DE2306241A1

DE2306241A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung des isotopgehaltes von mit dem hoch 3h-isotop markierten beziehungsweise mit den hoch 3h- und hoch 14c-isotopen gemeinsam markierten materialien

Info

Publication number: DE2306241A1
Application number: DE2306241A
Authority: DE
Inventors: Dezso Dr Banfi; Istvan Cacs; Geb Farkas Emilia Dobis; Sandor Dr Mlinko; Laszlo Dr Oetvoes; Tivadar Dr Palagyi; Karoly Payer; Zoltan Vargay
Original assignee: Chinoin Gyogyszer es Vegyeszeti Termekek Gyara Zrt
Current assignee: Chinoin Private Co Ltd
Priority date: 1972-02-09
Filing date: 1973-02-08
Publication date: 1973-08-23
Also published as: US3945797A; ATA111073A; AT340014B; HU163311B; GB1381822A; JPS4970679A; IT988592B; CH592876A5

Description

^H- und C-Isotopen gemeinsam markierten Materialien

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung des Isotopgehalt es von mit dem ^Η-Isotop markierten beziehungsweise

mit den ^JI- und C-Isotopen gemeinsam markierten Materialien} insbesondere organischen Verbindungen und Materialproben biologischen Ursprunges, in der Gasphase durch die gleichzeitige oxydative Umsetzung des Wasserstoffgehaltes der Probe zu Wasser beziehungsweise seines Kohlenstoffgehaltes zu einem Gas, vorzugsweise Kohlendioxydgas, nach Trennen des Wassere und des Kohlendioxydes erfolgendes Überführen des "^Η-Gehaltes des Wassers in ein Gas und Einleiten der *Ή- und gegebenenfalls auch C-haltigen Gase voneinander getrennt in eine ITachweis-

309834/0864

einheit und Bestimmung ihrer Radioaktivität. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens. .

Das mit radioaktiven Isotopen durchgeführte Markierung^- ·' verfahren beziehungsweise Leitisotopenverfahren (tracer ''■''· technique) ist ein unentbehrlich wichtiges Untersuchungsverfahren der theoretischen und praktischen Forschung auf dem Gebiet der Biologie, Biochemie und ihrer Grenzgebiete. Bei diesem Untersuchungsverfahren·· werden auf den erwähnten Forschungsgebieten hauptsächlich und-meistens die organogenen Elemente und von diesen wiederum das Wasserstoffisotop mit der Massenzahl 3 und das Kohlenstoffisotop mit der Massenzahl 14-verwendet. Es ist allgemein bekannt, daß die Analyse der die— ^;-se Isotopen enthaltenden radioaktiven Materialien auch heute ί noch die komplizierteste und schwierigste Aufgabe der nuklearen Meßtechnik darstellt.

In der jüngsten Vergangenheit sind als praktische Anwendungsgebiete hauptsächlich die Arzneimittelforschung und Arzneimittelindustrie, die landwirtschaftlich-chemische Forschung und die Lebensmittelindustrie die Verbraucher der größten Mengen der erwähnten Isotoparten geworden.

Das Markierungsverfahren wird in der Arzneimittelforschung bei den verschiedenen, pharmakologischen, mikrobiologischen, pharmakobiochemischen, zubereitungs- beziehungsweise aufbereitungstechnischen und arzne.imitteltechnologischen Routineuntersuchungen in Anspruch genommen,.während es die landwirtschaftlich-chemische Forschung routinemäßig bei ihren verschiedenen pflanzen- und tierphysiologischen Forschungen, bei ihren Untersuchungen der Resorption, der Anhäufung und des natürlichen Abbaues der Pflanzenschutz-, Schödlingsbekämpfungs- und Konservierungsmittel und den damit zusammenhängenden toxikologischen Forschungen anwendet.

3 0 98 34/0864

Durch, die mit Hilfe von mit radioaktiven Isotopen markierten Indikatorverbindungen durchgeführten Reihenuntersuchungen sind das Verhalten der Arzneimittel beziehungsweise der in der Landwirtschaft und der Lebensmittelindustrie verwendeten Chemikalien in den lebenden Organismen und der Ivlechanismus ihrer Transportvorgänge, wie der Mechanismus der Resorption, der Verteilung, der Entleerung beziehungsweise Ausscheidung oder Anhäufung sowie die durch den Stoffwechsel verursachten Veränderungen der Präparate, feststellbar.

Infolge der Feststellung der schädlichen V/irkung der mit den Arzneimitteln und Lebensmitteln in die lebenden Organismen eintretenden Fremdstoffe ist der Vertrieb sowohl der Arzneipräparate als auch der Chemikalien für die Landwirtschaft und Lebensmittelindustrie (wie der Pflanzenschutzmittel und Konservierungsmittel) in allen Ländern der Welt durch zunehmend schärfere Untersuchungen erfordernde Verordnungen geregelt. Bei der Durchführung dieser Untersuchungen spielt die Einführung und Durchführung der auf der Markierung mit radioaktiven Isotopindikatoren fußenden Kontrollverfahren eine von Jahr zu Jahr wichtiger werdende Rolle. So wird-beispielsweise durch einen Beschluß der WHO (World Health Organization) vom Jahre 1966 beim Vertrieb neuer Arzneipräparate ihre pharmakologische Untersuchung mit Radioisotopen schon als ein verbindliches Verfahren 'vorgeschrieben.

Nachdem diese Untersuchungen überwiegend die Verwendung von mit den "Ή- und C-Isotopen markierten Indikatorverbindungen erfordern, stellen die bereits verbindlich vorgeschriebenen Untersuchungen der angewandten Grenzgebietforschungen immer dringendere und mehr erhöhte Anforderungen an die nuklear-analytische Forschung und die NuklearapparateIndustrie auf dem Gebiet der Entwicklung und Inbetriebnahme der zur schnellen und genauen Messung der -Ή- und C-Isotopen dienenden Verfahren und iVießvorrichtungen.

