加速器質譜測量樹木年輪中不可交換有機氚的樣品制備方法

馬玉華 何明 曾友石 趙慶章

摘 要 樹木年輪具有良好的分年特性，其中的纖維素不會被分解供能，纖維素中不可交換有機氚（Nonexchangeable organically bound tritium， NE-OBT）難與其它物質產(chǎn)生交換，無流動性，能夠準確地反映環(huán)境中的歷史氚水平。使用加速器質譜（Accelerator mass spectrometry， AMS）進行測量，只需10 mg纖維素和200 s測量時間，比傳統(tǒng)液體閃爍計數(shù)法更適于測定樹木年輪中的NE-OBT。本研究改進了樹木年輪中NE-OBT的AMS樣品的制備過程。用次氯酸鈉處理法取代酸堿酸處理法提取樣品的纖維素，使纖維素的純度從64.8%提升至83.9%。通過兩步法將提取得到的纖維素轉化為加速器質譜可以測量的氫化鈦粉末樣品。嚴格控制高溫氧化時的纖維素量在10.00～10.05 mg之間、 高溫氧化時間從4 h延長到10 h、 水在真空系統(tǒng)中的轉移時間在1 min以上和冷阱溫度在88℃～80℃之間， 采用開門冷卻等手段和措施，實現(xiàn)了AMS樣品制備過程中同位素效應的穩(wěn)定，建立了規(guī)范的NE-OBT AMS制樣流程。在T/H的同位素豐度比為105～107TU時，標樣的加速器質譜測量結果與液體閃爍計數(shù)法測量結果雙對數(shù)線性回歸擬合的相關性系數(shù)R2=0.99912，表明本研究制備的樣品能夠用于加速器質譜測量，通過多量級標樣標定校準后，可以得到準確的測量數(shù)值。

關鍵詞 加速器質譜儀; 樹木年輪; 纖維素提取法; 不可交換有機氚; 同位素分餾

1 引 言

氚（3H）是氫的β放射性同位素，可隨著生物圈中的氫循環(huán)在不同的環(huán)境介質中遷移轉化。環(huán)境中的氚主要來源于天然氚源和人工氚源[1]。近年來，隨著人類產(chǎn)氚活動的日益增加，人工氚源已經(jīng)成為環(huán)境中氚的主要來源，因此，對人工氚源進行監(jiān)測十分必要。自然界中氚的主要存在形式有：氚化水（Tritiated water， HTO）、氚化氫（Tritiated hydrogen gas，HT）和有機氚（Organically bound tritium，OBT）。其中， HT在有氧環(huán)境下不穩(wěn)定，會被氧化成HTO[2]。以HTO形式存在的氚，可隨水循環(huán)遷移或者通過生物化學過程轉化為OBT，OBT又可以進一步細分為可交換性有機氚（Exchangeable organically bound tritium，E-OBT）和不可交換性有機氚（Non-exchangeable organically bound tritium，NE-OBT）[3，4]。與HTO和E-OBT相比，NE-OBT相對穩(wěn)定，流動性較小，能夠準確地反映有機物形成時當?shù)氐沫h(huán)境氚水平。

早期由于實驗條件的限制，一些核電站的歷史氚數(shù)據(jù)可能存在缺失狀況。樹木年輪因其本身具有很好的分年特性，能夠記錄其生長期間周圍環(huán)境中歷年的環(huán)境條件，是研究環(huán)境歷史條件的優(yōu)良樣品[5]。樹木年輪中纖維素所含有的NE-OBT一旦形成，不會被分解供能，不參與氚循環(huán)，可以提供可靠的歷史氚數(shù)據(jù)。目前，測量環(huán)境中NE-OBT最常用的方法是對樣品進行氧化燃燒，用液閃測定燃燒后收集水中的氚[6，7]。由于液閃是基于β衰變進行測量，當樣品中氚濃度很低時，所需樣品量大，測量時間長。以樹木年輪為例，采用液閃測量需要約150 g的原木樣品，而加速器質譜儀（Accelerator mass spectrometry，AMS）是針對粒子進行直接計數(shù)，在同等濃度下，加速器質譜儀的探測效率更高，探測時間更短，所需樣品也較少。同樣以樹木年輪為例，只需約100 mg的原木樣品，就可以制得滿足AMS探測要求的樣品，因此，大大減少了樣品采集和制備所需的工作量，降低了對環(huán)境的影響。

