Anwendung von Isotopen in der Organischen Chemie und Biochemie Band II H. Simon (Hrsg.) P. Rauschenbach . H.-L. Schmidt H. Simon· R. Tykva . M. Wenzel Messung von radioaktiven und stabilen Isotopen Mit 87 Abbildungen Springer -Verlag Berlin· Heidelberg· New York 1974 ISBN-13:978-3-642-8080S-0 e-ISBN-13:978-3-642-80804-3 DOl: 10.1007/978-3-642-80804-3 Das Werk ist urheberrechdich geschutzt. Die dadurch begrundeten Rechte, ins besondere die der Dbersetzung, des Nachdruckes, der Entnahme von Abbildun gen, der Funksendung, der Wiedergabe auf photomechanischem oder ahnlichem Wege und der Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung, vorbehalten. Bei Vervielfiiltigungen fur gewerbliche Zwecke ist gemaB § 54 UrhG eine Vergu tung an den Verlag zu zahlen, deren Hohe mit dem Verlag zu vereinbaren ist. © by Springer-Verlag Berlin· Heidelberg 1974 Softcover reprint of the hardcover 1s t edition 1974 Library of Congress Catalog Card Number 73-18745. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, daB solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz Gesetzgebung als frei Zu betrachten waren und daher von jedermann benutzt werden durften. Gesamtherstellung: W. F. Mayr, Miesbach/Oberbayern. Vorwort Radioaktive und stabile Isotope gehoren zu den wichtigsten Forschungswerkzeugen der organischen Chemie und der Biochemie. Die mit ihrer Hilfe in den letzten Jahrzehnten gewonnenen Erkennt nisse konnen kaum uberschatzt werden. Aber auch in Zukunft wird die Isotopen-Anwendung nichts von ihrer Bedeutung verlieren. Von der Archaologie bis zur Zahnheilkunde gibt es kaum ein natur wissenschaftliches bzw. medizinisches Spezialfach, in dem nicht auch mit Isotopen gearbeitet wird. Solche Arbeiten sind stets mit Mes sungen verbunden. Ihre AusfUhrungen entscheiden, ob die groBen Moglichkeiten der Isotopentechnik zu richtigen oder zu quantitativ oder gar qualitativ falschen Ergebnissen fuhren. Die Gefahr, falsche Ergebnisse zu erhalten, ist besonders groB beim Umgang mit weichen ~-Strahlern und stabilen Isotopen. Hier beeinfiussen viele Parameter, die mit dem Isotopengehalt gar nichts zu tun haben, das MeBergebnis. Entscheidend ist haufig die Praparation der Proben. Ob sie richtig oder falsch geschehen ist, sieht man dem MeBergebnis nicht an, zumal ein groBes oder zumindest teures Gerat oft sehr uberzeugend eine mitunter vielstellige Zahl anzeigt und groBe Genauigkeit vortauschen kann. Die Problematik der Isotopen-Analyse, insbesondere die von radioaktiven Isotopen, liegt darin, daB es so einfach ist, ein MeBgeriit zum Ansprechen zu bringen. Das Buch solI auch dem weniger Versierten Kriterien fUr die opti male Auswahl beim Kauf der meist teuren Gerate an die Hand geben. Isotopen-Analysen sind nach verschiedenen Prinzipien moglich. Fur jedes von ihnen gibt es wieder zahlreiche Variationen. Sehr selten aber gibt es »die beste Methode«. Fast immer hangt die optimale Methode von der Fragestellung abo Hier solI das vorliegende Buch Anleitung und Entscheidungshilfe sein. Die zahlreichen Moglich keiten und Methoden werden deshalb nicht nur aufgezeigt, sondern wenn moglich auch problemorientiert gewertet. Solche Wertungen sind zwangslaufig mehr oder weniger subjektiv. Die Autoren haben die darin liegende Gefahr auf sich genommen, weil sie keine neutrale Literaturubersicht geben wollen, sondern eine Anleitung zum prak tischen Handeln, verbunden mit den Fakten, die fUr das Verstandnis notwendig sind. VI Vorwort SchlieBlich