_ 4 „

309834/0864

Hauptsächlich der Mangel an zur zuverlässig genauen und

empfindlichen Messung der Radioaktivität der <H- und

C-Isotopen dienenden Meßvorrichtungen hoher Kapazität und ■ _■-.

die Mangel solcher in Verkehr gebrachten Vorrichtungen sowie nicht zuletzt auch.der¹ mit ihnen verbundene außergewöhnlich hohe Aufwand verhinderten die Anwendung des auf weichen ß-Iso-. topen fußenden Markierungsverfahrens auf-den erwähnten wichtigen praktischen Gebieten der Forschung beziehungsweise Anwendung. Gleichzeitig wurden gerade durch diese neuen Anwendungsgebiete diejenigen neuen isotoparialytischen Anforderungen aufgeworfen, die von den bisher in Verkehr gebrachten Vorrichtungen beziehungsweise Anordnungen nur kaum oder gar nicht befriedigt werden könnten. -. - . .

Infolge der außergewöhnlich hohen Zahl der Proben war das

wichtigste Erfordernis die hochgradige* Automatisierung der

14- ~ ~*ι

Verfahren zur C- und -Ή-Messung, während die hochleistungsfähige Zählung der im Bereich der äußerst heterogenen Proben anwesenden geringen Mengen radioaktiver Substanzen und energiearmen ß-Teilchen die Entwicklung von äußerst empfindlichen Nachweisverfahren erforderlich machte. Die Lösung beider Probleme ist auch einzeln eine sehr schwere technische Aufgabe . .

Bei der Automatisierung der Messung von. Proben entwickelte sich das Flüssigkeifcsszintillations-Zählverfahren am raschesten. Die am internationalen Instrumentenmarkt erhältlichen vollkommen automatisch arbeitenden Zahlvorrichtungen-(ß-Spektrometer) sind.zur-Aufnahme und zur vollkommen auto-· matisierten Messung mehrerer Hunderte von Proben fähig und können die auf zahlreichen Gebieten der auf der Anwendung von v/eichen ß-Isotopindikatoren fußenden Untersuchungen gestellten Aufgaben der Aktiyitätsmessung mit mehr oder weniger entsprechender Genauigkeit nahezu'ausreichend erfüllen* Ihr ge-.meinsamer Nachteil ist .jedoch, daß der«Mechanismus, und die

* — 5 —

309834/088 4

Teilvorgänge der Szintillation, als physikalischer Erscheinung, -auf welcher die Zählung beruht, heute noch ungeklärt sind. Daher ist die Empfindlichkeit und der Wirkungsgrad der . Zählung solcher Vorrichtungen von den physikalischen und chemischen Eigenschaften der zu messenden Materialien abhängig. Bei heterodispersen Systemen wird der 7/irkungsgrad der Zählung durch die Selbstabsorption und bei homogenen Lösungen durch die von den auch nicht im voraus berechenbaren physikalischen und chemischen Eigenschaften des Lösungsmittels und der gelösten Materialien verursachte Extinktion durch die Farbe und die Konzentration verminderb, während er in anderen Fällen durch die von denselben Eigenschaften verursachte Phosphoreszenz und Fluoreszenz in irreführender Weise erhöht wird. Die den Wirkungsgrad der Zählung herabsetzenden und erhöhenden Faktoren sind schwer zu berichtigen und selbst ihre annähernde Berechnung erfordert die Anwendung von komplizierten und kostspieligen Hilfseinrichtungen (Computern).

Die Isotopanalysen der bei den Routineuntersuchungen der Arzneimittelforschung und der landwirtschaftlich-chemischen Forschung anfallenden äußerst mannigfaltigen biologischen Substanzproben (tierischen und pflanzlichen Organrückständen) sind mittels der Flüssigkejfcsszintillations-Zählverfahren besonders schwer durchführbar. Allein die Bereitung der Zähllösung (Löslichmachen beziehungsweise Solubilisierung) ist ein aus mannigfaltigen Tätigkeiten bestehender langwieriger, umständlicher, arbeitsintensiver und nicht automatisierbarer Vorgang, der auch zahlreiche Fehlerquellen in sich birgt. Die biologischen Substanzproben sind größtenteils farbig und oft unlöslich, während ihre kolloidalen Lösungen heterodispers sind. Bei der Auswahl der FlüssigkeilBszintillationszähler sowie auch der Lösungsmittel, der löslichmachenden beziehungsweise solubilisierenden Substanzen und der verwendeten primären und sekundären Szintillatoren müssen die Erscheinungs- beziehungsweise Zustandsform, die physikalischen und chemischen

- 6 309834/0864

Eigenschaften und in erster Linie die Szintillationseigenschaften der Materialien und ferner die verschiedenen möglichen Fälle der Extinktion durch die Farbe und Konzentration "berücksichtigt werden und es müssen die entsprechenden Berichtigung sver fahr en gewählt werden. Die Durchführung der Herich-tigungsaufgaben erfordert eine komplizierte und viel Zeit in Anspruch nehmende Rechenarbeit. Daraus folgt, daß infolge des breiten Bereiches der' Probematerialien und der Mannigfaltig-.keit der Proben die Messung nur einiger Materialproben oft eine eigene vorbereitende Untersuchung beansprucht.

Die zuverlässige Isotopenanalyse der mit den "Ή- und

C-Isotopen gemischt beziehungsweise gemeinsam markierten Materialproben kann durch das Flüssigkeitsszintillationsverfahren ebenfalls nur schwer durchgeführt werden. In diesem Fall ist die Durchführung der Berechnung der Wirkungsgradberichtigung

⁷J 14 noch komplizierter. Die Bestimmung der -Ή- und O—Isotopen nebeneinander erfordert MehrkanalZählgeräte und kann nur mittels Energiediskriminationsverfahren durchgeführt werden, woraus folgt, daß der Zählwirkungsgrad auf den halben Wert oder noch niedrigere V/erte herabgesetzt wird.

