用ICP-MS快速分析土壤中放射性核素污染

瀏覽次數(shù)：974　發(fā)布日期：2020-4-3　來源：本站　僅供參考，謝絕轉(zhuǎn)載，否則責(zé)任自負(fù)

鍶-90(90Sr)是鈾和钚的裂變產(chǎn)物，是核泄漏的主要污染物之一。其半衰期為29 年，因此能夠在環(huán)境中留存相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。90Sr 本身可以衰變?yōu)獒?/FONT>-90(90Y)，然后再衰變成穩(wěn)定的鋯-90(90Zr)。當(dāng)生物體攝入90Sr 時(shí)，該元素在骨骼中積累并持續(xù)產(chǎn)生輻射，可能對(duì)生物體產(chǎn)生危害。因此，評(píng)估環(huán)境中的90Sr 污染對(duì)當(dāng)?shù)厝祟惡铜h(huán)境健康問題至關(guān)重要。

常規(guī)的90Sr 測(cè)定技術(shù)通常耗時(shí)長(zhǎng)（數(shù)天）、成本高，并且效率較低，無法實(shí)現(xiàn)大量樣品的分析，從而快速確定源于核反應(yīng)堆的90Sr 污染程度。利用電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS)進(jìn)行分析能夠解決上述問題，但同樣存在巨大的挑戰(zhàn)：90Sr 與鋯(Zr)主要同位素的質(zhì)量數(shù)相同（51.45% 高豐度），會(huì)造成質(zhì)譜干擾；同時(shí)Zr 在正常環(huán)境樣品例如土壤中的含量比90Sr 高約十二個(gè)數(shù)量級(jí)（Zr 含量在ppm 級(jí)，Sr 含量在sub-ppq 級(jí)）。必須克服上述挑戰(zhàn)才能有效利用ICP-MS 測(cè)量土壤中的90Sr。

樣品

在福島第一核電站西北方向10 到20km 存在強(qiáng)輻射的區(qū)域內(nèi)，在2cm 深的位置采集表層土樣本（100-150g），并用塑料容器搜集、儲(chǔ)存樣本。

樣品前處理

每個(gè)聚四氟乙烯微波消解罐中放一克干燥土壤，之后加入10mL 濃度為10% 的硝酸。按照表1 所示的微波消解程序進(jìn)行消解，然后冷卻至室溫并保持20 分鐘。之后將溶液轉(zhuǎn)移至塑料離心管中，并以2500rpm 的轉(zhuǎn)速進(jìn)行10 分鐘的離心操作。在進(jìn)行ICP-MS 分析前，利用孔徑為0.45μm 的濾膜過濾樣品，留存上清液、去除沉淀物。可將同一采樣地點(diǎn)采集的土壤樣品同時(shí)消解和過濾后，將上清液混合在一起以增加總樣品量。

表1 微波消解程序

由于90Sr 含量較低，所以采用珀金埃爾默FIAS 400 流動(dòng)注射系統(tǒng)和50mm × 4.6 mm 色譜柱（Eicrhom Technology,Lisle,IL,USA，填料為鍶離子選擇性樹脂，粒徑50-100 μm）對(duì)Sr 富集并去除其他基體元素。先利用1.9 mL/min 的流速使樣品流經(jīng)色譜柱，然后以0.75mL/min 的流速將濃度為20% 的HNO3 泵入色譜柱，持續(xù)90 秒，以去除質(zhì)譜柱中除Sr 之外質(zhì)荷比為90 的全部其他同質(zhì)異位素。最后，用流速為1.9 mL/min 的去離子水沖洗色譜柱90 秒，從而洗脫Sr。在去除基體和洗脫Sr 步驟之間，利用濃度為20% 的HNO3 沖洗整個(gè)系統(tǒng)（不包括色譜柱），以清洗閥門。

FIAS流動(dòng)注射系統(tǒng)

經(jīng)前處理后的樣品溶液直接注入超聲霧化器中，霧化后的氣溶膠被導(dǎo)入珀金埃爾默ICP-MS 中，并利用氧氣作為反應(yīng)池氣在DRC 模式下檢測(cè)90Sr；儀器參數(shù)如表2 所示。每個(gè)樣品的總分析時(shí)間是14.6 分鐘，其中大部分時(shí)間主要用于預(yù)富集程序。

表2 ICP-MS參數(shù)

氧氣反應(yīng)消除干擾的原理

Sr、Zr、Y 和氧氣的反應(yīng)速率常數(shù)如下所示：

Sr+不能與氧氣發(fā)生反應(yīng)，而Zr+ 和Y+ 均可與氧氣快速反應(yīng)，這說明氧氣可以將干擾物90Zr+ 和 90Y+ 從90Sr+中有效消除。雖然這些反應(yīng)似乎可以解決干擾問題且無需進(jìn)行基質(zhì)分離，但土壤中90Zr 和90Sr 之間顯著的含量差異（6.5-11 μg/g 的Zr 與ppq 含量的90Sr）構(gòu)成了挑戰(zhàn)：在反應(yīng)池中用O2 除去所有90Zr+ 時(shí)，與O2 分子的碰撞會(huì)導(dǎo)致90Sr+動(dòng)能損失。鑒于90Sr+ 含量極低，這種動(dòng)能損失足以造成90Sr+靈敏度過低從而無法檢測(cè)。

為了克服這一問題，在前處理中特采用基質(zhì)分離方法。然而，進(jìn)一步研究表明，在基質(zhì)分離步驟之后仍然存在顯著的Zr 信號(hào)（分離之后色譜柱上仍有0.23% 的Zr 殘留）。這此種低含量的Zr用氧氣反應(yīng)模式，則可以輕松去除，并且不會(huì)影響90Sr的靈敏度。因此，在預(yù)富集和基體分離之后利用反應(yīng)池進(jìn)行氧氣反應(yīng)去除干擾是最佳的解決方案。

可用以下方程式將質(zhì)量濃度轉(zhuǎn)化為放射性：

表3 記錄了從福島核電站西北10 到20 公里處所取三個(gè)土壤樣品的分析結(jié)果（均取四個(gè)測(cè)量值的平均值）。運(yùn)用本文所述方法分離樣品后進(jìn)行分析，同時(shí)采用常規(guī)方法進(jìn)行90Sr 測(cè)定。兩種方法的結(jié)果在95% 的置信水平上顯示一致。之所以結(jié)果出現(xiàn)了少許不吻合現(xiàn)象，是因?yàn)?/FONT>90Sr 在土壤中分布不均。

表3 土壤中90Sr 分析結(jié)果

此項(xiàng)研究證實(shí)了采用ICP-MS 方法測(cè)量土壤中90Sr 含量的有效性；由于土壤中90Sr 含量低、Zr 含量高，因而此項(xiàng)分析工作頗具挑戰(zhàn)性。運(yùn)用基質(zhì)分離/ 預(yù)富集步驟，可將大部分基質(zhì)元素去除并對(duì)90Sr 進(jìn)行預(yù)富集。然而，此步驟后仍存在基質(zhì)干擾，需用動(dòng)態(tài)反應(yīng)池進(jìn)行反應(yīng)模式消除干擾。與傳統(tǒng)的90Sr 分析方法相比，本分析方法在分析效率上具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

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