加速器質譜測定樹木年輪中的NE-OBT的基本流程是將原木樣品通過預處理提取纖維素，將纖維素轉換成加速器質譜可測量的TiH2粉末，用加速器質譜儀測定TiH2中的T/H比值，得到樹木年輪中的氚活度[8]，因此，加速器質譜準確測量樹木年輪中NE-OBT的關鍵在于如何得到高純度的纖維素和如何最低限度地降低從原木樣品到TiH2過程的同位素分餾。目前，樹木年輪中NE-OBT的加速器質譜測量研究的文獻報道很少。Love等[9，10]采用酸堿酸處理法提取纖維素，在研究纖維素轉換TiH2過程中的同位素分餾時，對合成TiH2前的H2進行測量，未考慮在TiH2合成過程中的同位素分餾效應。由于酸堿酸提取方法不能有效去除樹木年輪中的其它化合物，而且同位素分餾可能影響測量結果的準確性，因此，本研究采用次氯酸鈉處理法提純樹木年輪中的纖維素，提高了纖維素純度; 改進了制備過程中的實驗條件，有效降低并穩(wěn)定AMS樣品制備過程中的同位素分餾效應，以期建立規(guī)范化的AMS氚測量的樣品制備流程。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

MAT-253穩(wěn)定同位素比質譜儀、AVATAR-560紅外透射譜儀（美國Themo公司）; X射線衍射譜儀（Bruker D8 Advance diffractometer，德國Bruker公司）; LSC-LB7液體閃爍譜儀（Ultima Gold uLLt閃爍液; 日本日立Aloka公司）; 緊湊型加速器質譜（中國原子能科學研究院）。

鋅粒（243469）、鈦粉（366994）（美國Sigma-Aldrich公司）; 氧化銅（13152）、銀粉（41602）（Alfa-Aesar公司）; 穩(wěn)定同位素標準樣品為聚乙烯（IAEA-CH-7， 美國National Institute of Standards and technology， NIST）; 其余試劑均為分析純，購于國藥集團化學試劑有限公司; 實驗用水為超純水（18.2 MΩ·cm），由Milli-Q 超純水系統(tǒng)（法國Millipore公司）制備。

2.2 實驗方法

加速器質譜儀測量樹木年輪中的NE-OBT的制樣方法主要分為3部分：纖維素的提取、纖維素的氧化燃燒和TiH2粉末的制備。

2.2.1 纖維素的提取 首先，對樹木年輪（圓盤）的表面進行拋光、斷年; 從4個正交的方位分別剝離取樣，將樣品混合均勻， 80℃烘干24 h以上，備用。采用酸堿酸處理法[9]和次氯酸鈉處理法分別提取各年輪中的纖維素。

酸堿酸處理法：將樣品浸泡于1 mol/L HCl中，90℃加熱15 min。除去酸液，將樣品移入1 mol/L NaOH中，90℃下靜置1 h。重復以上步驟至堿液不再變色。再將樣品浸泡于1 mol/L HCl中，90℃下靜置15 min。去掉酸液，用去離子無氚水反復沖洗樣品至中性。加入過量的去離子無氚水，90℃下靜置8 h，利用水與有機物之間的氫同位素的交換，去除樣品中的可交換有機氚。最后，將樣品烘干，備用[9]。

2.2.2 纖維素的氧化燃燒 纖維素的氧化燃燒是指將化學預處理后得到的纖維素樣品，在真空狀態(tài)下進行充分有效的燃燒，從而將其內部的氫完全轉化成水。將10 mg提取的纖維素與過量的CuO（400 ～600 mg）置于氧化管（內徑為7mm的玻璃管）內，抽真空后火焰燒封，在馬弗爐中550℃加熱10 h，冷卻至室溫，備用。 其中的化學反應如下：

X2.2.3 TiH2粉末的制備 用波紋管將上一步充分燃燒并冷卻后的氧化管連接到真空系統(tǒng)（圖3）。先將冷阱置于圖中虛線框位置①的U型冷凝管處，打開氣體閥門1、2、3，由于不同氣體的凝固點不同，氧化燃燒得到的產(chǎn)物經(jīng)過

80℃的冷阱時，水被冷凍住，CO2等雜質被抽走。關閉氣體閥門3，將冷阱移至虛線框位置②的反應管處，通過加熱系統(tǒng)的管壁使水轉移到反應管中，用玻璃焊槍密封截斷。反應管中裝有10 mg Ti粉和200 mg Zn粒。將密封好的反應管于馬弗爐中530℃加熱4 h，溫度調至400℃再加熱6 h，最終得到TiH2樣品粉末。