Im Falle von weichen ß-strahlenden Isotopen, wie Hauptsächlich bei -^H und G enthaltenden Materialproben, wurde es versucht, die bei den oben erwähnten auf der Flüssigkeitsszintillation fußenden Verfahren auftretenden Schwierigkeiten der Aktivitätsmessung durch verschiedene in der Gasphase arbeitende Teilchenzählverfahren zu beseitigen. Bei diesen Verfahren wird der Tritium- beziehungsweise Kohlenstoffgehalt der festen oder flüssigen Materialprobe in den Gaszustand überführt. Die Gasprobe wird dann in ein Geiger-Müller-Zähl- · rohr oder in ein im Proportionalitätsbereich arbeitendes Zählrohr mit innerer Ladung beziehungsweise Füllung oder in eine Ionisationskammer geleitet und ihre Radioaktivität wird in der Gasphase gemessen. . -

— "7 —

309834/0864

Die mittels Zählrohre mit innerer Ladung beziehungsweise Füllung durchgeführten Verfahren der Teilchenzählung haben den Vorteil, daß das Zählrohr ohne Nachwirkung am Ende der Zählung (ohne Endeffekt) eine nahezu absolute Aktivität mißt, wobei sein ',VirkungEgrad annähernd 100$ ist. Die Messung wird bei allen untersuchten Proben immer mit demselben Gas (beispiels-

IZl ΛΙχ. 1/L

v/eise mit HT, TH₂C - CH₂T, CO₂ , . CO oder CH₄ ) durchge

führt, die Auswertung ist einfach und beansprucht keine Berichtigüngsberechnungeii, die Fehlermöglichkeiten sind gering und gleichzeitig ist die Reproduzierbarkeit der Messungen günstig. Die bekannten Verfahren der ^H- und C-Zählung in der Gasphase haben jedoch den gemeinsamen Nachteil, daß die vor der Teilchenzählung erforderliche Probevorbereitung (die Überführung des Kohlenstoff- beziehungsweise Tritiumgehaltes der Probe in das Zählergas) ein langdauernder und von der Geschicklichkeit und Übung der die Vorbereitung durchführenden Person abhängiger Vorgang, dessen Durchführung die Verwendung von äußerst komplizierten Geräten erforderlich macht, ist. Die Gasproben müssen nämlich sehr sorgfältig gereinigt werden, was mit dein Ausfrieren, der Isolierung und der weiteren chemischen Umsetzung des HTO oder COp verbunden ist. Vor der Messung der nächsten Probe müssen die Vorrichtungen immer sorgfältig entaktiviert (dekontaminiert) werden, um die "Erinnerungswirkung'¹ ("Memorieeffekt") zu beseitigen, was besonders bei der Tritiummessung eine äußerst schwierige, praktisch fast unlösbare Aufgabe ist. All dies gliedert sich in individuelle und absatzweise, manuell durchzuführende Teilvorgänge, weshalb ein äußerst hoher Zeit- und Arbeitsaufwand erforderlich ist.

Die gleichzeitige Bestimmung der -Ή- und -Isotopen nebeneinander konnte mit der Zählung der v/eichen ß-Strahlung in der Gasphase auch nicht gelöst werden. Bei allen bekannten Meßverfahren müssen diese beiden Isotopen in getrennten Vorrichtungen mit neuen Probeeinwaagen bestimmt werden. Die be-

- 8 309834/0864

kannten Meßverfahren verwenden zur Bestimmung der erwähnten beiden Isotopen in derselben Probe nahezu ausnahmslos eine Energiediskxamination oder getrennte Probeeinwaagen, das heißt getrennte Behandlungen beziehungsweise Vorrichtungen, was im erstgenannten Fall natürlich mit einer Verminderung des Wirkungsgrades der Zählung und im letztgenannten Fall init einer äußersten Kompliziertheit und einem äußerst hohen Zeitbedarf des Meßvorganges verbunden ist. ,

Ziel der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Anordnung, die unter Behebung der Nachteile der bekannten Verfahren und Anordnungen beziehungsweise Vorrichtungen die äußerst genaue und empfindliche, gegebenenfalls von manuellen Arbeitsgängen freie, vollkommen automatisierte Messung der Radioaktivität von tritiumhaltigen sowie von Tritium- und

C-Isotopen gemeinsam enthaltenden Materialproben ermöglichen, vorzusehen.

Eine der Feststellungen, auf welchen die Erfindung beruht, besteht darin, daß bei der Messung in der Gasphase eines der schwierigsten Probleme die quantitative Isolierung beziehungsweise Reinigung des die Aktivität tragenden Gases aus dem bei der Überführung der Probe in den Gaszustand entstandenen Gasgemisch darstellt. Es wurde nun festgestellt, daß der ganze "\H-Gehalt des aus dem Wasserstoff gehalt der Probe bei der* Verbrennung entstandenen Wassers auf einem speziellen Kontaktkatalysator innerhalb bestimmter Temperaturgrenzen gebunden werden kann, während alle bei der Verbrennung entstandenen übrigen Gase abgeleitet werden können, und das in dieser Weise isolierte Tritium mittels eines dazu geeigneten Gasstromes- kontinuierlich in den Gaszustand überführt werden kann. -

Ferner beruht die Erfindung auf der Feststellung, daß,

■ χ 14. , ■ - .

wenn eine die H- und C-Isotopen gemeinsam enthaltende

_ 9 _ 309834/0864

14 Materialprobe zu analysieren ist, die C-Aktivität des vom gesamten ^H-Gehalt der Probe vollkommen abgetrennten Gasgemisches getrennt und unabhängig vom Tritium gleichfalls mit einem nahezu 1GÖ?o-igen Wirkungsgrad meßbar ist; so wird die .Anwendung der Energiediskrimination bei der Messung der Radioaktivität zur Bestimmung des Isotopengehaltes der Materialprobe überflüssig.

