Dell’Oro D., Bortone N., La Porta M., Marchesani G., Mangiacotti M., Chiaravalle A. E.
Centro di Referenza Nazionale per la Ricerca della Radioattività nel Settore Zootecnico Veterinario Istituto Zooprofilattico Sperimentale della Puglia e della Basilicata - Foggia
Key words: 90Sr, milk, LSC
ABSTRACT –Strontium-90 is one of the most biologically hazardous radionuclides due to its long physical and biological half-life. It’s produced in nuclear fission processes and decays to its daughter nuclide yttrium-90, that in turn decays emitting high-energy beta particles. Strontium-90 is chemically similar to calcium entering the human body through several food chains and it tends to deposit in bone and blood-forming tissue (bone marrow). The purpose of the current study was to determine low activity levels in milk samples by ultra low level liquid scintillation counting (LSC), after achieving yttrium-90 secular equilibrium condition.
INTRODUZIONE – Lo 90Sr è uno dei più diffusi e pericolosi prodotti di fissione dell’235U. Ha origine esclusivamente artificiale ed è un beta emettitore puro. Lo stronzio decade nel suo isotopo figlio 90Y con un tempo di dimezzamento (t½) di 28.5 anni emettendo particelle beta con un’energia massima di 546 keV. L’ittrio, anch’esso un beta emettitore puro, a sua volta decade con t½ di 64.1 ore in 90Zr stabile con spettro beta di energia massima di 2284 keV. Quando si raggiunge l’equilibrio secolare tra 90Sr e 90Y la concentrazione di attività dello stronzio può essere determinata misurando quella dell’ittrio, numericamente uguale a quella dell’isotopo progenitore. Chimicamente lo stronzio appartiene al gruppo dei metalli alcalino terrosi e manifesta un metabolismo con comportamento simile a quella del calcio fissandosi nelle ossa e rappresentando, quindi, un grave rischio per la salute umana. Tra gli alimenti assunti con la dieta, il latte è considerato un ottimo indicatore di contaminazione ambientale ed è di particolare interesse, soprattutto in situazioni di emergenza radiologica come il recente incidente nucleare di Fukushima. Infatti, come tutti i radiocontaminanti lo stronzio 90 una volta introdotto nell’ambiente viene trasferito dal suolo alla vegetazione entrando così nelle diverse catene alimentari a ciclo breve e lungo: suolo-vegetale-uomo oppure suolo-vegetale-animale- uomo. Il consumo di latte contaminato, particolarmente per i bambini, rappresenta la principale causa di irradiazione interna e per questo motivo deve essere effettuato un controllo routinario dei livelli di esposizione dei diversi gruppi della popolazione. I metodi nazionali normati per la determinazione dello stronzio 90 nel latte [1-2], richiedono una serie di precipitazioni sequenziali lunghe e laboriose per la separazione radiochimica degli interferenti a cui fanno seguito misure ripetute mediante contatore proporzionale a flusso di gas.
La separazione dal calcio, chimicamente affine allo stronzio, risulta essere difficoltosa dato che tale elemento è presente in concentrazioni elevate nella maggior parte dei prodotti della filiera lattiero-casearia ed in particolar modo nel latte, dove il rapporto è circa 10.000:1.
L’ittrio, invece, è un metallo di transizione appartenente al gruppo III B della tavola periodica come lo scandio, il
lantanio e l’attinio. La scarsa concentrazione presente nelle matrici alimentari, la propensione a formare complessi e il suo comportamento chimico differenziato rispetto ad altri elementi molto più diffusi nei prodotti alimentari, unitamente allo spettro beta con energia massima più elevata, permettono di effettuare una determinazione radiochimica più agevole rispetto allo stronzio.
Lo scopo del presente lavoro è stato, quindi, quello di mettere a punto e validare un metodo indiretto per la determinazione della concentrazione di attività dello stronzio-90 nel latte mediante scintillatore liquido ad ultra-basso fondo (LSC). La tecnica di conteggio in LSC offre molteplici vantaggi rispetto alle procedure tradizionali, consentendo di ottenere prestazioni elevate sia in termini di sensibilità che di produttività.
