地球環境所開發出高鈾樣品中超微量鈽同位素的ICP-MS-MS測量方法

2020-12-05 中國科學院

地球環境所開發出高鈾樣品中超微量鈽同位素的ICP-MS-MS測量方法

2019-11-19 地球環境研究所

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　　鈽是人類核活動釋放到環境中的主要人工放射性元素，包括238Pu、239Pu、240Pu和242Pu等四種主要放射性同位素。不同來源的鈽具有不同的同位素組成(如240Pu/239Pu比值)，根據樣品中不同鈽同位素組成這一指紋特徵，可以追蹤環境中放射性物質的來源，並用於與核擴散、核走私以及核恐怖等相關的核診斷研究。另外釋放於環境中的鈽同位素也可以用土壤侵蝕、大氣顆粒物形成、傳輸路徑和形成機理研究，以及近80年來的年代指標。傳統的鈽同位素測量方法為放射性衰變測量法，如阿爾法能譜、液體閃爍譜等，對於長壽命鈽同位素的測量靈敏度較低、分析時間長。近年來質譜測量技術被廣泛用於鈽同位素的測量。但是由於土壤等環境樣品中的鈽含量（<10-12g/g）較低，同時存在有大量鈾，其中238U對鈽同位素(239Pu，240Pu）的測量存在嚴重幹擾，影響分析探測限和分析準確度。

　　最近，中國科學院地球環境研究所環境放射性研究組，針對高水平鈾樣品中痕量鈽同位素的測量挑戰，基於串聯等離子體質譜儀(ICP-MS-MS)和碰撞反應原理，結合放射化學分離，建立了一種高鈾濃度環境樣品中痕量鈽同位素的分析方法。通過對於不同碰撞反應氣在消除238U幹擾上的行為和對測量靈敏度影響的研究，發現NH3和CO2作為碰撞反應氣體均可有效去除238U1H和238U1H2對239Pu和240Pu測量的幹擾，其中CO2的性能更優。另外還發現He作為碰撞氣體可以大幅提高鈽同位素分析靈敏度（3倍）。在最佳條件下，可將238U的幹擾降低至10-8量級，比目前已報導值低2個量級以上。這主要是由於CO2作為反應氣體，可以將UH+和U+有效轉化為UO+ 和UO2+，從而極大地消除了238U1H+的幹擾，而Pu+與CO2的反應性較低，大部分仍保留為Pu+，從而極大地改善了高鈾樣品中超微量239Pu和240Pu測定，使得該方法對239Pu和240Pu的探測極限達到10-16克量級。結合使用TEVA樹脂的萃取色譜分離除去樣品中的基體組分和主要鈾，該方法可準確測定238U/239Pu > 1012的高鈾含量樣品中10-16克量級的超微量239Pu和240Pu。本方法為鈽同位素在土壤侵蝕、核診斷、沉積物定年和洋流循環等示蹤應用提供了保障。

　　該項目得到科技部基礎性工作專項、中科院國際合作局國際夥伴計劃、國家自然科學基金、國家大氣中汙染成因與治理攻關項目等的資助。

　　論文連結：1 2

圖：以CO2-He作為碰撞反應氣為例，ICP-MS-MS對於U+的去除和Pu+的測量


　　鈽是人類核活動釋放到環境中的主要人工放射性元素，包括238Pu、239Pu、240Pu和242Pu等四種主要放射性同位素。不同來源的鈽具有不同的同位素組成(如240Pu/239Pu比值)，根據樣品中不同鈽同位素組成這一指紋特徵，可以追蹤環境中放射性物質的來源，並用於與核擴散、核走私以及核恐怖等相關的核診斷研究。另外釋放於環境中的鈽同位素也可以用土壤侵蝕、大氣顆粒物形成、傳輸路徑和形成機理研究，以及近80年來的年代指標。傳統的鈽同位素測量方法為放射性衰變測量法，如阿爾法能譜、液體閃爍譜等，對於長壽命鈽同位素的測量靈敏度較低、分析時間長。近年來質譜測量技術被廣泛用於鈽同位素的測量。但是由於土壤等環境樣品中的鈽含量（<10-12g/g）較低，同時存在有大量鈾，其中238U對鈽同位素(239Pu，240Pu）的測量存在嚴重幹擾，影響分析探測限和分析準確度。
　　最近，中國科學院地球環境研究所環境放射性研究組，針對高水平鈾樣品中痕量鈽同位素的測量挑戰，基於串聯等離子體質譜儀(ICP-MS-MS)和碰撞反應原理，結合放射化學分離，建立了一種高鈾濃度環境樣品中痕量鈽同位素的分析方法。通過對於不同碰撞反應氣在消除238U幹擾上的行為和對測量靈敏度影響的研究，發現NH3和CO2作為碰撞反應氣體均可有效去除238U1H和238U1H2對239Pu和240Pu測量的幹擾，其中CO2的性能更優。另外還發現He作為碰撞氣體可以大幅提高鈽同位素分析靈敏度（3倍）。在最佳條件下，可將238U的幹擾降低至10-8量級，比目前已報導值低2個量級以上。這主要是由於CO2作為反應氣體，可以將UH+和U+有效轉化為UO+ 和UO2+，從而極大地消除了238U1H+的幹擾，而Pu+與CO2的反應性較低，大部分仍保留為Pu+，從而極大地改善了高鈾樣品中超微量239Pu和240Pu測定，使得該方法對239Pu和240Pu的探測極限達到10-16克量級。結合使用TEVA樹脂的萃取色譜分離除去樣品中的基體組分和主要鈾，該方法可準確測定238U/239Pu > 1012的高鈾含量樣品中10-16克量級的超微量239Pu和240Pu。本方法為鈽同位素在土壤侵蝕、核診斷、沉積物定年和洋流循環等示蹤應用提供了保障。
　　該項目得到科技部基礎性工作專項、中科院國際合作局國際夥伴計劃、國家自然科學基金、國家大氣中汙染成因與治理攻關項目等的資助。
　　論文連結：1 2
　　圖：以CO2-He作為碰撞反應氣為例，ICP-MS-MS對於U+的去除和Pu+的測量
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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