Schließlich beruht die Erfindung auf der Feststellung, daß, wenn ein entsprechendes Gas oder Gasgemisch als Zählergas verwendet oder die Wasserstoffgasprobe mittels einer chemischen Reaktion in-eine. Verbindung, die auch selbst als Zählergas verwendet werden kann, überführt wird, die so erhaltene Gasprobe ohne v/eitere Reinigung zur Messung der Radioaktivität ebenfalls geeignet ist. Diese Feststellung ermöglichte auch die vollkommen automatische Durchführung des Meßverfahrens ohne manuelle Arbeitsgänge ausschließlich durch die automatische Betätigung von Ventilsystemen in einer gegebenen Anordnung.

Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bestimmung des Isotopgehaltes von mit dem ^Η-Isotop markierten

ζ 14

beziehungsweise mit den "Ή- und C-Isotopen gemeinsam markierten Materialien, insbesondere organischen Verbindungen und Materialproben biologischen Ursprunges, in der Gasphase durch die gleichzeitige oxydative Umsetzung des Wasserstoffgehaltes der Probe zu Wasser beziehungsweise seines Kohlenstoff gehaltes zu einem Gas, vorzugsweise Kohlendioxydgas, nach Trennen des Wassers und des Kohlendioxydes erfolgendes Überführen dos ^H-G ehalt es des '»"assers in ein Gas und Ein-

5 14

leiten der H- und gegebenenfalls auch C-haltigen Gase voneinander getrennt in eine Nachweiseinheib und Bestimmung ihrer Radioaktivität, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, daß der- -Tritiunigehalt des die ^Η-Radioaktivität tragenden 7/asser-s an einem zum Zurückhalten beziehungsweise Binden von

30S834/G864

V/asser geeigneten aktiven Wasserstoff, enthaltenden Kontaktkatalysator, vorzugsweise Aluminiumoxid und/oder einem AIuminiuinsilikathydrat, gebunden wird und das Gasgemisch, das

Ah Al^

bei einem C-haltigen Material auch GO₂ enthält, abgeleitet wird und gegebenenfalls nach einer Reinigung mittels eines Zählergases in eine Nachweiseinheit eingeführt wird, worauf das gebundene Tritium von der Katalysatoroberflache durch eine Austauschreaktion mittels eines geeigneten Gasstromes, vorzugsweise eines 7/asserstoffgasstromes, kontinuierlich in die Gasphase überführt und in unverändertem Zustand ' mit einem Zählergas, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoffgas oder Kohlenwasserstoffgasgemisch, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten geleitet wird oder in Form einer seiner bei einer chemischen Umsetzung erhaltenen Verbindungen selbst oder mit einem Zählergas, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoffgas oder Kohlenwasserstoffgasgemisch, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten geleitet wird.

Erfindungsgemäß können als Kontaktkatalysator vorzugsweise zur Austauschreaktion fähigen Wasserstoff enthaltende Alkali-, Erdalkali- beziehungsweise Erdinetalloxyde, -silikate, -sulfate, -carbonate beziehungsweise -silikathydrate sowie derartige Substanzen enthaltende Materialien, beispielsweise gebrannte Tonmineralien, Molekularfilter beziehungsweise Zeolithe, verwendet werden.,

Das an der Oberfläche des Kontaktkatalysators gebundene Tritium bleibt sogar beim Durchleiten von beliebigen Gasmengen stabil gebunden, ausgenommen einige spezielle'Gase beziehungsweise Gasgemische j die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gerade zum Überführen des Tritiums in die Gasform " verwendet werden» " ■ -

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das abgetrennte Tritium mittels der

auf der Katalysatoroberfläche stattfindenden Austauschreaktion

Hp + T Kat H Eat + TH

mit Wasserstoffgas kontinuierlich in die Gasform überführt.

Zur Durchfühi'ung der Austauschreaktion sind auch andere aktiven Wasserstoff enthaltende Gase, beispielsweise HpS, geeignet, während der weiteren Arbeitsgänge sind sie jedoch nicht vorteilhafter als der Wasserstoff.

■χ

Das so erhaltene Gas, das den gesamten ^H-Gehalt der Materialprobe enthält, kann wie bereits erwähnt unmittelbar mittels eines Zählergases, vorzugsweise eines Kohlenwasserstoffgases oder Kohlenwasserstoffgasgemisches, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten geleitet werden oder es kann in einer chemischen Reaktion umgesetzt werden und das so erhaltene Gas kann selbst oder mit einem Zählergas gleichfalls in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten geleitet werden.

Es ist beispielsweise vorteilhaft, das erfindungsgemäße Verfahren in der Weise durchzuführen, daß die erhaltene

H-haltige Wasserstoffgasprobe in Gegenwart eines Hydrierungskatalysators mit ungesättigten Kohlenwasserstoffen, vorzugsweise Butadien, zur Umsetzung gebracht wird und das erhaltene Kohlenwasserstoffgas, das den "Ή-Gehalt der Materialprobe in chemisch gebundener Form in einem geringeren Volumen als das Originalvolumen der Gasprobe enthält, als ZäJalergas unmittelbar in die Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten geleitet wird. In einem solchen Fall sind solche chemische Reaktionen, bei welchen eine Molzahlverminderung stattfindet und so das Volumen der Gasprobe bedeutend vermindert werden kann, besonders vorteilhaft.