soli gezeigt werden, welche Erfahrungen mit den ver schiedenen Methoden bereits gemacht worden sind. Von den explizit wiedergegebenen V orschriften sind die Autoren, meist aus eigener Erfahrung, uberzeugt, daB sie funktionieren und empfehlenswert sind. Das heiBt naturlich nicht, daB dies fur andere Verfahren nicht auch zutrifft. Die sicher etwas ungewohnliche Besprechung von radioaktiven und stabilen Isotopen in einem Band schien sinnvoll, da in der Forschung, in der die Isotopentechnik ein Werkzeug neben anderen ist, stets die zu losende Aufgabe im Vordergrund steht. Ob die Aufgabe dann durch die Anwendung radioaktiver oder stabiler Isotope bearbeitet werden kann, ist von sekundarer Bedeutung. Haufig entscheiden die von der Analytik gesetzten Grenzen uber Durchfuhrbarkeit, Aufwand und Sicherheit der Aussage von Experi menten. Auch fUr die in diesem Zusammenhang auftauchenden Fragen solI das Buch eine Hilfe sein. Die Autoren danken allen, die am Zustandekommen des Manu skripts mitgeholfen haben. Nicht zuletzt gilt ihr Dank ihren Familien fur das Verstandnis, das sie fur die Arbeit wahrend so vieler Stunden an Abenden und W ochenenden aufbrachten. Der Herausgeber dankt seiner Frau fur Schreibarbeiten und andere vielfaltige Hilfe. Herausgeber und Autoren Inhaltsverzeichnis Vorwort . . . . . . . . . V Adressenliste der Autoren XIII A. Einleitung . . . . . . 1 H. SIMON und P. RAUSCHENBACH, Technische Universitiit Miinchen 1. Begriffe und Definitionen. . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1. Absorption, Ionisation, Anregung und Bremsstrahlung von ~-Strahlung. . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.2. y-und Rontgen-Strahlung, Mechanismen der Absorption 5 1.3. Hiiufig verwendete radioaktive Isotope . . . . . . . . 6 1.4. Literatur und Bibliographie. . . . . . . . . . . . . 11 B. Allgemeines und Prinzipien der Radioaktivitatsmessung 15 H. SIMON und P. RAUSCHENBACH, Technische Universitiit Miinchen 1. Absolut-und Relativmessung von Radioaktivitiit. 15 2. Ionisationskammem und Ziihlrohre 17 2.1. Ionisationskammem. . . . . . . . . . . 17 2.2. Ziihlrohre . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.1. Ziihlrohre zur Messung von ~-Strahlung . 19 2.2.2. Ziihlrohre zur Messung von y-Strahlung . 21 3. Halbleiterdetektoren (R. 'TYKVA , Tschechoslowakische Akademie der Wissenschaften, Prag) . . . . . . . . . 21 4. Szintillationsziihler . . . . . . . . . . 25 4.1. Allgemeines iiber Szintillationsziihler . 25 4.2. Messung mit fliissigen Szintillatoren 27 4.2.1. Losungsmittel. . . . 29 4.2.2. ProbengefaBe . . . . . . . 30 4.2.3. Szintillator-Substanzen . . . 31 4.2.4. Loscheffekte, Phosphoreszenz und Chemolumineszenz . 38 4.3. Messung durch Cerenkov-Strahlung . . . . . . . . . . . 42 4.4. Messung von y-Strahlem mit festen Szintillatoren . . . . . . 44 4.4.1. Impulshohenverteilung, y-Spektroskopie und Auflosungs- vermogen. . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 4.4.2. Einflu3 verschiedener Parameter auf die Gestalt des Spektrums. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 5. Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 C. Parameter, die auf Genauigkeit und Reproduzierbarkeit von EinfluB sind. Fehlerbetrachtung. . . . . . . . . . 53 P. RAUSCHENBACH, Technische Universitiit Miinchen 1. Der radioaktive Zerfall als statistischer Vorgang . . 53 VIII Inhaltsverzeichnis 2. EinfluB von Probenaktivitat, Nulleffekt und MeBzeit auf den Fehler der Nettozahlrate . . . . . . . . 