Сравнительный анализ методов масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и альфа-спектрометрии для измерения активности плутония в биосубстратах

В настоящий момент самыми распространенными методами для измерений активности трансурановых элементов в биологических пробах являются альфа-радиометрия и альфа-спектрометрия. Из них альфа-спектрометрия – наиболее чувствительный и избирательный метод. Однако данный метод не обладает достаточным уровнем чувствительности для контроля труднорастворимых соединений плутония в организме. К примеру, при поступлении труднорастворимых соединений плутония на уровне предельного годового поступления через год в суточном количестве мочи ожидается около 0,4 мБк Pu. Так как нижний предел измерений альфа-спектрометрического метода составляет около 0,5 мБк, то в течение как минимум первых 2 лет персонал, работающий с труднорастворимыми соединениями плутония, не обеспечен достоверным контролем уровней поступления. Для решения данной проблемы была разработана методика анализа, основанная на измерении активности плутония методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой. Методика позволяет измерять плутоний на масс-спектрометре в суточном количестве мочи и в пробах крови после отделения от интерферирующих изотопов методом анионообменной хроматографии. Этот метод обладает гораздо меньшим временем измерения и существенно более высокой чувствительностью по отношению к долгоживущим изотопам, что позволяет снизить нижний предел измерений в пять раз по сравнению с альфа-спектрометрическим методом. Также методика позволяет отдельно измерять активность изотопов плутония-239 и плутония-240, энергии которых неразличимы на альфа-спектре. Выполнены параллельные измерения активности плутония двумя методами в 88 пробах суточной мочи персонала федерального государственного унитарного предприятия «Производственного объединения «Маяк», работающего преимущественно с труднорастворимыми соединениями плутония. Анализ результатов измерений в этих пробах показал отсутствие статистически значимых различий между полученными результатами. Также эти результаты свидетельствуют о лучшей применимости метода масс-спектрометрии для активностей ниже нижнего предела измерений альфа-спектрометрии. Разработанный метод анализа может быть применен для оценки уровней текущего поступления труднорастворимых соединений плутония, для ретроспективной дозиметрии, а также в качестве экспресс-метода при оценке поступления в нештатных ситуациях по содержанию плутония в крови.

1. Baglan N., Cossonnet C., Pitet P. et al. On the Use of ICP-MS for Measuring Plutonium in Urine // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2000, Vol. 243, № 2. P. 397–401.

2. Bé M.-M., Chiste V., Dulieu C. et al. Table of Radionuclides. Pavillon de Breteuil, F-92310 Sèvres, France: Bureau International des Poids et Mesures, 2008. Vol. 4. P. 133–252.

3. Bé M.-M., Chiste V., Dulieu C. et al. Table of Radionuclides. Pavillon de Breteuil, F-92310 Sèvres, France: Bureau International des Poids et Mesures, 2004. Vol. 2. P. 151–242.

4. Ephimov A.V., Batalov V.R. Applying of ICP-MS for Individual Dosimetric Control of Plutonium Intake. Health Physics Society, 64th Annual Meeting Abstracts, 2019. P. 35.

5. Соколова А.Б., Ефимов А.В., Джунушалиев А.Б. Анализ соответствия действующей системы индивидуального дозиметрического контроля внутреннего облучения, обусловленного поступлением плутония, актуальным рекомендациям МКРЗ // Радиационная гигиена. 2022. T. 15, № 3. С. 50-57.

6. Баталов В.Р., Соколова А.Б., Ефимов А.В., Джунушалиев А.Б. Оценка применимости метода масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой для задач специального индивидуального дозиметрического контроля // Радиационная гигиена. 2022. T. 15, № 4. С. 77–87.

7. Becker J.S. Mass spectrometry of long-lived radionuclides // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2003. Vol. 58, № 10. P. 1757–1784.

8. Wyse E., Fisher D.R. Radionuclide Bioassay by Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (ICP/MS) // Radiation Protection Dosimetry. 1994. Vol. 55. P. 199–206.

9. Kuwabara J., Noguchi H. Development of rapid bioassay method for plutonium // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2002. Vol. 252, № 2. P. 273–276.

10. Kuwabara J., Noguchi H. Development of Rapid Urine Analysis Method for Uranium. 2000. P. 4.

11. McCurdy D. Intercomparison study of inductively coupled plasma mass spectrometry, thermal ionization mass spectrometry and fission track analysis of μBq quantities of 239Pu in synthetic urine // Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry. 2001. Vol. 249, № 1. P. 121–131.

12. Wu Y., Xu Y., Xing. S. et al. Rapid determination of ultra-trace plutonium in large volume of urine samples by tandem quadrupole inductively coupled plasma-mass spectrometry // Spectrochimica Acta Part B: Atomic Spectroscopy. 2021. Vol. 184. P. 106259.

13. Yang G., Zheng J., Kim E. et al. Rapid analysis of 237Np and Pu isotopes in small volume urine by SF-ICP-MS and ICP-MS/MS // Analytica Chimica Acta. 2021. Vol. 1158. P. 338431.

14. Ефимов А.В., Соколова А.Б., Суслова К.Г. Основные итоги научно-практической деятельности Южно-Уральского института биофизики в области радиационной безопасности // Вопросы радиационной безопасности. 2023. № 3. С. 4-15.

15. Hernández-Mendoza H., Chamizo E., Delgado A. et al. Comparison of methods and application of alpha spectrometry and mass spectrometry techniques for 239Pu determination in biological samples // Journal of Analytical Atomic Spectrometry. The Royal Society of Chemistry. 2011. Vol. 26, № 7. P. 1509–1513.

16. Кобзарь А.И. Прикладная математическая статистика. Для инженеров и научных работников. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. 816 с. ISBN 5-9221-0707-0