Comparação das técnicas de Espectrometria Alfa e Espectrometria Gama na determinação de Am-241 em amostras de urina

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1 Comparação das técnicas de Espectrometria Alfa e Espectrometria Gama na determinação de Am-241 em amostras de urina J S Barbosa 1, M T Ferreira 1, R C Frizzo 1, F Tutancamon 1, R L Bonifácio 1, J F Macacini 1 1 Comissão Nacional de Energia Nuclear CNEN, Laboratório de Poços de Caldas LAPOC julianasanbarbosa@gmail.com Resumo: A determinação da concentração de atividade de Am-241 em amostras de urina é realizada, no LAPOC, pela técnica de Espectrometria Alfa. Entretanto, esta metodologia requer várias etapas, o que agrega um tempo de resposta longo. Além das emissões de radiação alfa, o Am-241 apresenta uma emissão gama relativamente intensa, com energia de 59,5 kev. Portanto, este trabalho propõe a utilização de um método de análise mais rápido, por Espectrometria Gama. Os resultados obtidos por ambas as técnicas foram comparados estatisticamente, para amostras de urina de um IOE contendo Am 241 acima de 100 mbq/l. Palavras-chave: amerício, espectrometria alfa, espectrometria gama, urina. Abstract: Determination of Am-241 activity concentration in urine samples is performed at LAPOC, by Alpha Spectrometry technique. However, the methodology needs a lot of processes, which takes a long response time. Besides alpha emissions, Am-241 exhibit one relatively intense gamma emission, with 59,5 kev of energy. This work proposes the use of a faster method of analysis, by Gamma Spectrometry. The results obtained by the proposed methodology were statistically compared with that achieved by the radiochemistry method of Alpha Spectrometry, for an OEI s (Occupationally Exposed Individual) urine samples containing Am 241 over 100 mbq/l. Keywords: americium, alpha spectrometry, gamma spectrometry, urine. 1

2 1. INTRODUÇÃO O amerício é um actinídeo que possui vinte isótopos, todos radioativos. Dentre eles, o Am 241 é o mais abundante na natureza, e por isso é considerado o isótopo de maior importância (LEHTO; HOU, 2011). Produzido pelo decaimento beta do seu isóbaro Plutônio-241 (equação 1), o amerício apresenta tempo de meia vida de 432,6 anos. Ele sofre desintegrações por meio da emissão de partículas alfa e radiação gama, até se estabilizar na forma de Bismuto-209 (TADDEI; SILVA; MACACINI, 2002). 239 Pu (n,γ) 240 Pu (n,γ) 241 Pu (β) 241 Am (1) No Brasil, o amerício foi largamente empregado na fabricação de para-raios e detectores de fumaça. Assim como as demais fontes radioativas, o uso das fontes de amerício na produção destes aparatos é regulamentado pela Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN). A CNEN, nos últimos anos, deixou de conceder autorização para o uso destas fontes já que, de acordo com a norma CNEN- NE-6.02, as quantidades de amerício empregadas excediam os valores limítrofes (TADDEI; SILVA; MACACINI, 2002). Portanto, o desmantelamento dos para-raios contendo amerício passou a ser uma das incumbências da CNEN. Isso trouxe a necessidade do monitoramento do teor de amerício no organismo dos indivíduos ocupacionalmente expostos (IOE), envolvidos neste processo, como forma de proteção radiológica (TADDEI; SILVA; MACACINI, 2002). Quando incorporado pelos seres humanos, o amerício acumula-se nos órgãos críticos, como os ossos e os rins, podendo causar danos severos ao organismo. Parte deste radioisótopo é excretada nas fezes e urina, o que permite sua determinação por meio de análise indireta (TADDEI; SILVA; MACACINI, 2002). Assim, é comum a realização da análise radioquímica de urina dos IOEs, por Espectrometria Alfa, possibilitando a detecção de concentrações relativamente baixas de amerício. Além da análise por Espectrometria Alfa, existem relatos a respeito da análise de Am 241 por ICP-MS, entretanto os resultados obtidos pela Espectrometria Alfa apresentam maior confiabilidade (LEHTO; HOU, 2011). Além do decaimento por emissão de partículas alfa, o amerício sofre desintegração por emissão de radiação gama, o que possibilita a sua determinação, por análise direta, em Espectrômetros Gama (LEHTO; HOU, 2011). Este tipo de análise desperta interesse, uma vez que o custo e o tempo de aquisição dos resultados são menores, em comparação com as análises por Espectrometria Alfa. 2

