
3. Nordmeyer, F.R. et al. Analytical Clzem. 52:852-856, 1980
4. Lamb, J.D. et al. J.Radioanal.Nucl.Chem., Art. 134(2):317-331, 1989
5. Stadlbauer, E.A. et al. Fresenius Zeitschrift für Analytische Chemie 330:1-7, 1988 6. Alfaro, J. et al. Angewandte Chemie - Intern. Ed. Eng. 34(2):186-189, 1995 7. Bundesminister für Umwelt (Hrsg.) Meßanleitungen für die Überwachung der
Radioaktivität in der Umwelt und zur Erfassung radioaktiver Emissionen aus kerntechnischen Anlagen. Stuttgart, Verlag G. Fischer, 1992