58 2.1. MeBzeitoptimierung. . . . . 64 3. Grenzempfindlichkeit und Giitezahl 67 4. Fehler von Ratemeter-Messungen . 70 5. Ermitdung von Storeffekten an MeBanordnungen aufgrund nicht- statistischer Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . 71 6. Erkennung eines zu hohen Fehlers einer Einzelmessung . 75 7. Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 D. Praparation der Proben und deren Messung 77 P. RAUSCHENBACH und H. SIMON, Technische Universitat Miinchen 1. Messung in fester oder fliissiger Form mit Zahlrohren . 77 1.1. T-, 14C_, 35S_ und 45Ca-markierte Proben . . . . 84 2. Messung in der Gasphase nach Proben-Umwandlung . 88 2.1. Tritium-markierte Proben. . . . . . . . . 88 2.2. 14C_ und T Jl4C-doppelmarkierte Substanzen . 93 2.3. Literatur. . . . . . . . 95 3. Fliissig-Szintillations-Messung . . . . . . . . 96 3.1. Probenpraparation. . . . . . . . . . . . 99 3.1.1. Direkt-Messung (ohne Probenumwandlung) 99 3.1.1.1. Homogene MeBsysteme. . . . . . 99 3.1.1.1.1. Messung ohne Losungsvermittler 99 3.1.1.1.2. Messung mit Losungsvermittlern 100 3.1.1.1.3. Messung von Wasser und wiiBrigen Losungen . . . . . . . . . . . 100 3.1.1.1.4. Haufig verwendete Szintillatorsysteme 104 3.1.1.2. Heterogene MeBsysteme 105 3.1.1.2.1. Emulsionen. . . . . . . . . . .. 106 3.1.1.2.2. Suspensionen .......... , 108 3.1.1.2.3. Andere heterogene Materialien wie Papier- streifen, Diinnschicht-und Glasfaserproben 111 3.1.1.2.4. Haufig verwendete Szintillatorsysteme 114 3.1.2. Messung nach Probenumwandlung . . 115 3.1.2.1. Absorption gasformiger Proben 116 3.1.2.2. Umwandlung in fliissiger Phase 122 3.1.2.2.1. Solubilisierung 122 3.1.2.2.2. NaB-Oxidation . . . 127 3.1.2.3. Trockene Oxidation . . . . . 132 3.1.2.3.1. Sauerstoff-Kolben-Verfahren 133 3.1.2.3.2. Sauerstoff-Strom-V erfahren . 141 3.1.2.3.3. Oxidation im Bombenrohr oder in der Metallbombe . . . . . 143 3.1.2.4. Spezielle Umwandlungsverfahren 144 3.2. Bestimmung der Zahlausbeute (Loschkorrektur) 144 3.2.1. Interne Standardisierung. . . . . . . . 145 3.2.2. Loschkorrektur-Verfahren, aufgrund der Verschiebung des Proben-Impuls-Spektrums. . . . . . . 147 3.2.2.1. Loschkompensation . . . . . . 148 3.2.2.2. Proben-Kanalverhiiltnis-Methode 149 3.2.2.3. Verstarkungsverhaltnis-Methode. 152 Inhaltsverzeichnis IX 3.2.3. Exteme Standardisierung . . . . . . . . . . . . . . . 152 3.2.3.1. Verfahren basierend auf der Ziihlrate des extemen Standards ................... 152 3.2.3.1.1. Standard im Ziihlfliischchen angeordnet. . 152 3.2.3.1.2. Standard auBerhalb des Ziihlfliischchens angeordnet. . . . . . . . . . .. 153 3.2.3.2. Exteme Standard-Kanalverhiiltnis-Methode .. 154 3.2.3.2.1. Rechnerische Weiterverarbeitung der MeBwerte 158 3.2.4. Nachverstarkungs-Methode 159 3.2.5. Koinzidenz-Methoden 159 3.2.6. Verdiinnungs-Methode 160 3.3. Datenverarbeitung. . . . . 161 3.4. Literatur. . . . . . . . . 164 E. Die Bestimmung geringer Radioaktivitat 173 R. TYKV A, Tschechoslowakische Akademie der Wissenschaften, Prag 1. Fragestellungen, welche die Bestimmung geringer Radioaktivitiit erfordem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 173 2. WahlderBestimmungsmethode. . . . . . . . . . . . . .. 174 3. Allgemeine Gesichtspunkte rur ein Laboratorium zur Messung gerin- ger Radioaktivitiit. . . . . . . . 175 3.1. Lokalisierung und Ausstattung . . . . . . . . 175 3.1.1. Konstruktionsmaterialien . . . . . . . . 