- 12 -

309834/0864

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die zur Vorbereitung der Gasprobe erforderlichen Sauerstoff- und Wasserstoffgase durch Elektrolyse in einer Elektrolysierzelle in situ erzeugt. Infolge der anzuwendenden hohen Stromstärke entwickelt sich, in diesem Fall eine bedeutende Menge Ozon, wodurch die rasche und quantitative Verbrennung der Materialien erleichtert wird. Durch Variieren der angelegten Zellenspannung kann die Gas- ·<= geschwindigkeit, also die z'uführungsgeschwindigkeit der Gase

äußerst genau gesteuert vierden.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die gewünschte .Reihenfolge und Stetigkeit der einzelnen Arbeitsstufen durch Steuern einer elektromechanisch oder pneumatisch, betätigten ^führungsvorrichtung und von elektromechanisch oder pneumatisch, betätigten Gasventilen mittels einer Zeit-Programmsteuerung sichergestellt. Dabei ist die Stetigkeit der Arbeitsgänge der Gasprobevorbereitung ohne manuelle Eingriffe erreichbar.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche durch, eine Zuführungsvorrichtung, eine an die Zuführungsvorrichtung angeschlossene zum Überführen des Wasserstoffgehaltes der Probe in Wasser beziehungsweise ihres Kohlenstoffgehaites in ein Gas dienende Verbrennungseinheit, ein an die Verbrennungseinheit angeschlossenes zum Abtrennen und Vergasen des 'Tritiumgehaltes des. Wassers dienendes'mit Kontaktmasse gefülltes Reaktionsgefäß,· eine oder mehrere an das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienende mit Kontaktmasse gefüllte Reaktionsgefäß angeschlossene Nachweiseinheiten und eine an die Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten angeschlossene Registriereinhei-'t- gekennzeichnet ist.

309834/0864

Eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung'weist eine an die Ve rbrenmmgs einheit und an das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des V/assers dienende mit Kontaktinasse gefüllte Reaktionsgefäß angeschlossene zur Erzeugung von 7/asserstoff- und Sauerstoffgasen dienende Elektrolysierzelle auf.

Nach einer v/eiteren vorteilhaften Ausführungsform weist

die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Bestimmung des Isotopen-

14
gehaltes von auch C-isotophaltigen Proben ein an das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienende mit Kontaktmasse gefüllte Reaktionsgefäß und die Elektrolysierzelle angeschlossenes mit einer zur Beseitigung des .Sauerstoffgehaltes des Gases dienenden Kontaktmasse gefülltes Reaktionsgefäß und eine an das letztere und auch die Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten angeschlossene Wasserabtrenneinheit auf.

Die Erfindung wird an Hand der folgenden beispielhaften ausführlichen Darlegungen in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.

Hierbei sind:

Figur 1 das Blockschema einer erfindungsgemäßen Anordnung,

Figur 2 das Blockschema einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung und

Figur 3 die Darstellung des Programmes der Arbeitsgänge des Betriebes einer erfindungsgemäßen Anordnung.

Im folgenden wird zunächst auf Figur 1 Bezug genommen. 309834/0864 - 14- -

Die Probe wird durch eine Zuführungsvörrichtung 1 ifr Verbrennungskammer 2 eingeführt, wo der Wasserstoffgehalt der Probe durch Verbrennen in Wasser beziehungsweise ihr. Kohlenstoffgehalt in ein Gas» vorzugsweise Eohlendioxyd, überführt wird» Das Gas wird mit einem Sauerstoffstrom in ein Reaktionsgefäß 3 gleitet, in welchem das Tritium an der Oberfläche einer zum Zurückhalten oder Binden von Wasser geeigneten aktiven Wasserstoff enthaltenden Kontaktmasse, vorzugsweise eines Aluminiumoxid- und/oder Aluminiumsilikathydratkatalysators, gebunden wird. Die. bei der Verbrennung gebilde-· ten Gase werden vom Reaktionsgefäß 3 mit einem Sauerstoffstrom weitergeleitet und dann wird das Reaktionsgefäß 3 mit einem-neutralen Gas, vorzugsweise Stickstoff, gespülte Danach wird das an der Oberfläche der Katalysatorfüllung des Reaktionsgefäßes 3 gebundene" Tritium mittels eines zum Tritiuinaustausch geeigneten Gasstromes, vorzugsweise mittels Wasserstoff, kontinuierlich in die Gasphase überführt und. das den

•z
gesamten ^H-Gehalt der Probe enthaltende Gas wird mit einem Zählergas,, vorzugsweise einem Gemisch aus Propan und Butan, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten 4 geleitet. An die letztere beziehungsweise letzteren ist eine Registriervorrichtung 5* die gegebenenfalls die Daten auch zu fixieren vermag, angeschlossen»

Die Sauerstoff- und Wasserstoffgase werden zweckmäßigerweise in einer Elektrolysierzelle 6. erzeugte

Bei der Bestimmung des Isotopengehaltes einer solchen

14
Probe, welche auch das CHIsotop enthält₉ wird das aus dem Reaktionsgefäß 3 austretende Gasgemisch mit einem Sauerstoff«- strom in ein Reaktionsgefäß 7 geleitet_s in welchem der Sauerstoffgehalt des Gases mit Wasserstoff vermischt an einer Kontaktfüllung, vorzugsweise des Metall/I^etalloxyd-Typs,. insbesondere an einer Cu/CuO-Füllungs in Wasserdampf überführt wird, durch den dann die Gasprobe zu einem Kondensa-

V-

- ■ · ■ . 15 -309834/0884 \ ■■·..-

5 ».

tionsgefäß 8 weitergeleitet wird, in welchem der Wasserdampf kondensiert wird. Zwischen dem Raktionsgefäß 3 und der Nachweiseinheit beziehungsweise den Nachweiseinheiten 4- wird in die Gasbeförderung ein Trägergas, zweckmäßigerweise ein Gemisch aus Propan und Butan, eingeschaltet, welches das den

C-Gesamtgehalt des eingewogenen Materiales aufweisende Gas zur Nachweiseinheit beziehungsweise zu den Nachweiseinheiten 4-weiterleitet.

Die Gasleitungen A, B, C und D stellen den Anschluß der Sauerstoff-, Wasserstoff-, Stickstoff- und Zählergasquellen an das System sicher.

Die Verbindung zwischen den einzelnen Teilen der Anordnung wird vorzugsweise durch automatisch betätigte Ventile, deren Betätigung in der gewünschten Reihenfolge mittels einer Programmsteuerung gesteuert wird, bewerkstelligt.

