209Po示蹤法測(cè)定生物樣品中210Po的方法

李鵬翔，張 靜，李 周，王瑞俊，易武靜，保 莉，韓玉虎

(中國(guó)輻射防護(hù)研究院，太原 030006)

1 前 言

210Po就是天然放射性核素之一，是極毒放射性核素，廣泛存在于大氣、土壤、水體等環(huán)境介質(zhì)中，通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到生物體內(nèi)，對(duì)年有效劑量的貢獻(xiàn)很大。對(duì)于食入攝入量，世界居民所收平均待積有效劑量59.1%來(lái)自210Po[1]，所以出于對(duì)人體健康方面考慮，準(zhǔn)確測(cè)定生物樣品中210Po含量就顯得尤為重要，可以為內(nèi)照劑量估算提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

Po與鹵素元素形成的絡(luò)合物在高溫條件下具有易揮發(fā)的特點(diǎn)，本文重點(diǎn)關(guān)注了生物樣品的前處理方法，保證浸取率的前提下，要盡量避免Po揮發(fā)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采用209Po作為產(chǎn)額示蹤劑，對(duì)生物進(jìn)行酸化消解后，在鹽酸體系中將Po自沉積在銅片(銀片)，采用α譜儀測(cè)量。依據(jù)209Po、210Po的計(jì)數(shù)和加入的209Po活度濃度來(lái)計(jì)算樣品中210Po的含量，針對(duì)生物樣品中210Po分析流程進(jìn)行了條件實(shí)驗(yàn)，得出了一些最佳實(shí)驗(yàn)條件，優(yōu)化環(huán)境生物中210Po的分析方法。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 主要試劑與儀器

α譜儀，美國(guó)CABERRA公司；7753532凍干機(jī)，美國(guó)Labconco公司；銅質(zhì)鍍片，尺寸規(guī)格為Ф20mm×0.1mm，材質(zhì)為紫銅；銀片，尺寸規(guī)格為Ф20mm×0.1mm，Ag>99.9%；鹽酸，濃度36.0%～38.0%(m/m)；硝酸，濃度65.0%～68.0%(m/m)；高氯酸，濃度70%～72%(m/m)；過(guò)氧化氫，濃度不低于30%(m/m)；抗壞血酸；鹽酸羥胺，25%(m/v)；209Po標(biāo)準(zhǔn)溶液，美國(guó)E&Z公司，活度濃度為0.038 7Bq/mL，介質(zhì)為2 mol/L HCl，參考日期為2013年7月29日，總不確定度為1.8%。

本實(shí)驗(yàn)所用試劑均為分析純。實(shí)驗(yàn)用水均為超純水(電導(dǎo)率大于18兆歐·米)。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

將采集回來(lái)的生物樣品進(jìn)行清洗，取其可食部分，稱重，后記錄鮮重，在凍干機(jī)中低溫下進(jìn)行水分抽干獲得干樣，記錄干重，然后用粉碎機(jī)磨成粉末。稱取一定量的干樣，準(zhǔn)確加入209Po標(biāo)準(zhǔn)溶液，用酸加熱消化生物樣品，待殘?jiān)耆?，溶液呈澄清狀，冷卻至室溫。在鹽酸體系中，將樣品置于恒溫振蕩器水浴中進(jìn)行自沉積制源，然后在α譜儀測(cè)量，根據(jù)209Po、210Po的計(jì)數(shù)和加入的209Po活度濃度計(jì)算得出樣品中210Po的含量。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 生物樣品的預(yù)處理方法

210Po的某些化合物易揮發(fā)，且沒(méi)有穩(wěn)定同位素作為載體，這給該核素的分析帶來(lái)難度。在預(yù)處理過(guò)程需要關(guān)注210Po的損失情況，研究不同種類的酸以及濃度對(duì)210Po的浸出效果。也要考慮滿足下一步自沉積的要求。在生物樣品的預(yù)處理中主要考慮采用硝酸、高氯酸來(lái)消化去除樣品中的有機(jī)物；過(guò)氧化氫用于氧化褪色，鹽酸與Po易生成氯化物，滿足了自沉積要求，也簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程。實(shí)驗(yàn)中采用了3種方案，見(jiàn)表1。

表1 預(yù)處理采用的3種消解方案Tab.1 Three digestion methods for pretreatment

稱取5g凍干后生物樣品放入250mL錐形瓶中(有糧食、蔬菜、水果、肉類、禽類、魚類、貝類、甲殼類、藻類，松針等)，準(zhǔn)確加入1.00mL209Po標(biāo)準(zhǔn)溶液；按照表1中的3種不同方案加入相應(yīng)的酸，浸沒(méi)生物樣品，搖勻，然后在電熱板上加熱消解，直到溶液為澄清無(wú)色，加熱至蒸干，冷卻至室溫。每個(gè)樣品加熱消解2次，每次2h。3種消解方案的實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2、表3和表4。