3 Para a obtenção dos espectros gama, é necessário que o material analisado apresente elevadas concentrações do radioisótopo, para garantir a validade do método (LEHTO; HOU, 2011). Porém, de modo geral, as amostras de urina apresentam pequenas quantidades de amerício, podendo tornar-se inviável a análise direta por Espectrometria Gama. No entanto, em situações de eventual contaminação de um IOE por amerício, a concentração mais elevada deste radioisótopo pode permitir a detecção do mesmo a partir de suas emissões gama. Em casos como estes, é imperiosa a obtenção de resultados rápidos para o acompanhamento do tratamento médico do indivíduo, o que justifica a utilização da técnica de Espectrometria Gama. Neste contexto, o presente trabalho propõe a utilização de um método rápido para medição da concentração de atividade de Am 241 em amostras de urina, a partir do tratamento da amostra por digestão ácida, seguida de coprecipitação, para pré-concentrar esse radionuclídeo, seguida de análise por Espectrometria Gama. Os resultados obtidos pela metodologia proposta foram comparados com aqueles obtidos pelo método radioquímico de espectrometria alfa, para amostras de urina de um IOE contendo Am 241 acima de 100 mbq/l, demonstrando concordância satisfatória. 2. METODOLOGIA 2.1. Espectrometria Alfa O preparo da amostra para análise em espectrometria alfa foi realizado de acordo com o diagrama demonstrado na figura 1. Figura 1. Etapas de preparo da amostra para a análise por espectrometria alfa. 3

4 Digestão ácida e coprecipitação A amostra de urina avaliada foi referente a todo o volume excretado pelo IOE, durante o período de 24 horas. Uma alíquota de 1 litro de urina foi retirada da amostra para análise. À amostra de urina, foram adicionados cerca de 30 ml de ácido nítrico concentrado, 40 ml de peróxido de hidrogênio concentrado, 2,5 ml de hidrogeno fosfato de di-amônio 3,2 M, 1 ml de nitrato de cálcio 1,25 M e aproximadamente 0,023 Bq do traçador Am-243. A amostra foi deixada sob aquecimento e agitação, até que estivesse com aspecto visualmente límpido e homogêneo. Em seguida, adicionou-se, aos poucos, hidróxido de amônio concentrado, até atingir o ph em torno de 9. A mistura foi deixada em repouso até o dia seguinte, no qual o precipitado foi recolhido por meio da sifonação à vácuo Dissolução do precipitado O precipitado sofreu dissolução através da adição de ácido nítrico, peróxido de hidrogênio e ácido perclórico concentrados, e do aquecimento da solução. Ao final desta etapa, a solução foi completamente evaporada e adicionou-se 30 ml ácido nítrico 2 M e 1 ml de ácido ascórbico 1 M Purificação e separação do Am-241 A resina de troca iônica TRU (Eichrom ) foi utilizada na coluna cromatográfica, sendo précondicionada com ácido nítrico 2 M. A amostra foi percolada e o amerício eluído adicionando-se ácido nítrico 0,05 M. A solução contendo amerício foi coletada em um béquer de teflon e levada à evaporação em chapa de aquecimento, de modo a reduzir o seu volume Microprecipitação O amerício foi precipitado por meio da adição de 0,1 ml de carreador de cério 5 mg/ml, 0,1 ml de suspensão de cério e 1 ml de ácido fluorídrico concentrado. A mistura permaneceu em repouso pelo período de 30 minutos sendo, em seguida, filtrada em membrana de polipropileno, 0,1 µm de porosidade, 0,25 mm de diâmetro. A membrana foi colocada em um suporte para a análise no espectrômetro alfa, e secada com o auxílio de uma lâmpada incandescente Espectrometria Alfa A análise do amerício por espectrometria alfa foi realizada em um espectrômetro CANBERRA α- Analyst, com detector semicondutor de barreira de superfície, de 450 mm 2 de área, e tempo de aquisição de dados de segundos Espectrometria Gama Para concentrar o Am-241 na amostra de urina, foi realizado o preparo de amostra de maneira semelhante ao preparo para espectrometria alfa, dispensando-se as etapas de dissolução do precipitado, purificação e separação do analito e microprecipitação (itens a 2.1.4). Conforme ilustrado na figura 2, a amostra de urina foi tratada seguindo o mesmo procedimento da amostra para a espectrometria alfa, até a etapa de coprecipitação e sifonação (item 2.1.1). Além disso, não foi adicionado o traçador Am-243 nesta amostra. 4

5 Figura 2. Etapas do preparo de amostra para a análise por espectrometria gama. Os espectros gama foram obtidos em um espectrômetro CANBERRA, com o software Gamma Acquisition & Analysis (Genie 2000, V. 3.3), detector de baixa energia, com 20% eficiência e tempo de aquisição de dados de segundos Comparação entre as metodologias Para fins de comparação entre os resultados produzidos pelas duas metodologias, uma série de cinco amostras de urina, de um IOE contendo Am-241 acima de 100 mbq/l, foi analisada por ambas as técnicas de maneira independente. Os resultados foram comparados estatisticamente, conforme descrito no item 3 do presente trabalho. 5