177 3.1.2. Elektrische Entstorung der MeBeinrichtung 179 3.2. ErhOhung der Bestimmungsempfindlichkeit. . . 182 3.2.1. Emiedrigung des Nulleffektes durch mechanische Abschir mung, Antikoinzidenz- oder Koinzidenzschaltung, Impuls- hohen-und Anstiegszeitdiskrimination . . . . . . .. 182 3.2.2. ErhOhung der spezifischen Radioaktivitat vor der Messung 187 4. Die einzelnen MeBverfahren 189 5. Literatur. . . . . . . . . . . . . . . 192 F. Messung mehrfachmarkierter Proben. 199 R. TYKV A, Tschechoslowakische Akademie der Wissenschaften, Prag 1. Beispiele flir die Verwendung und das V orkommen mehrerer Radio- nuklide in einem Versuchssystem . 199 2. Prinzipien der MeBverfahren . . . . . . . . . . . . . . . .. 201 2.1. Fllissig-Szintillations-Ziihlung. . . . . . . . . . . . . .. 202 2.1.1. Messung nach vorangehender Trennung der Radionuklide 202 2.1.2. Gleichzeitige Messung aufgrund unterschiedlicher Impuls hohenspektren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203 2.1.2.1. Prinzip der Methode . . . . . . . . . . . . . . 203 2.1.2.2. Berechnung der Zerfallsraten der einzelnen Nuklide von doppelmarkierten Proben . . . . . . .. 204 2.1.2.3.Die Wahl optimaler Arbeitsbedingungen bei der Messung loslicher, wenig geloschter Proben . . . . 206 2.1.2.4. Bestimmungunloslicher oder stark geloschter Proben 218 2.2. Ionisationsmethoden und Halbleiterdetektoren 219 3. Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222 x Inhaltsverzeichnis G. Radiochromatographie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225 M. WENZEL, Freie Universitat Berlin 1. EinIeitung. . . . . . . . . . . 225 2. Papier-und Diinnschicht-Chromatographie . 227 2.1. Allgemeine Aspekte . . . . . . . . . 227 2.2. DirektmessungvonChromatogrammen undElektropherogrammen 228 2.2.1. Papier-Chromatogramme und Elektropherogramme . 228 2.2.2. Dtinnschicht-Chromatogramme . . . . . . . . . 231 2.2.3. Direktmessung von Parallel-und zweidimensionalen Chromatogrammen. . . . . . . . . . . . . . . 236 2.2.4. Messung von doppelt-markierten Chromatogrammen 240 2.2.5. Zahlausbeute und weitere MeBparameter bei der Direkt- messung . . . . . . . . . . . . . . . . 241 2.2.6. Kombination verschiedener Parameter. . . . . . 248 2.3. Diskontinuierliche Messung von Chromatogrammen . . 249 2.3.1. Diskontinuierliche Messung von Papier-und Dtinnschicht- Chromatogrammen. . . 250 2.4. Autoradiographische Verfahren . . . . . . . 251 2.4.1. Film-Autoradiographie . . . . . . . . 252 2.4.2. Autoradiographie mit der Funkenkammer 255 3. Auswertung von Gel-Elektropherogrammen . . . 257 4. Saulen-Chromatographie mit radioaktiven Losungen 258 4.1. Kontinuierliche Messung. . . . . . . . . . 258 4.1.1. DurchfluB-Zellen aus Szintillator-Schlauchen . 258 4.1.2. DurchfluB-Zellen mit fester Szintillator-Ftillung . 259 4.1.3. DurchfluB-Zellen ftir homo gene Systeme 262 4.1.4. Radioaktivitats-Messung von Eluaten durch Cerenkov- Strahlung ................ . 263 4.2. Diskontinuierliche Messung . . . . . . . . . . . 264 5. Radio-Gaschromatographie (H. SIMON, Technische Universitat Mtinchen) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 5.1. EinIeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 264 5.2. EinfluB verschiedener Parameter auflonisations-Detektoren . 265 5.3. Apparatur und Arbeitsweise ftir hydrierende Crackung bzw. Oxidation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 268 5.4. Grenzempfindlichkeiten . . . . . . . . . . . . . . .. 271 6. Verschiedene der Radiochromatographie verwandte MeBmethoden . 