Development of a Rapid and Safe Analytical Method for Radiostrontium using a Barium Silicate-based Sr Sorbent

الشبح الخفي في الماء

تخيل المحيط كمدينة ضخمة وصاخبة حيث تسبح وتتراقص وتتصادم تريليونات الجسيمات الصغيرة باستمرار. معظم هذه الجسيمات غير ضارة، مثل الملح أو الرمل. ولكن أحياناً، تتسلل "أشباح" خطيرة—ذرات مشعة لا يمكننا رؤيتها أو شمها أو تذوقها، ولكن يمكنها إيذاء الكائنات الحية إذا دخلت أجسامنا. أحد أشهر هذه الأشباح هو السترونشيوم المشع. إنه متسلل ماكر لأنه بمجرد دخوله الجسم، يحب الاختباء في عظامنا، تماماً مثل مستأجر غير قانوني يرفض مغادرة المنزل. وإذا بقي هناك لفترة طويلة، يمكن أن يسبب مشاكل صحية خطيرة.

إن اكتشاف هذه الأشباح يشبه إلى حد كبير محاولة العثور على إبرة واحدة غير مرئية في كومة قش يتم هزها باستمرار. يتعين على العلماء فصل الإبرة المشعة عن ملايين جزيئات القش غير الضارة (مثل الكالسيوم والملح) قبل أن يتمكنوا من عدّها. تقليدياً، كانت هذه العملية تشبه عرضاً سحرياً كيميائياً بطيئ الحركة وعالي المخاطر: فهي تستغرق أسابيع، وتتطلب مواد كيميائية خطرة، وتحتاج إلى خبير بمستوى ساحر لإتمامها. ولكن ماذا لو استطعنا إيجاد طريقة أبسط وأكثر أماناً للإمساك بهذه الأشباح بسرعة؟ هذا هو السؤال الكبير الذي تعالجه هذه الورقة البحثية. وهي تسأل: هل يمكننا بناء "شبكة" أفضل للإمساك بالسترونشيوم المشع من الماء بسرعة، دون استخدام جرعات سحرية سامة؟

قصة الورقة البحثية: نوع جديد من الإسفنج

في هذه الدراسة، قرر فريق من الباحثين من اليابان اختبار نوع جديد من "الشبكة" مصنوع من مسحوق خاص يسمى سيليكات الباريوم. فكر في هذا المسحوق ليس كمادة كيميائية، بل كإسفنجة مجهرية لها ذوق محدد جداً: فهي تريد فقط التهام السترونشيوم. أراد الباحثون، بقيادة هاروكا مينواا ويوشيموني أوغاتا، معرفة ما إذا كان بإمكان هذه الإسفنجة التقاط السترونشيوم المشع من الماء بسرعة وأمان، تاركةً كل شيء آخر خلفها.

بدأوا بخلط هذا المسحوق الأبيض، الذي يسمونه P-MAq، في مياه بحر محاكية تم تعزيزها بكمية ضئيلة من السترونشيوم المشع. تخيل إسقاط حفنة من هذه الإسفنجات السحرية في دلو من الماء وتحريكه جيداً. راقب الفريق عن كثب ليرى مدى سرعة التقاط الإسفنجات للسترونشيوم. ووجدوا أنه بعد التحريك لمدة أربع ساعات فقط، كانت الإسفنجات قد أمسكت بنحو 90% من السترونشيوم. هذا صيد جيد حقاً!

لكن المحيط ليس مجرد ماء؛ فهو مليء بأشياء أخرى، مثل الكالسيوم والملح. كان الباحثون قلقين من أن الإسفنجة قد ترتبك وتمسك بالأشياء الخاطئة. اختبروا الإسفنجة في ماء يحتوي على كميات مختلفة من الكالسيوم (وهو "القش" في كومة القش الخاصة بنا). واكتشفوا أنه بينما يجعل الكالسيوم الإسفنجة أقل كفاءة قليلاً، إلا أن الإسفنجة لا تزال تعمل بشكل جيد بما يكفي لتكون مفيدة. كما اختبروا الكبريتات (نوع من الملح الموجود في مياه البحر) ووجدوا شيئاً مذهلاً: الإسفنجة تعمل في الواقع بشكل أفضل عند وجود الكبريتات. يبدو أن السترونشيوم يتحد مع الكبريتات ليشكل كتلة صلبة صغيرة تلتصق مباشرة بسطح الإسفنجة، مما يجعل من السهل الإمساك به.

