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Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Radioaktivität t4C- und/oder
sH-markierter Verbindungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Messung der Radioaktivität von Verbindungen, die mit radioaktivem Kohlenstoff
14C oder Tritium 3H markiert sind. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Radio-Gaschromatographie.
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Es ist bekannt, Substanzen, deren Radioaktivität gemessen werden
soll, durch Ionisationskammern oder Proportional-Gasdurchflußzählrohre hindurch
zuleiten. Dabei treten jedoch bei den meisten Substanzen Schwierigkeiten auf: 1.
Die Substanzen können in dem Detektor zu einem gewissen Grade kondensieren. Die
kondensierten radioaktiven Substanzen geben eine ständige Strahlung ab, in welcher
die Strahlung nachfolgender und vielleicht schwächer strahlender Substanzen untergehen
kann. Diese Gefahr besteht vor allem bei schwerflüchtigen Verbindungen. Man könnte
versuchen, eine solche Kondensation durch entsprechendes Erhitzen des Zählrohres
zu verhindern. Bei den hierzu erforderlichen Temperaturen würde aber der Rauschpegel
des Zählrohres durch Verringerung der Isolationsfähigkeit unzuträglich erhöht. Außerdem
können auch andere noch zu erörternde unerwünschte Effekte auftreten.
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2. Die meisten Substanzen zeigen bei ihrem dampfförmigen Durchgang
durch Zählrohre bzw.
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Ionisationskammern entweder eine starke »Löschung«, d. h., vorhandene
Strahlung wird nur zum Teil angezeigt, oder »Pseudoaktivität«, d. h., es wird Strahlung
auch von nichtmarkierten Substanzen vorgetäuscht. Diese Erscheinungen kann man möglicherweise
folgendermaßen erklären: Bei einem Zählrohr werden durch die emittierten ß-Strahlen
Ionen und Sekundärelektronen erzeugt. Diese Sekundärelektronen werden im Feld beschleunigt
und erzeugen weitere Ionen und Elektronen, so daß durch jedes emittierte F-Teilchen
eine Elektronenlawine erzeugt wird, die als elektrischer Impuls verstärkt und gezählt
werden kann. Manche Substanzen fangen jedoch p-Teilchen (Elektronen) oder Sekundärelektronen
ein, so daß sich keine »Elektronenlawine« ausbilden kann. Das ist der Effekt der
»Löschung«. Es gibt jedoch auch Substanzen, welche leicht Elektronen abgeben.
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Solche Elektronen können dann im Feld beschleunigt werden und ähnlich
wie weiche p-Strahlen zur Erzeugung von Sekundärelektronen und damit zu einer »Elektronenlawine
» führen.
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Das führt zu »Pseudoaktivität«. Eine »Löschung« der oben geschilderten
Art beobachtet man beispielweise bei sauerstoff- bzw. halogenhaltigen Verbindungen
sowie solchen, die -NO2-, -SH-oder Amino-Gruppen enthalten.
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Zur Vermeidung dieser unerwünschten Erscheinungen ist es bekannt,
die zu vermessenden Substanzen vor dem Einleiten in das Zählrohr od. dgl. zu verbrennen.
Bei l4C-markierten Verbindungen kann man dann die Radioaktivität an dem entstehenden
CO messen, welches nicht kondensiert und auch keine Löschung der Pseudoaktivität
zeigt. Zur Messung 3H-markierter Verbindungen muß man jedoch zwei Reaktionen durchführen:
Bei der Verbrennung entsteht Wasser mit dem Tritium. Um dieses in dem Zählrohr vermessen
zu können, muß das Wasser wieder zu Wasserstoff oder einer sonstigen brauchbaren
Verbindung umgewandelt werden. Es erfordert einen nicht unerheblichen apparativen
Aufwand, diese beiden chemischen Reaktionen nacheinander und kontinuierlich durchzuführen.
Besonders nachteilig ist auch die Erscheinung, daß bei allen Bestimmungsmethoden,
bei denen das Tritium intermediär als HOT vorliegt, sogenannte »Memory-Effekte«
auftreten. Alle Oberflächen enthalten bis zu einem gewissen Grade eine dünne Schicht
von Wasser. Wenn nun über eine solche Oberfläche Wasser in Form von T20 oder HOT
strömt, so tritt ein Ionenaustausch in der Form auf, daß das Tritium 1H Wasserstoff
im Wasser der Oberflächenschicht ersetzt und später wieder in einer neuen Austauschreaktion
durch H aus nachfolgendem normalem Wasser ersetzt wird. Es findet also eine Art
Ionenaustauscherchromatographie mit dem Tritium statt. Es ist einleuchtend, daß
diese Erscheinung die Messung erheblich beeinträchtigt.