表2 方案一對(duì)生物樣品消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Digestion results of biological samples by method 1

采用方案一對(duì)11個(gè)不同種類的生物樣品進(jìn)行消解實(shí)驗(yàn)，全程回收率為(69.0±7.5)%，消解效果較為穩(wěn)定，但是消解率偏低。

表3 方案二對(duì)生物樣品消解實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Digestion results of biological samples by method 2

采用方案二對(duì)7個(gè)不同種類的生物樣品進(jìn)行消解實(shí)驗(yàn)，全程回收率的范圍為27.1%～94.8%，平均值為(58.9±22.5)%，消解效果不穩(wěn)定，標(biāo)準(zhǔn)偏差超過(guò)30%，而且消解率較低，這有兩種可能，一是鹽酸對(duì)生物樣品中Po消解不完全，二是Po的氯化物在高溫下易揮發(fā)，從而造成回收率低。

表4 方案三對(duì)生物樣品消解的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Digestion results of biological samples by method 3

采用方案三對(duì)11個(gè)生物樣品進(jìn)行消解實(shí)驗(yàn)，全程回收率為(81.8±5.5)%，消解效果穩(wěn)定，而且消解率較高。這說(shuō)明采用濃硝酸和高氯酸能夠破壞生物樣品體內(nèi)的大部門有機(jī)質(zhì)，最后可以將樣品的顏色完全褪去，關(guān)鍵問(wèn)題是Po沒(méi)有發(fā)生明顯損失。

基于以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，方案三對(duì)生物樣品的預(yù)處理效果比較理想，在處理生物樣品時(shí)主要是選擇能夠破壞有機(jī)質(zhì)的酸，濃硝酸比7.5mol/L硝酸的效果要好，而且最后一次消解需要加入高氯酸將有機(jī)質(zhì)去除完全，在電熱板上加熱的情況下(電熱板表面溫度為270℃)，Po基本無(wú)明顯損失現(xiàn)象發(fā)生。

3.2 Po自沉積制源

在自沉積實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)溫度、酸度、時(shí)間、體積、還原劑和自沉積材料的材質(zhì)對(duì)Po自沉積效果有較大影響。

在水浴中進(jìn)行自沉積實(shí)驗(yàn)，隨著溫度的升高自沉積回收率增大，溫度為70℃～96℃時(shí)，回收率趨于穩(wěn)定且比較理想，達(dá)到95.3%～98.3%。制源鹽酸溶液酸度過(guò)低，會(huì)生成BiOCl和PoOCl沉淀，HCl酸度為0.10～1.0mol/L范圍時(shí)，自沉積的回收率較高，且趨于穩(wěn)定，達(dá)到90.5%～96.1%。HCl酸度為1.0～6.0mol/L時(shí)，自沉積的回收率隨著酸度的增大逐漸降低，酸度過(guò)大，會(huì)加劇鍍片腐蝕。推薦自沉積HCl酸度為0.5mol/L。自沉積時(shí)間越長(zhǎng)，自沉積回收率越高，介于2～5h時(shí)，回收率趨于穩(wěn)定且比較理想，96.6%～99.9%。從縮短實(shí)驗(yàn)流程的角度考慮，推薦自沉積的最佳時(shí)間為2.0h。實(shí)驗(yàn)考察了自沉積溶液體積在25～100mL范圍內(nèi)，回收率基本穩(wěn)定，為91.8%～97.9%，體積為25mL時(shí)，溶液在振蕩過(guò)程中出現(xiàn)與鍍片接觸不完全現(xiàn)象，降低了回收率，推薦50mL為最佳自沉積體積。

自沉積材質(zhì)主要選取了兩種，分別為銀片和銅片，依據(jù)α譜儀測(cè)量的能譜來(lái)看，銀片對(duì)Po的選擇性較好，抗干擾性能強(qiáng)。相比之下銅片自沉積效果要差一些，容易受到樣品溶液中Fe3+、Cr6+等離子的干擾?？箟难峒尤肓可贂r(shí)，209Po和210Po能量峰出現(xiàn)明顯拖尾現(xiàn)象，在解譜時(shí)容易造成較大誤差，這有可能是溶液中Fe3+等元素沉積到銅片上，增加了源的厚度而造成的。當(dāng)抗壞血酸的加入量增大時(shí)，拖尾現(xiàn)象有所改善，提高α譜的分辨率，但是加入量太大時(shí)，過(guò)量的抗壞血酸在自沉積加熱過(guò)程中發(fā)生分解，在鍍片沉積很厚的褐色殘?jiān)?，影響Po自沉積。作者推薦抗壞血酸的加入量為0.3g。25%鹽酸羥胺加入量為0.5～5.0 mL時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)拖尾現(xiàn)象，回收率較穩(wěn)定，推薦25%鹽酸羥胺的加入量為0.5mL。銅片和銀片均能滿足實(shí)驗(yàn)要求，能夠用于測(cè)定生物中210Po，有條件的實(shí)驗(yàn)室可以考慮選擇銀片作為Po自沉積的材質(zhì)。實(shí)驗(yàn)列舉部分實(shí)際樣品中210Po的α譜儀測(cè)量結(jié)果，示于圖1和圖2。