Die wichtigsten Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Anordnung sind wie folgt:

1.) Die Messung wird immer in einer identischen Gasphase durchgeführt; so gelingt es, die Bestimmung des Isotopgehaltes der die verschiedensten physikalischen Eigenschaften aufweisenden -^H-haltigen Materialien (beispielsweise biologischen Materialproben) auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen.

2.) Der Wirkungsgrad der Zählung beträgt nahezu

100% und bleibt auch in solchen Fällen kon-

"5 Instant, in welchen die "Ή- und C-Gehalte der

Probe gleichzeitig zu messen sind. Dieser hohe und konstante Wirkungsgrad konnte durch die quantitative Abtrennung der -Ή- und 'C-Gehalte' der Probe erreicht werden. Bei

• - 16 309834/0864

der Auswertung der beim erfindurigsgemäßen Verfahren erhaltenen Ergebnisse sind keine Berichtigungsberechnungen notwendig und die Anordnung erfordert keine kostspielige Rechenmaschine (Computer).

3.) Die Anordnung liefert gut reproduzierbare genaue Ergebnisse. Die Genauigkeit·und Reproduzierbarkeit sind von der Übung und Geschicklichkeit des Behandlungspersonals unabhängig.

4-.) Die Materialproben, die keine besondere Vo r- -■ ■■ bereitung beziehungsweise Vorbehandlung benötigen, durchlaufen nach ihrem Einbringen in die Zuführungsvorrichtung ohne Handberührung kontinuierlich und-automatisch die Arbeitsstufen der Überführung in das Zählergas. Daher ist die Kapazität der" Anordnung groß und ihre Bedienung äußerst einfach.

5·) Infolge ihres einfachen Aufbaues ist die Anordnung mit geringem Aufwand herstellbar,' sind die Möglichkeiten der Beschädigung gering und ist ihre Instandhaltung leicht durchführbar.

6.) Die "Erinnerungswirkung" der Anordnung ist im Gegensatz zu den bekannten Meßverfahren in der Gasphase, insbesondere zur Messung der "Ή-Aktivität, bei welcher es praktisch unmöglich war, die "Erinnerungswirkung" auszuschalten, praktisch gleich Null.

— 17 — 309834/0864

7.) Infolge der Durchführung der·Messungen in der gleichen chemischen Form kann die Kontrolle der Anordnung mittels Standardproben leicht und genau durchgeführt werden.

8.) Die Nachweiseinheit kann bei Zimmertempera-• tür und unter Atmosphärendruck betrieben werden und sie benötigt keine aufwendigen Vakuum-, Kühl- oder Konditioniereinrichtungen.

Im folgenden wird auf die Figuren 2 und 3 Bezug genommen.

In der Figur 2 bezeichnen S₁ , S~ » S* > B₁^ , Sc _r So ι S₈ , Sg , S₁₀ , S₁₁ und
IU , M^ , Mr und Mg Druckregler,

S₈ , Sq _r S₁₀ , S₁₁ und S₁₂ . Ventile und

Die in die aus Aluminiumfolie hergestellten Präparatehalter eingewogenen ^H- und C-haltigen Materialproben werden in die Zuführungsvorrichtung 1 eingebracht. Die Zuführung svorrichtung 1 läßt auf den Steuerimpuls der Programmsteuerung P hin die erste Probe in die mit dem aus der Elektrolysierzelle 6 durch den Flüssigkeitsniveaudruckregler M₁ und durch die Leitung A kommenden Sauerstoffstrom gefüllte und auf 90O⁰C aufgeheizte Verbrennungskammer 2 aus Quarz oder Metall fallen, wo das Material während 30 bis 60 Sekunden verbrannt wird. Die Ventile S₁ , Sr , Sr₇ , Sq , S₁₀ und S₁O öffnen sich eine Minute nach dem Augenblick des Hineinfallens der Probe und der Sauerstoffstrom führt die bei der Verbrennung entstandenen "Ή-haltigen Wasserdampf und Kohlen'-dioxyd durch das mit einem Aluminiumoxyd/Aluminiumsilikathydrat-Katalysator gefüllte und auf 55O°C aufgeheizte Reaktionsgefäß 3» in welchem das Tritium durch die Oberfläche des Katalysators gebunden wird, in das Reaktionsgefäß 7· Hier vermischt sich der Gasstrom mit dem von der Elektfolysierzelle 6 durch den Druckregler IL und die Leitung B kommenden Wasserstoff; gleichzeitig wird der Sauerstoffgehalt des Gases

- 18 309834/0864

an der auf 600°C aufgeheizten Cu/CuO-KOntaktoberflache zu Wasserdampf umgesetzt. Es wird der durch den Druckregler M_c und die Leitung D kommende Fropan/Butan-Gasstrom, der das radioaktive Kohlendioxyd in das Zählrohr 4· führt, in das System eingeleitet, während der im Reaktionsgefäß 7 entstandene Wasserdampf im Wasserabscheidungssystem 8 kondensiert wird.

Die Messung der Radioaktivität wird bei geschlossenen Ventilstellungen mit einer Zähldauer von zwei Minuten durchgeführt. Inzwischen wird das Reaktionsgefäß 3 mit dem durch den Druckregler M, und die Leitung C kommenden Stickstoff gespült.