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Es ist weiterhin bekannt, 3H-markierte Verbindungen unter Umgehung
von Tritium enthaltendem Wasser dadurch in die Gasphase zu überführen, daß man die
Substanz zusammen mit Wasser, Zink und
Nickeloxyd etwa 40 Minuten
lang in einem evakuierten und zugeschmolzenen Rohr erhitzt. Das ist aber ein diskontinuierliches
Verfahren, welches voraussetzt, daß die Probe aufgefangen wird. Es setzt einen erheblichen
apparativen Aufwand voraus. Außerdem gelang es bisher nicht, 14C-markierte Verbindungen
auf diese Weise umzuwandeln (vgl. S i m o n und B e r t h 0 1 d, »Die Messung weicher
Beta-Strahler in der Gasphase« in »Die Atomwirtschaft<(, 10 [1962], S. 498 bis
507).
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Es ist auch schon vorgeschlagen worden, zur Messung 14C-markierter
Verbindungen diese bei 420"C im Wasserstoffstrom über Raney-Nickel zu leiten (vgl.
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Drawert und Bachmann, »Neuere Methoden zur Trennung und kontinuierlichen
Messung von l4C-Verbindungen in der Gasphase«, Angewandte Chemie, 15 t1963], S.
717 bis 722, insbesondere S. 720 rechts unten). Dadurch werden höhermolekulare und
damit schwerflüchtige Verbindungen gecrackt, so daß die Gefahr einer Kondensation
radioaktiver Substanzen im Zählrohr vermindert wird.
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Dieses Verfahren ist aber nicht geeignet, halogen-, stickstoff- oder
schwefelhaltige Verbindungen in geeigneter Weise umzuwandeln. Auch ist es nicht
in der Lage, tritiummarkierte Verbindungen sicher in Verbindungen umzuwandeln, welche
keine Störung der Radioaktivitätsmessung verursachen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine
Vorrichtung zu schaffen, durch welche sowohl 14C- als auch 3H-markierte Verbindungen
schnell und quantitativ in Verbindungen überführbar sind, die in einem nachfolgenden
Radioaktivitätsdetektor eine Messung der Radioaktivität ohne die eingangs geschilderten
Schwierigkeiten gestattet. Die Erfindung ist anwendbar bei Untersuchungen, bei denen
lediglich die Gesamtaktivität einer Probe gemessen werden soll. Sie bietet aber
besondere Vorteile bei der Radio-Gaschromatographie.
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Bei der Gaschromatographie wird bekanntlich ein zu analysierendes
Substanzgemisch in gas- oder dampfförmiger Form von einem Trägergasstrom durch eine
Trennsäule gespült. Dabei treten die verschiedenen Komponenten des Gemisches mit
einer in der Trennsäule vorgesehenen Trennsubstanz in Wechselwirkung, sei es, daß
die Gemischkomponenten in einer flüssigen Trennsubstanz teilweise in Lösung gehen
(Verteilung), sei es, daß sie an einer festen Trennsubstanz adsorbiert werden. Je
nach der Stärke der Wechselwirkung werden sie dabei mehr oder weniger stark verzögert,
so daß sie nacheinander am Ausgang der Trennsäule erscheinen und von einem Detektor,
z. B. einem Wärmeleitfähigkeitsdetektor, angezeigt und von einem Schreiber als glockenförmige
Kurven (Banden) aufgezeichnet werden. Bei der Radio-Gaschromatographie ist nun dem
Detektor noch eine Vorrichtung nachgeschaltet, welche es gestattet, die Radioaktivität
der verschiedenen Gemischkomponenten zu bestimmen.
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Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Messung der Radioaktivität
von l4C- und/oder 3H-markierten Verbindungen, bei welchem die Substanzen unter erhöhter
Temperatur mit Zink und Nickel zur Reaktion gebracht und in die Radioaktivitätsmessung
nicht störende chemische Verbindungen übergeführt und einem Detektor für radioaktive
Strahlung zugeleitet werden. Im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei welchem
diese Reaktionen diskontinuierlich in einem abgeschlossenen Gefäß
stattfinden (Die
Atomwirtschaft, 10 [1962], S. 498ff.) besteht die Erfindung darin, daß die Substanzen
zu der Umwandlung im Gasstrom kontinuierlich über einen Kontakt von Zink und Nickel
und dann durch den Detektor geleitet werden.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ausübung dieses Verfahrens ist
gekennzeichnet durch ein Durchflußgefäß mit einem Zink-Nickel-Kontakt in Reihe mit
einem Durchfiußdetektor für radioaktive Strahlung.
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Es hat sich gezeigt, daß man nach diesem Verfahren sowohl 14C- als
auch 3H-markierte Verbindungen unabhängig von ihrer chemischen Zusammensetzung derart
umwandeln kann; daß eine einwandfreie Messung der Radioaktivität stattfinden kann.