MATERIALI E METODI – Il metodo prevede l’estrazione dei cationi dal latte mediante l’aggiunta di 100 ml di resina a scambio cationico Dowex 50 W-X8 a 1 l di campione, mantenuto in agitazione per 60 minuti a pH 7. Dopo opportuni lavaggi con acqua calda fino ad eliminazione della frazione grassa si effettua una separazione in colonna cromatografica della fase stazionaria dispersa eluendo lo stronzio con acido nitrico 3 M. Il campione, una volta portato a secco totale si conserva per almeno due settimane (tempo minimo per il raggiungimento dell’equilibrio secolare 90Sr/90Y) prima di procedere alla separazione liquido/liquido dell’ittrio-90 mediante acido etil-esil ortofosforico (HDEHP). Si effettua poi una precipitazione dell’ossalato di ittrio a pH 2,5 per consentire l’eliminazione di alcune interferenze, sia chimiche (Fe3+) che radiometriche (isotopi naturali di Bi e Pb). Il precipitato viene disciolto in 8 ml di acido cloridrico 0.1 N e 12 ml di cocktail di scintillazione Ultima Gold AB (Perkin Elmer) e analizzato poi per un tempo di conteggio di 1000 minuti mediante scintillatore liquido ad ultra basso fondo (Wallac 1220 Quantuls – Perkin Elmer), dotato di circuito di discriminazione alfa-beta. Nella procedura vengono utilizzati come carrier stronzio ed ittrio stabili per la determinazione delle rese chimiche mediante tecnica ICP/MS. Per verificare l’adeguatezza del metodo allo scopo preposto sono state eseguite prove di validazione per la stima della precisione, dell’esattezza, dell’efficienza di conteggio e della Minima Concentrazione di Attività Rivelabile (M.C.R.).
L’efficienza di conteggio è stata valutata mediante il trattamento di tre sorgenti di Stronzio-90 di attività pari a 1 Bq, trattate con la stessa procedura di separazione dell’ittrio dei campioni. La M.C.R., è stata calcolata sulla base dei conteggi di tre campioni di bianco procedurale. Per valutare la sensibilità del metodo sono state effettuate sei prove con campioni fortificati a 0.05 Bq/l, pari a circa tre volte la M.C.R. Sono state condotte prove di ripetibilità intermedia su sei campioni fortificati a due livelli di concentrazione di attività
pari a 0,5 e 1 Bq/l da due operatori diversi utilizzando la stessa procedura e lo stesso materiale di prova. Per poter valuatare la selettività del metodo sono state effettuate misure ripetute di un campione di latte fortificato con una sorgente di stronzio-90 alla concentrazione di attività pari a 1 Bq/l confermando la sola presenza di ittrio-90 in base alla forma dello spettro β, ai conteggi totali ed alla verifica della legge di decadimento del radionuclide stesso.
Per la valutazione dell’accuratezza del metodo è stato analizzato un materiale di riferimento certificato, latte in polvere (IAEA -152) contaminato da stronzio-90 in seguito all’incidente nucleare di Chernobyl.
RISULTATI E DISCUSSIONE – Il metodo sviluppato per la determinazione dello stronzio-90 nel latte mediante conteggio in scintillatore liquido ad ultra basso fondo risulta meno laborosio e più efficace se confrontato con i metodi ufficiali. Infatti, l’utilizzo di un contatore proporzionale a flusso di gas presuppone una lunga serie di precipitazioni e purificazioni al fine di garantire una buona separazione radiochimica dello 90Sr dal momento che tale sistema di conteggio non consente una discriminazione del radioisotopo emittente. Con tale tecnica, per poter confermare o meno la presenza dell’analita di interesse bisogna effettuare misure ripetute, a distanza di giorni, per verificare il decadimento del segnale. Il metodo con scintillatore liquido, invece, consente di registrare spettri sia di particelle alfa che beta con buona discriminazione delle sorgenti di emissione. L’analisi dello spettro consente, in un’unica misura, di valutare rapidamente la presenza dei diversi radioisotopi o di possibili interferenti che non sempre vengono eliminati completamente nella fase di purificazione radiochimica. In questo modo, per ogni campione, può essere effettuata una corretta discriminazione dei radioisotopi riducendo così i tempi di analisi con controllo di qualità del dato analitico. Di seguito viene riportato lo spettro caratteristico di un campione di latte vaccino fortificato alla concentrazione di attività pari a 1 Bq/l letto a distanza di tempo (fino a 2 volte il t½ dell’ittrio-90) per verificare l’assenza di eventuali interferenti. Come si evince in figura 1 gli spettri al variare del tempo manifestano sempre una forma caratterizzata dalla presenza di un massimo in una finestra energetica ben definita mentre i conteggi totali diminuiscono secondo la legge di decadimento dell’ittrio 90.