2.2.4 方法可靠性驗證 由于缺乏高氚含量纖維素的標準樣品，本研究用ARC公司的3H標準源（濃度為3.7×107 Bq/mL）配制104～106 Bq/L量級的梯度標準水樣， 檢驗制樣方法的可靠性。用液體閃爍計數(shù)法測量梯度標準水樣的氚濃度（水樣與閃爍液體積為1 mL∶19 mL）。 將配制好的梯度標準水樣，用2.2.3節(jié)所述方法制備成TiH2粉末樣品后，按1∶1的比例與高純銀粉混合均勻，壓靶后，使用加速器質譜測量樣品中的T/H的同位素豐度比，結果單位為氚單位（Tritium unit，TU），一個氚單位代表T/H的同位素豐度比為1018，1 TU = 0.12 Bq/mL。加速器質譜測量在中國原子能科學研究院的緊湊型加速器質譜上測量，測量時間為200 s，測量本底為2173 TU，加速器質譜的裝置和測量方法見文獻[13]。

3 結果與討論

3.1 萃取纖維素方法的選擇

3.2 TiH2樣品的分析

用X射線衍射（XRD）對制備得到的樣品TiH2粉末進行分析，將得到的衍射譜圖與購買的高純TiH2（Alfa Aesar，99%）的XRD衍射譜圖進行對比，對照 JCPDS 標準卡片，兩譜圖在衍射角度為34.98°、40.61°、58.72°、70.16°和73.76°處均出現(xiàn)了明顯的特征衍射峰，分別與 TiH2的（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面對應[15，16]。制備得到的樣品TiH2的XRD譜圖中并未出現(xiàn)新的明顯雜峰和峰位偏移，表明制得的樣品TiH2具有較高的純度。

3.3 樣品同位素分餾的穩(wěn)定

同位素分餾是制備和測量同位素樣品時必須考慮的問題。在已知的同位素中，氫元素的各個同位素之間的相對質量差最大、同位素效應最強。因此，在制備和測量氫同位素樣品時，需特別注意同位素分餾問題。在其它條件固定不變的情況下，對不同纖維素的量和不同纖維素氧化燃燒時間進行對比實驗，用穩(wěn)定同位素比質譜儀（Isotope ratio mass spectrometer， IRMS）對制備得到的TiH2粉末樣品的D/H進行測量，得到測量樣品與VSMOW標準樣品的D/H比值的相對差值δD，結果見表1和表2。

由表1可知，20 mg纖維素所制備出的TiH2的δD與10 mg纖維素所制備出的TiH2的δD相差較大，可以推斷，氧化燃燒時，纖維素的量會對樣品制備過程中的同位素效應產(chǎn)生影響。因此，在稱量時，將纖維素用量嚴格限制在10.00～10.05 mg之間。

3.4 加速器質譜測氚結果與液閃測量結果的對比

梯度標準水樣的氚濃度液閃測量結果與其制備成的TiH2粉末樣品T/H同位素豐度比的加速器質譜測量結果見表3，加速器質譜測量所得結果與液閃測量結果并不一致，這是由于加速器質譜測氚制樣和測量過程中的同位素分餾效應導致的，后續(xù)需對結果進行校正。對兩種方法測量出的結果在雙對數(shù)坐標軸下進行線性回歸擬合，在T/H的同位素豐度比為105～107 TU時，兩種方法測量的結果關系為lgy=1.12lgx-0.86（y為液閃測量結果，x為加速器質譜測量結果），相關系數(shù)R2=0.99912，吻合良好。擬合校正后，加速器質譜測量結果與液閃測量結果基本一致。因此，采用本研究中建立的制樣方法可以制備出供加速器質譜測氚的樣品，通過多量級標樣標定校準后，可以得到準確的測量數(shù)值。

4 結 論

以次氯酸鈉處理法替代酸堿酸處理法，纖維素的純度由64.7%提升至約83.9%，保證了微量樣品的均一性。通過嚴格控制纖維素的量為10.00～10.05 mg， 550℃下延長纖維素氧化燃燒時間至10 h，開門冷卻制備完成的樣品TiH2等，保證了AMS樣品制備中的氫同位素分餾的相對穩(wěn)定。制備得到的TiH2粉末樣品的測量結果經(jīng)過標準樣品的歸一化后，可以代表樹木年輪中纖維素的氚含量水平。所建立的樣品制備方法可操作性強，重現(xiàn)性好，可以制備出供AMS測量樹木年輪中不可交換有機氚的合格樣品，在T/H的同位素豐度比為105～107 TU時，標樣的加速器質譜測量結果與液體閃爍計數(shù)法測量結果相關性達到0.99912，吻合良好。本方法可望推廣到水樣和其它有機樣品AMS氚樣品的制備，可為核設施周圍氚的行為研究、核設施運行監(jiān)測，以及歷史氚數(shù)據(jù)缺失的補充、核設施的歷史氚水平的研究，提供技術支持。

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