Die bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auftretenden Umwandlungsprodukte sind solcher
Art, daß die oben geschilderten nachteiligen Effekte, Kondensation, Löschung, Pseudoaktivität
oder )>Memory-Effekte« nicht auftreten. Die Umwandlung erfolgt innerhalb weniger
Sekunden. Der Kohlenstoff und der Wasserstoff dürften dabei im wesentlichen in einer
Mischung von Methan und Wasserstoff anfallen. Es wurden nach edem erfindungsgemäßen
Verfahren beispielsweise folgende 14C- bzw. 3H-markierte Substanzen untersucht:
Wasser-3H, Nitromethan-3H, Toluol-l4C, Benzol-14C, Toluol-3H, Propyljodid-l4C, Essig-
und Buttersäure-3H, vier verschiedene Alkyljodide-3H, Bromessigsäure - 1 -14C- methylester
und Bromessigsäure-2-14C-methylester. Es wurden dabei Lösungsmittel verwendet, die
als solche in Zählrohren bzw. Ionisationskammern stark stören würden (Chloroform,
Toluol). Dabei traten in keinem Falle Störungen durch die nichtmarkierten Lösungsmittel
auf. Bei einer Mischung von CH3NO2-T mit Toluol bzw.
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Chloroform im Verhältnis 1:4 ergab sich zwischen 2 und 35 pl ein linearer
Zusammenhang zwischen Menge und gefundener Radioaktivität.
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Alle erwähnten markierten Verbindungen, mit Ausnahme von Nitromethan-3H,
zeigen die gleiche Zählausbeute. Am Beispiel von Bromessigester-1-14C und Bromessigester-2-14C
wurde gezeigt, daß die Zählausbeute bei ein und derselben Verbindung unabhängig
davon ist, in welcher chemischen Bindung das Nuklid vorliegt.
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Das Nitromethan-3H zeigt deshalb eine abweichende Zählausbeute, weil
es bei der vorangegangenen Trennung auf einer gaschromatischen Säule teilweise zersetzt
wird.
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Die Wirkung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann man sich wahrscheinlich
folgendermaßen erklären: Durch den Nickel-Kontakt erfolgt ein hydrierendes Aufspalten
der höhermolekularen Verbindungen in einfachere, leichtflüchtige Verbindungen. Dadurch
wird eine Kondensation vermieden. Durch das Aufspalten aromatischer Verbindungen
wird eine von diesen leicht hervorgerufene Pseudoaktivität radioaktiver ,B-Strahlen
vermieden. Andere störende Bestandteile wie Halogene, Sauerstoff und Schwefel werden
von dem Zink als Zinkhalogenid, Zinkoxyd bzw. Zinksulfid gebunden. Da die Reaktionen
nicht in Gegenwart von Wasser, sondern im Gasstrom, vorzugsweise einem Gemisch von
Wasserstoff und Methan, stattfinden, werden die geschilderten »Memory-Effekte« vermieden.
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Die Erfindung gestattet eine kontinuierliche Messung im Durchfluß
und ist daher besonders geeignet für die Radio-Gaschromatographie. Dabei kann man
vorteilhaft
Wasserstoff als Trägergas verwenden. Vor dem Reaktionsgefäß
wird man noch Methan zuspeisen.
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Das Methan bewirkt eine schnellere Spülung des Reaktionsgefäßes und
Zählrohres und stellt sicher, daß sich in dem Zählrohr keine Gasentladung ausbilden
kann.
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Vorteilhaft ist es, wenn ein Kontakt aus feinverteiltem Zink und
Nickel auf einem Träger verwendet wird. Der Träger verhindert wenigstens teilweise
eine Versinterung des Kontaktes beim Schmelzen des Zinks, so daß nicht dadurch der
Strömungswiderstand unzuträglich erhöht wird. Es hat sich als nützlich erwiesen,
wenn die Temperatur des Kontaktes in Strömungsrichtung von etwa 350 auf etwa 620"C
ansteigt und dann wieder auf etwa 350"C absinkt.
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Ein weiteres vorteilhaftes Merkmal besteht darin daß die Substanzen
zusätzlich über einen Silberkontakt, vorzugsweise Silberwolle, geleitet werden.
Die Silberwolle kann vorzugsweise in einer relativ kühlen Zone unmittelbar stromab
von dem Zink-Nickel-Kontakt angeordnet werden.
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Dieser Silberkontakt hat den Zweck, Halogenwasserstoffe zu binden,
die sich aus Zinkhalogeniden bilden können, welche bei den benutzten Temperaturen
sich in den kühleren Zonen kondensieren. Silberhalogenide sind nicht flüchtig und
können daher nicht in den Radioaktivitätsdetektor gelangen. Ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Abbildung schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben:
Mit 10 ist eine gaschromatographische Trennsäule bezeichnet, durch welche von 12
her ein Wasserstoffstrom als Trägergas geleitet wird. Am Eingang der Trennsäule
10 ist ein Probengeber 14 vorgesehen, am Ausgang sitzt ein üblicher Wärmeleitfähigkeitdetektor
16, dessen Vergleichszelle reines Trägergas H2 über eine Leitung 18 zugeführt wird.