Figura 1: Studio di selettività per la verifica del decadimento nel tempo di un campione di latte fortificato a 1 Bq/l con 90Sr.
La tecnica LSC fornisce, inoltre, efficienze di conteggio delle sorgenti prossime al 100 % per gli alfa emettitori e tra
l’80% e il 90% per i beta emettitori [3], notevolmente più elevate rispetto alle tecniche tradizionali. Nel nostro studio di validazione, sulla base di prove ripetute su una sorgente di stronzio 90 di attività pari a 1 Bq si è ottenuta un’efficienza di conteggio dell’89%, mentre la minima concentrazione di attività rivelabile è risultata pari a 0.014 Bq/l. Prove condotte ad un livello prossimo alla M.C.R. pari a 0.050 Bq/l mostrano un’efficienza complessiva di conteggio del metodo pari al 72% ± 14% (n=6) e segnali distinguibili dal fondo così come mostrato in figura 2. Il metodo mostra buoni valori di ripetibilità calcolati in termini di CV% sulla base dei risulalti delle prove condotte su sei campioni di latte fortificati a livelli di concentrazione di attività di 90Sr di 0.5 e 1 Bq/l pari rispettivamente a 12.6% e 13.0%. Il recupero, calcolato come rapporto tra la concentrazione di attività misurata al termine del processo analitico e quella aggiunta inizialmente, risulta essere pari al 99% al livello di concentrazione di attivita’ di 1 Bq/l ed al 106% a 0.5 Bq/l.
Per la valutazione dell’accuratezza del metodo è stato analizzato un materiale di riferimento (IAEA 152) il cui valore certificato di concentrazione di attività dello 90Sr alla data del 31 Agosto 1987 è pari a 7,7 Bq/kg con un intervallo di accettabilità compreso tra 7.0 ÷ 8.3 Bq/kg ad un livello di confidenza del 95%.
Figura 2: Spettri di campioni di latte fortificati con 90Sr a 0.05
Bq/l e 0.5 Bq/l in overlay con i rispettivi bianchi campione.
Su due campioni replicati è stato ottenuto un valore medio di concentrazione di attività di 90Sr pari a 7.16 ± 1.67 Bq/ kg (p=95%, k=2), confermando la compatibilità dei risultati entro gli errori sperimentali. L’applicabilità della metodica analitica è stata, inoltre, testata su campioni di latte U.H.T. provenienti dal mercato internazionale con livelli di contaminazione radioattiva di 90Sr quantificabili ma inferiori al valore di 0.05 Bq/l. L’intera procedura analitica, incluso il sistema di conteggio, è stata sottoposta a rigorosi programmi di controllo di qualità mediante la costruzione e l’utilizzo di
carte di controllo nel rispetto delle prescrizioni della norma internazionale ISO/IEC 17025:2005. In sintesi il metodo sviluppato garantisce, nel rispetto dei parametri considerati, soddisfacenti caratteristiche di sensibilità, selettività, precisione ed esattezza e può rappresentare, pertanto, una valida alternativa ai metodi tradizionali. La tecnica del conteggio mediante scintillatore liquido ad ultra basso fondo, nonostante i costi più elevati della strumentazione, fornisce informazioni addizionali relative alla distribuzione energetica degli spettri beta ed alla natura delle radiazioni (discriminazione alfa/beta) oltre alle sensibilità molto elevate. In conclusione il metodo proposto rappresenta la tecnica analitica più affidabile per l’identificazione degli isotopi di radiostronzio nel latte in condizioni routinarie estendendo il campo di applicazione a livelli molto bassi,
utili in situazioni di emergenza nucleare oltre che nei normali piani di sorveglianza sanitaria a tutela della salute umana.
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
1] UNI 9882:1991- Determinazione dei principali radionuclidi nel latte.
2] UNI 10374:1994 - Metodo rapido di determinazione di 90Sr e di 89Sr nel latte e in matrici similari.
3] F. Schönhofer, 1995, Liquid scintillation spectrometry in environmental measurements, The Science of total environment, 173/174, 29-40.
RINGRAZIAMENTI
Un ringraziamento a Sig. Donato Annicchiarico per la collaborazione ed il supporto tecnico.