,Das Zählrohr arbeitet im Proportionalitätsbereich bei einem Arbeitspunkt von 4 700 V. Ein ringförmig umliegender Antikoinzidenzschutz und ein 5 cm dicker Bleischutz schützen das Zählrohr 4 vor der Untergrund- beziehungsweise Umgebungsstrahlung. Die vom Zählrohr 4 kommenden elektrischen Signale werden durch die Zweikanal-Koinzidenz-Zähleinrichtung 5 registriert. Ein dritter Kanal vermindert die Signale des inneren Rohres um die in die Koinzidenz ankommenden Impulse. Die Registriereinrichtung 5 nimmt die Impulse .der einzelnen Kanäle auf Bändern auf. ;

14
Nach, Abschluß der Messung der C-Äktivität wird das

Zählrohr 4 bei offenen Stellungen der Ventile Sg _s S^₀ und Syjo durch das durch den Druckregler M₁- kommende Propan/Butan- -Gasgemisch entaktiviert* Danach setzt der bei offenen Stellungen der Ventile S^ ₉ Sg _s S*^ u***³· S^p von der Elektrolysierzelle 6 durch den Druckregler M₂ und die Leitung B kommende Wasserstoff strom das an der auf 550°^ befindlichen^^ Katalysatoroberfläche des Reäktionsgefäßes 3 gebundene Tritium kontinuierlich zu Gas um und spült es in das Zählrohr 4„

Nun wird die Messung der Radioaktivität des das ^H-=Isotop enthaltenden Gasgemisches bei wiederum geschlossenen Ventilstellungen durchgeführt₉ während welcher das Reaktionsgefäß 3

durch das durch die offenen Ventile S₇. und S^ , den Druckregler IL₇, und die Leitung C strömende Stickstoffgas durchgespült wird. Nach Abschluß der Aktivitätsmessung öffnen sich die Ventile S^ , ^S5 » ^S11 ^{unci S}1? * ^^eT Stickstoff wird durch den durch die Verbrennungskamraer 2 und das Reaktionsgefäß 3 in aas Reaktionsgefäß 7 kommenden Sauerstoffstrom durch das Ventil S₈ in die Umgebung geleitet und gleichzeitig wird durch den Sauerstoffstrom die Katalysatorfüllung des Reaktionsgefäßes 7 regeneriert. Inzwischen wird das Zählrohr 4- durch das durch den Druckregler IL- und die Leitung D kommende Propan/Butan-Gasgemisch entaktiviert.

So erfolgt der Betrieb in sieben Perioden gemäß dem in Figur 3 dargestellten Zeitprogramm. Die schattierten Quadrate bedeuten geschlossene und die nicht schattierten Quadrate offene Ventilstellungen. Die römischen Zahlen bezeichnen die Perioden und die Bezeichnungen S^ , S₂ * S, , S^ _t Sr , S^ , Sr₇ , S₈ , Sg , S^₀ , S^^ und S^₂ bedeuten die entsprechenden Ventile der Figur 2.

Periode Arbeitsgang Zeitdauer in Minuten

I Verbrennung 1

II Tritiumabtrennung, Spülen 2

_TTT C-Messung, Spülen mit ρ

Stickstoff

IV	Entaktxvxerung	2	I
V	Isotopaustausch
VI	■ζ. ^Η-Messung, Spülen mit
	Stickstoff	1
VTI	Katalysatorregenerierung,		- 20 -
	Entaktivierung

309834/0864

Diese sieben Perioden werden ohne manuellen Eingriff so lange wiederholt, bis alle der in die Zuführungsvorrichtung 1 eingebrachten Proben analysiert sind.

Die Ergebnisse der Meßreihe zum Nachweis der Reproduzierbarkeit des Verfahrens und des zuverlässigen Arbeitens der Anordnung sind in den folgenden Tabellen 1 und 2 zusammengestellt. Tabelle 1 enthält die Meßergebnisse von nur das ^Η-Isotop enthaltenden Materialproben, während*der Tabelle 2

14· 3 diejenigen von Materialproben, welche die C- und •'!!-Isotopen

gemeinsam enthalten, zu entnehmen sind.

-21-

309834/0864

	Probe	⁵H	2	1	\	- 21 -	•	Aktivität	I	57 050	Unter	Unterschied	j	fO
		⁵H	2	Λ	⁵H	Tabelle	> 1	in		47 122	grund	zwischen der		O
		⁵H	2	1				cpm	80 653	in	Aktivität
Laufende		⁵H	2	1	Netto		97 702	cpm	und dem
Nummer		⁵H			gewicht		64 087		Untergrund
				in	28 235		in
				mg	44 917		cpm/mg
	Benzoesäure 4				52 353	71	8 843
	Benzoesäure 4				42 437	71	8 820
	Benzoesäure 4					71	8 792
	Benzoesäure 4			6,4		71	8 811
j 2	Benzoesäure 4			5,3.	71	8 830
3	Desoxy-D-ribose			9,1	83	2 438
1 4-	Desoxy-D-ribose			11,0	83	; 2 451
I VJl	Desoxy-D-ribose			7,2	83	2 410
6	Desoxy-D-ribose			11,2·	83	2 443
7				17,4
8				21,0
9			16,8

Fortsetzung der Tabelle 1

Laufende
ITummer

Probe

Nettogewicht

in

mg

Aktivität in

cpm Untergrund

Unterschied zwischen der Aktivität und dem Untergrund

in . cpm/mg

Desoxy-D-ribose .2 ^

14,0

34 790

2 402

Blut

22,2

24,5

34 654 40 817

1 485 1 590

Blut
Blut

30,5
26,0

16 775 12 064

472 386

Urin
Urin

6,2
10,5

44 628 79 580

7 114 7 485

Leber
Leber

14,1
14,5

207 270

205 494

14 630 14 102

- 23 -

Fortsetzung der Tabelle

Laufende·	19	Probe	Netto	Aktivität	Unter	Unterschied
Nummer^	20 ι		gewicht	in	grund	zwischen der
		in	c pm	• in	Aktivität
		mg		cpm	und dem
•					Untergrund
					in
					cpm/mg
Leber	22,0	62 678	72	2 111
Leber	26,5	67 955	72	2 511

CD CD K)