圖1 河蝦樣品1中210Po測(cè)量α譜圖(銅片)Fig.1 Alpha spectrogram of 210Po in shrimp sample 1#(copper disc)

圖2 河蝦樣品2中210Po測(cè)量α譜圖(銀片)Fig.2 Alpha spectrogram of 210Po in shrimp sample 2#(silver disc)

示蹤劑的加入量要與樣品中210Po含量相當(dāng)，一般可以選擇209Po的加入量是210Po的1～10倍為宜，這樣示蹤劑計(jì)數(shù)誤差較小。

3.3 實(shí)際生物平行樣品中210Po含量測(cè)定

預(yù)期實(shí)驗(yàn)流程：稱取5g凍干樣品，準(zhǔn)確加入2.00mL209Po標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入50mL濃硝酸，在電熱板上加熱消解，不時(shí)滴加過(guò)氧化氫褪色，待固體完全消化后，繼續(xù)加熱蒸至近干，冷卻至室溫，加入15～20mL高氯酸，置于電熱板加熱消解，直到溶液呈澄清狀，蒸至近干，殘?jiān)拾咨}狀，冷卻至室溫。加入50mL 0.5mol/mL鹽酸溶液，0.5mL 25%鹽酸羥胺，0.3g抗壞血酸，投入銅片(銀片)，置于水浴恒溫振蕩器中自沉積2h，溫度為93℃±3℃，振蕩幅度為120r/min。取出銅片(銀片)，依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇沖洗干凈，室溫下晾干。將銅片(銀片)置于α譜儀測(cè)量，根據(jù)209Po、210Po的計(jì)數(shù)和209Po活度濃度計(jì)算樣品中210Po的含量。

取7個(gè)生物樣品，依照上述預(yù)期實(shí)驗(yàn)流程，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果列于表5。

表5 實(shí)際生物平行樣品中210Po測(cè)定的驗(yàn)證結(jié)果Tab.5 The Validation results of 210Po determination in actual biological samples

驗(yàn)證結(jié)果表明：采用推薦的實(shí)驗(yàn)流程對(duì)不同環(huán)境生物樣品中210Po測(cè)定的全程化學(xué)回收率范圍為79.6%～87.9%，平均值為(83.3±3.5)%，依據(jù)每個(gè)樣品的平行樣數(shù)據(jù)來(lái)看，誤差均在10%以內(nèi)，對(duì)于210Po含量低的樣品，誤差略大，主要來(lái)源是計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)誤差。

4 結(jié) 論

4.1 采用濃HNO3(50mL)-30% H2O2-HClO4可以消解生物樣品中210Po，消解率較高，且效果穩(wěn)定。采用濃硝酸和高氯酸能夠破壞生物樣品體內(nèi)的大部門有機(jī)質(zhì)，最后可以將生物樣品的顏色完全褪去，便于后續(xù)的自沉積。在消解過(guò)程注意控制加熱溫度在270℃范圍內(nèi)，避免樣品完全蒸干，這樣就不易造成Po的明顯損失。

4.2 本文推薦環(huán)境樣品中210Po的實(shí)驗(yàn)流程：稱取5g干樣，準(zhǔn)確加入209Po標(biāo)準(zhǔn)溶液，加入50mL濃硝酸，在電熱板上加熱消解，不時(shí)滴加過(guò)氧化氫褪色，加熱蒸至近干，冷卻，加入15～20mL高氯酸，置于電熱板加熱消解，直到溶液呈澄清狀，蒸至近干，殘?jiān)拾咨}狀，冷卻至室溫。加入50mL 0.5mol/mL鹽酸溶液，0.5mL 25%鹽酸羥胺，0.3g抗壞血酸，投入銀片(或銅片)，置于水浴恒溫振蕩器中自沉積2h，溫度為93±3℃，振蕩幅度為120r/min。取出銀片(或銅片)，依次用蒸餾水和無(wú)水乙醇沖洗干凈，室溫下晾干。置于α譜儀測(cè)量。全程回收率為(83.3±3.5)%，樣品的探測(cè)限為0.04Bq/kg(測(cè)量時(shí)間為48h)。

4.3 本方法可給出待測(cè)樣品的全程化學(xué)回收率，對(duì)某些含量較低的環(huán)境樣品可以加大樣品量，以縮短α譜儀測(cè)量時(shí)間，快速給出測(cè)定結(jié)果，同時(shí)也可以降低分析測(cè)量的探測(cè)限。