6 3. RESULTADOS E DISCUSSÃO Uma série de cinco amostras de urina, coletadas por um mesmo IOE, em cinco dias subseqüentes, foi selecionada para a comparação dos resultados. Os espectros das amostras seguiram a tendência dos gráficos apresentados a seguir, nas figuras 3 e Am cps Am Energia (kev) Figura 3. Espectro alfa da amostra 2 (Fonte: Da autora). No espectro apresentado na figura 3 é possível visualizar dois picos bem delimitados, um com energia de kev, referente à emissão alfa do Am-243, cuja detecção já era esperada, tratando-se do traçador adicionado à amostra; e outro, com energia de 5480 kev, que está associado à energia das partículas alfa do Am-241. No espectro obtido por espectrometria gama, a emissão gama do Am-241 é bem nítida pela apresentação do pico próximo à energia de 59 kev, conforme demonstra a figura 4. 6

7 Am 241 cps ,90 56,03 56,16 56,29 56,42 56,55 Energia (kev) Figura 4. Espectro gama da amostra 2 (Fonte: Da autora). As atividades detectadas do Am 241 pelas técnicas de espectrometria alfa e por espectrometria gama estão demonstradas na tabela 1. Tabela 1. Atividade do Am 241, em Bq/L, determinada por espectrometria alfa e por espectrometria gama (Fonte: Da autora). Amostra Atividade Am 241 Alfa (Bq/L) Atividade Am 241 Gama (Bq/L) 1 0,358 ± 0,019 0,291 ± 0, ,339 ± 0,013 0,367 ± 0, ,374 ± 0,013 0,304 ± 0, ,224 ± 0,009 0,295 ± 0, ,131 ± 0,004 0,147 ± 0,016 7

8 As atividades detectadas por espectrometria alfa foram consideradas dados quantitativos, uma vez que a metodologia de análise foi devidamente validada no laboratório do LAPOC e os resultados são controlados mediante rendimento químico com traçador de Am 243. Nas amostras analisadas, o valor do rendimento químico variou entre 77% a 100%. Já os valores de atividade mínima detectável (MDA) ficaram abaixo do mínimo recomendado pela ICRP 54, que são da ordem de 10-2 Bq/L (TADDEI; SILVA; MACACINI, 2002). Apesar dos MDAs das análises gama serem maiores do que os MDAs das análises alfa, ambos estão dentro do limite estabelecido. Tabela 2. Atividades mínimas detectáveis (MDA) referentes às análises de Espectrometria alfa e de Espectrometria gama (Fonte: Da autora). Amostra MDA Alfa (Bq/L) MDA Gama (Bq/L) 1 13, , , , , , , , , , Para avaliação estatística dos resultados decorrentes da determinação de Am-241 nas 5 amostras independentes de urina, as quais foram submetidas aos dois processos radioanalíticos distintos, recorreu-se ao teste t-pareado. Dessa forma, é possível verificar a exatidão dos resultados apresentados pela análise gama, em relação à análise alfa, para a metodologia estabelecida. Na realização deste teste, são calculados os desvios entre os dois conjuntos de dados (d 1, d 2, d 3, d 4 e d 5 ). Assumiu-se como hipótese nula (H 0 ) que a média dos desvios é igual a zero; e, como hipótese alternativa (H 1 ), que a média destes desvios é diferente de zero: H 0 : μd = 0 (2) H 1 : μd 0 O parâmetro μ d foi estimado pela média amostral das diferenças, ou seja, parâmetro foi dado pela variância amostral das diferenças, pela expressão: 2 d d. Já o 8

9 n 2 ( d d) 2 i 1 i sd (3) n 1 Onde n é o número de amostras avaliadas. Por fim, o teste-t foi realizado aplicando-se as variáveis na seguinte equação: T d d (4) s d n Esta equação, sob H 0, segue uma distribuição t de Student com n - 1 graus de liberdade. Os pontos críticos foram determinados por demonstrado na figura 5. t e 2 t para o caso bilateral, conforme 2 Figura 5. Demonstração da região crítica do teste bilateral (Fonte: Portal Action, 2018). Utilizou-se como critério de aceitação da hipótese nula (H 0 ), a comparação do T obs com o T crítico, sendo o T obs calculado por: T obs d d (5) s d n 9