Das Detektorsignal wird mittels eines Schreibers 20 aufgezeichnet.
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Das ist die übliche Anordnung eines Gaschromatographen.
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Das aus der Meßkammer des Detektors 16 austretende Gas wird jedoch
noch einer Anordnung zur Radioaktivitätsmessung zugeleitet, die generell mit 22
bezeichnet ist. Diese enthält ein Reaktionsgefäß 24 in einem Ofen 26 und ein diesem
nachgeschaltetes Zählrohr 28. Vor dem Reaktionsgefäß 24 wird über eine Leistung
30 Methan zugespeist.
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Das Reaktionsgefäß 24 wird von einem U-Rohr gebildet. Es enthält
einen Zink-Nickel-Kontakt 32.
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Zwischen dem Zink-Nickel-Kontakt sind in Abständen Pfropfen 34 aus
Silberwolle vorgesehen. Solche Pfropfen schließen auch die aus dem Ofen herausragenden
Enden des U-Rohres ab und halten somit zugleich den Zink-Nickel-Kontakt mechanisch
in dem Rohr.
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Der Kontakt wird hergestellt, indem z. B. 70 Teile einer Mischung
von Zink und Nickeloxyd (1:1,5) mit 15 Teilen Träger (Sterchamol) gemischt werden.
Diese Mischung wird zusammen mit der Silberwolle zwischen 350 und 380"C im Wasserstoffstrom
erhitzt, bis kein Wasser mehr auftritt. Dabei wird das Nickeloxyd zu Nickel reduziert.
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Nach einiger Zeit wird der Katalysator erschöpft sein, beispielsweise,
weil das Zink zum überwiegenden Teil chemisch gebunden ist. Das macht sich durch
eine Erhöhung des Störpegels oder durch Auftreten von Pseudoaktivitäten bemerkbar.
Man kann dann den Kontakt regenerieren, indem man mehrere Stunden lang Wasserstoff
hindurchleitet.
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Eine Vorrichtung der beschriebenen Art zur Radio-Gaschromatographie
kann man für mannigfache Untersuchungen verwenden, insbesondere in der Biochemie,
in der organischen Chemie und Strahlenchemie zur Aufklärung von Reaktionsmechanismen,
zur Prüfung auf radiochemische Reinheit usw. Einige Anwendungsbeispiele hierfür
sind im folgenden beschrieben: 1. Zur Aufklärung des Bildungsmechanismus von Buttersäure
und anderer Produkte bei der sogenannten Buttersäuregärung ist es von Interesse,
die Umsetzung in 3H-markiertem Wasser ablaufen zu lassen. Aus der Radioaktivität
des Wassers, des gebildeten Wasserstoffes der Buttersäure und Essigsäure sind Rückschlüsse
auf den Reaktionsablauf möglich. Da es von besonderem Interesse ist, hierbei verschiedene
Substrate zu vergleichen, ist die Radio-Gaschromatographie ein ideales Mittel, die
Produkte schnell und vergleichbar zu analysieren.
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2. Bei der Synthese markierter Verbindungen kommt es mitunter auf
extreme radiochemische Reinheit an. So wurden z. B. die radiochemische Reinheit
von 14C-markierten Alkylhalogeniden, die zur Messung von Isotopeneffekten benötigt
wurden, mit Hilfe der Radio-Gaschromatographie geprüft.
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3. Bei der sogenannten Direktmarkierung organischer Verbindungen
mit Tritiumgas entstanden außerordentlich komplexe Substanzgemische, die sich dadurch
auszeichnen, daß ein hoher Prozentsatz der Radioaktivität in unwägbaren Mengen vorliegt.
Zum Auffinden und zur Identifizierung dieser Substanzen läßt sich die Radio-Gaschromatographie
in der angegebenen Form anwenden.
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So wurde die Bildung von Methanol-3H, Äthanol-3H, Propanol-3H und
Isopropanol-3H aus Propan-1,2-diol bestimmt.
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Durch die Erfindung wird ein Verfahren und eine Vorrichtung geschaffen,
welche die radio-gaschromatographische Untersuchung praktisch beliebiger Substanzen
gestattet, welches kontinuierlich arbeitet und daher an die Arbeitsweise der Gaschromatographie
optimal angepaßt ist und relativ geringen Aufwand an Zeit und Apparatur erfordert.
Durch die Erfindung werden viele Untersuchungen mit 14C- und 3H-markierten Verbindungen
überhaupt erst durchführbar.