- 24 Tabelle

Laufende	Probe	7	¹⁴C	4	⁵H	Netto	Aktivität	8	563	ir	622	Unter	Unterschied	Unterschied	und dem	18	in
Nummer		7 7	14_C	4 4		gewicht in	in	12 14	688 292		738 464	grund in	zwischen der 14 ¹ C-Aktivi-	zwischen der ⁵H-Aktivi-	Untergrund	18 18	;pm/mg
		7	¹⁴C	4		mg	cpm	9	955	I, ι "	439	cpm	tät und dem	tät		18	S 740 j
		7		4				10	458.	■ cpm	938		Untergrund	C	18	741 j 792 ;
								ί 24	736		600		in	13	754
							-	24	150		17-5		, cpm/mg	14	770
1	Benzoesäure					7,1	15	707		430	80 .	1 126	10	822 ■
2 3	Benzoesäure Benzoesäure					10,4 ■12,0	21	053	133	872	80 80	1 140 . · 1 111-	10	006
4	Benzoesäure			I		8,2	27	802	195 226	250	80	1 134	7	fsj 112 ^ω
5	Benzoesäure				8,6		154	80	1 136	426 cn
6 ■	Blut				26,8		161	81	■ 842	818 -^ —Λ
7	Blut ^;				25,0		I 372	81	885
8	Blut				22,6	! 352	84	611
9	Blut				27,2	230	84	690
10	Leber			18,4	285	^: 76	1 435 ·
			i 145

Fortsetzung der Tabelle 2

Laufende	Probe	Netto	Aktivität	in	Unter	Unterschied	Unterschied
Nummer		gewicht		cpm	grund	zwischen der	zwischen der
		in	in		in	Ali '^σ-Aktivi-	⁵H-Aktivi
		mg	c pm		cpm	tät und dem	tät und dem
						Untergrund	Untergrund
				127 712		in	in
					cpm/mg	cpm/mg
11	Leber	16,0	26 336	76	■ 1 570	7 906

Patentansprüche

CD CD IS)

Claims

Patentansprüche

Verfahren* zur Bestimmung des Isotopgehaltes von mit dem Η-Isotop markierten beziehungsweise mit den ^H- und

14

C-Isotopen gemeinsam markierten Materialien, insbesondere ,organischen Verbindungen und Materialproben biolo- " gischen Ursprunges, in der Gasphase durch die gleichzeitige oxydative Umsetzung des Wasserstoffgehaltes der Probe zu Wasser beziehungsweise seines-Köhlenstoffgehaltes zu einem Gas, vorzugsweise Kohlendioxydgas, nach Trennen des Wassers und des Kohlendibxydes erfolgendes Überführen des ^H-Gehaltes des Wassers in ein Gas und

•5 14

Einleiten der "\H- und gegebenenfalls auch C-haltigen .

Gase voneinander getrennt in eine Nachweiseinheit und Bestimmung ihrer Radioaktivität, dadurch gekennzeichnet, daß man den Tritiumgehalt des die ^Η-Radioaktivität . tragenden Wassers an einem zum Zurückhalten beziehungsweise Binden von Wasser geeigneten aktiven Wasserstoff enthaltenden Kontaktkatalysator, vorzugsweise Aluminiumoxyd und/oder einem Aluminiumsilikathydrat, bindet und

14
das Gasgemisch, das bei einem C-hältigen Material

auch COp enthält, ableitet und gegebenenfalls nach .einer Reinigung mittels eines Zählergases in eine Nachweise inheit einführt, worauf man das gebundene Tritium von der Katalysatoroberfläche durch eine Austauschreaktion mittels eines geeigneten Gasstromes, vorzugsweise eines Wasserstoffgasstromes, kontinuierlich in die Gasphase überführt und in unverändertem Zustand mit einem Zählergas, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoff gas. oder Kohlenwasserstoffgasgemisch, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten leitet oder in Form einer seiner bei einer chemischen Umsetzung erhaltenen Verbindungen selbst oder mit einem Zählergas, vorzugsweise einem Kohlenwasserstoffgas oder Kohlenwasserstoff gasgemisch, in eine Nachweiseinheit beziehungsweise

• - 2? -

309834/0864

- 27 -Nachweiseinheiten leitet.

2.) Verfahreil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die gewünschte Reihenfolge und Stetigkeit der einzelnen Arbeitsstufen durch Steuern einer elektromechanisch oder pneumatisch betätigten Zuführungsvorrichtung und von elektromechanisch oder pneumatisch betätigten Gasventilen mittels einer Zeit-Programmsteuerung sicherstellt.

3·) Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sauerstoff- und Wasserstoffgase durch Wasserelektrolyse erzeugt und die Zuführungsgeschwindigkeit dieser Gase durch die an die Elektrolysierzelle angelegte Spannung steuert.

4») Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 bis 3» gekennzeichnet durch eine Zuführungsvorrichtung (1), eine an die Zuführungsvorrichtung (1) angeschlossene zum Überführen des Wasserstoffgehaltes der Probe in Wasser beziehungsweise ihres Kohlenstoffgehaltes in ein Gas dienende Verbrennungseinheit (2), ein an die Verbrennungseinheit (2) angeschlossenes zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienendes mit Kontaktmasse gefülltes Eeaktionsgefäß (3)» eine oder mehrere an das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienende mit Kontaktmasse gefüllte Reaktionsgefäß (3) angeschlossene Nachweiseinheiten (4) und eine an die Nachweiseinheit beziehungsweise Nachweiseinheiten (4) angeschlossene Registriereinheit (5)·

5·) Anordnung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine an die Verbrennungseinheit (2) und das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienende

. - 28 309834/0864

mit Kontaktmasse gefüllte Reaktionsgefaß (J) angeschlossene zur Erzeugung von Wasserstoff- und sauerstoff gasen "dienende Elektrolysierzelle (6).

6.) Anordnung nach Anspruch 4 oder 5 zur Bestimmung des Isotopengehaltes von auch C-isotophaltigeii Proben, gekennzeichnet durch ein an das zum Abtrennen und Vergasen des Tritiumgehaltes des Wassers dienende mit Kontaktmasse- gefüllte Reaktionsgefäß (3) und die Elektrolysierzelle (6) angeschlossenes mit einer zur Beseitigung des Sauerstoffgehaltes des Gases dienenden Kontaktmasse gefülltes Reaktionsgefäß (7) und eine an das letztere und auch die Nachweiseinheit beziehungsweise ITachweiseinheiten (A-) angeschlossene Wasserabtrenneinheit (8). - .

30.983 A/086