10 A comparação entre o T obs e o T crítico foi realizada da seguinte forma: A hipótese nula seria rejeitada se: T obs t ou T obs t (6) 2 2 Caso contrário, a hipótese nula não pode ser rejeitada. O p-valor do teste é dado por: t T H t T p valor obs 0 2 obs H 0 (7) Quanto maior é o p-valor, maior é a proximidade dos resultados das duas técnicas de determinação de Am-241 realizadas, isto é, maior a probabilidade de aceitação da hipótese nula de igualdade dos desvios. A tabela 3 apresenta os resultados da aplicação do teste t pareado ao conjunto de dados da tabela 1, ou seja, aos resultados das atividades de cada amostra. Observa-se que o p-valor calculado é maior do que 5%, o que significa que não há evidência que aponte para para a rejeição da a hipótese nula. Portanto, pode-se assumir que os resultados obtidos pelas duas técnicas são concordantes. A mesma conclusão pode ser obtida mediante a comparação dos valores de T obs (0,16) e T crítico (2,78), que não atende ao critério de rejeição de H 0, conforme a equação 6, sendo o T obs menor do que o T crítico com 5% de significância. Tabela 3. Parâmetros do teste t. Número de amostras 5 Graus de liberdade 4 T obs 0,16 T crítico 2,78 p-valor 88% Das tabelas 1 e 3, é possível verificar que os resultados obtidos na análise por espectrometria gama são concordantes com aqueles obtidos por separação radioquímica/espectrometria alfa. Todavia, os resultados apresentados por espectrometria gama requerem estudos posteriores, com a avaliação de parâmetros como a faixa de trabalho, seletividade, repetitividade e exatidão, a partir da análise de 10

11 materiais de referência certificados para que a metodologia proposta seja considerada como suficientemente validada. Em comparação com a técnica de Espectrometria alfa, a principal vantagem da Espectrometria Gama reside no tempo despendido para a análise, permitindo a obtenção de resultados com pelo menos a metade do tempo necessário para a obtenção dos espectros alfa, de acordo com a concentração de atividade do radioisótopo. Isso se deve tanto ao tempo de preparo de amostra, quanto ao tempo de contagem de emissões gama. Nas amostras ensaiadas, com o intervalo de aproximadamente segundos de contagem (aproximadamente 17 horas), foram detectadas pelo espectrômetro gama um número de contagens suficiente para obtenção dos resultados da análise, enquanto o espectrômetro alfa foi configurado com um tempo de contagem de s (aproximadamente 56 horas). Além disso, o método por espectrometria alfa exige a execução de etapas posteriores de separação radioquímica, empregando-se coluna cromatográfica, dispensável no método por espectrometria gama. Assim, a análise por espectrometria gama, em termos do custo, pode ser interessante, uma vez que o preparo de amostra é mais simplificado, evitando o uso de reagentes, o desgaste de materiais e equipamentos de laboratório, inclusive da resina TRU, que possui elevado custo. Entretanto, é importante ressaltar que a técnica de Espectrometria gama só pôde ser aplicada na análise das amostras de urina em questão, pois as concentrações de Am-241 excediam os valores limítrofes adotados para o monitoramentos dos IOEs. Deste modo, a técnica de Espectrometria alfa não deve ser totalmente dispensada ou substituída, mas as duas técnicas podem ser utilizadas de forma complementar. Portanto, em situações de emergência que requerem a obtenção de resultados rápidos da concentração da atividade de Am 241 em amostras de urina, a análise por espectrometria gama pode ser uma alternativa viável. Nas condições avaliadas, pode se afirmar que a espectrometria gama oferece resultados semi-quantitativos muito próximos aos resultados quantitativos apresentados pela análise alfa. Com estes dados, já é possível, por exemplo, oferecer um direcionamento para tratamento médico de um IOE que esteja, eventualmente, em estado de risco pela incorporação de amerício. 4. CONCLUSÃO O presente trabalho apresentou um método rápido de medição da concentração de atividade de Am 241 em amostras de urina, empregando-se a técnica de espectrometria gama. Os resultados da análise mostraram-se significativamente comparáveis àqueles obtidos por separação radioquímica com coluna cromatográfica e espectrometria alfa (método de referência validado). Nas condições estudadas, é possível afirmar que a metodologia proposta, por espectrometria gama, oferece resultados semiquantitativos para medição da atividade de Am-241 em amostras de urina estudos posteriores são necessários para que este método seja considerado como suficientemente validado para esta medição. 11

12 No entanto, quando comparada com a metodologia por espectrometria alfa, a análise por espectrometria gama é mais barata e rápida, mostrando-se útil em situações de emergência. 5. REFERÊNCIAS HEILBRON, P. F. F.; XAVIER, A. M. Pára-Raios Radioativos : Proteção ou Perigo? Comunicação Interna, Comissão Nacional de Energia Nuclear, LEHTO, J.; HOU, X. Chemistry and Analysis of Radionuclides. Wiley Vch Verlag & Co. KGaA: Weinheim, TADDEI, M. H. T; SILVA, N. C.; MACACINI, J. F. Determinação de isótopos emissores alfa de amerício em amostras de urina e fezes. Revista Brasileira de Pesquisa e Desenvolvimento, v. 4, p , TESTE T PAREADO. Portal Action. Disponível em: < Acesso em: 11 set