272 6.1. Messung radioaktiver Zellsuspensionen auf Filtrierpapier 273 6.2. Messung radioaktiver Gewebe-Schnitte. . . . . 273 6.3. In vivo Scanning bei Kleintieren (»Szintigraphie«) . . . 274 7. Registriermoglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . 277 7.1. Digitale und analoge Darstellung der Aktivitatsverteilung 277 7.2. Elektronische Peak-Integration . .. ..... . 279 7.3. Darstellung der Aktivitatsverteilung und Peak-Integration mit einem Vielkanal-Analysator. . . . . . . . . . . . .. 281 8. Beispiele ftir Anwendung der Radiochromatographie zur Reinheits kontrolle radioaktiver Substanzen . . . . . . . . . . . . 283 8.1. Reinheitskontrolle von 131J-Hippuran und 131J-Thyroxin .... 284 Inhaltsverzeichnis XI 8.2. Reinheitskontrolle bzw. Reinigung von (6, 7-T)-bstradiol 284 9. Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285 H. Analyse von stabil-isotop markierten Verbindungen .... 291 H.-L. SCHMIDT, Institut ftir Chemie und landwirtschaftliche Techno logie Weihenstephan, Technische Universitat Mtinchen 1. Anwendungen stabiler Isotope und Grundlagen ihrer Analytik 291 2. Elementaranalytische Isotopen-Bestimmungen. . . . . . . 296 2.1. Verfahren zum Aufschlu.B von markierten Verbindungen . 296 2.1.1. Aufarbeitung von Proben zur Deuterium-Analyse. . 298 2.1.1.1. Verbrennung Deuterium-haltiger organischer Ver bindungen und Isolierung des Wassers . . . . . . 298 2.1.1.2. Verbrennung organischer Substanzen und Reduk- tion von Wasser ftir die massenspektrometrische Deuterium-Analyse . . . . . . . . . . . . . . 301 2.1.1.3. Einstufen-Verfahren zur Gewinnung von Wasser stoff und automatisierte Wasser-Reduktion . . . . 306 2.1.1.4. Bestimmung von Deuterium in acidem Wasserstoff 307 2.1.2. Aufbereitung von Proben zur DC-Analyse . . . . . . . . 308 2.1.2.1. Verbrennung von Kohlenstoff-haltigem Material nach dem Prinzip der organischen Elementaranalyse 309 2.1.2.2. Probenbereitung aus anorganischem Material und aus Wassern . . . . . . . . . . . . . . . .. 311 2.1.3. Probenchemie zur 15N-Analyse. . . . . . . . . .. 311 2.1.3.1. Kjeldahl-Aufschlu.B und Hypobromit-Oxidation 312 2.1.3.2. Oxidation nach dem Dumas-Verfahren ... , 317 2.1.3.3. Oxidation von Ammoniak und organischen Sub- stanzen im Bombenrohr (Einstufen-Verfahren). . . 318 2.1.3.4. Gewinnung von Stickstoff aus speziellen Bindungen 320 2.1.4. Aufschlu.B zur Sauerstoff-Isotopenanalyse ........ 321 2.1.4.1. Aufschlu.B-Methoden zur Analyse von 180 in organi schen Verbindungen . . . . . . . . . . . . . . 322 2.1.4.2. Dberftihrung von molekularem Sauerstoff in Kohlen- dioxid .................... 329 2.1.4.3. Umarbeitung von Wasser ftir die massenspektro metrische 180-Isotopen-Analyse . . . . . . . . . 329 2.1.4.4. 180-Analyse von anorganischen Stoffen ...... 331 2.1.4.5. Reinigung von Kohlendioxid zur massenspektro- metrischen Analyse. . . . . . . . . 335 2.1.4.6. Herstellung von Sauerstoff als Me.Bgas (170-Bestimmung). . . . . . . . . 335 2.1.5. Aufschlu.B zur Isotopen-Analyse des Schwefels 336 2.1.6. Probenchemie ftir 35Clj37Cl-Bestimmungen. . 337 2.2. Quantitative instrumentelle Ermittlung des Isotopen-Verhaltnisses in Me.Bproben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 2.2.1. Massenspektrometrische Analyse gasformiger Proben . . . 338 2.2.1.1. Massenspektrometer zur Isotopenverhaltnis-Analyse 338 2.2.1.2. Berechnungen von Isotopen-Haufigkeiten aus Massenspektren einfacher Molektile. 342 2.2.1.3. Fehlerquellen und Korrekturen ...... , 344