ثم سأل الفريق: "كم نحتاج من هذه الإسفنجة؟" جربوا استخدام كميات مختلفة، من قبضة صغيرة إلى ملعقة كبيرة. ووجدوا أنه إذا استخدمتم 130 ملجم من المسحوق لكل 100 مل من الماء، فستحصلون على نتيجة رائعة. وإذا استخدمتم أكثر من ذلك، مثل 150 ملجم، فإن الإسفنجة ستلتقط كل ما تستطيع.

بمجرد أن تمسك الإسفنجة بالسترونشيوم، الخطوة التالية هي فصله عن الماء وعدّ كمية الإشعاع الموجودة. تقترح الورقة ثلاث طرق مختلفة للقيام بذلك، اعتماداً على الأدوات المتوفرة في مختبرك:

1. طريقة تدفق الغاز: تقوم بترشيح الإسفنجة على ورقة وتعد الإشعاع باستخدام عداد غاز خاص. هذه الطة بسيطة ورخيصة ولكنها تحتاج إلى عينة مياه أصغر (50 مل).
2. طريقة الزجاجة البلاستيكية: تضع الإسفنجة بين كاشفين بلاستيكيين في زجاجة. هذا خيار متوسط لا ينتج نفايات سائلة ملوثة.
3. طريقة الوميض السائل: هذا هو الخيار الأقوى. تخلط الإسفنجة مباشرة في سائل متوهج خاص (كوكتيل) وتعد الإشعاع. هذه الطريقة هي الأكثر حساسية، حيث يمكنها اكتشاف حتى أدق آثار النشاط الإشعاعي، لكنها تنتج بعض النفايات السائلة.

الجزء الأكثر إثارة في نتائجهم هو مدى سرعة وأمان هذه العملية برمتها. الإجراء الكامل—من إضافة الإسفنجة إلى الحصول على النتيجة—يستغرق حوالي ست ساعات. قارن ذلك بالطرق القديمة، التي يمكن أن تستغرق أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع! بالإضافة إلى ذلك، لا تستخدم هذه الطة الجديدة أي من المواد الكيميائية الضارة والخطرة التي تتطلبها الطرق القديمة. إنه يشبه استبدال قنبلة كيميائية كريهة الرائة وخطيرة بقطعة إسفنج لطيفة وقابلة لإعادة الاستخدام.

حسب الباحثون "التركيز الأدنى القابل للكشف" (MDC)، وهو ببساطة أقل كمية من السترونشيوم المشع يمكنهم رصدها. طريقتهم الأفضل يمكنها العثور على قدر ضئيل يصل إلى 0.013 Bq L⁻¹. وحتى طريقتهم الأبسط يمكنها العثور على 0.4 Bq L⁻¹. ولو وضعت ذلك في الاعتبار، فإن الحد القانوني لمياه الصرف الصحي في اليابان هو 30 Bq L⁻¹. وهذا يعني أن طريقتهم الجديدة حساسة بما يكفي لاكتشاف السترونشيوم المشع عند مستويات أقل بكستير مما يعتبر خطيراً—تحديداً، يمكنها رصد مستويات منخفضة تصل إلى 1/75 من حد الأمان.

تتناول الورقة أيضاً بعض التساؤلات مثل "ماذا لو". فقد تحققوا مما إذا كانت عناصر مشعة أخرى، مثل الراديوم أو الرصاص، ستتم الإمساك بها بواسطة الإسفنجة وتفسد النتائج. ووجدوا أنه بينما تلتقط الإسفنجة القليل من تلك العناصر، إلا أن الكميات الموجودة في مياه البحر العادية صغيرة جداً بحيث لا تتدخل في حساب السترونشيوم. كما أشاروا إلى أنه إذا كان الباريوم (وهو عنصر آخر تلتقطه الإسفنجة) موجوداً، فيمكن قياسه بشكل منفصل لأنه يعطي إشارة من نوع مختلف، لذا لا يمثل مشكلة.

في النهاة، يخلص المؤلفون إلى أن إسفنجة سيليكات الباريوم هذه هي نقطة تحول. فهي توفر طريقة لفحص المياه البيئية بحثاً عن السترونشيوم المشع الخطير بطريقة سريعة (تتم في ساعات، وليس أسابيع)، وآمنة (لا تستخدم مواد كيميائية سامة)، وبسيطة (لا تحتاج إلى شهادة دكتوراه لتشغيلها). ورغم أنهم لا يدعون أنها مثالية لكل حالة على وجه الأرض، إلا أنهم أثبتوا أنها تعمل بشكل رائع جداً لهذه المهمة. إنه حل عملي وذكي يحول كابوساً يستمر لأسابيع إلى مهمة مدتها ست ساعات في فترة ما بعد الظهر.