毛發(fā)中鈾的二次離子質(zhì)譜分析研究

胡睿軒，沈 彥，李力力，黃聲慧，趙立飛，趙永剛

(中國(guó)原子能科學(xué)研究院 放射化學(xué)研究所，北京 102413)

從鈾礦的開(kāi)采、精煉到核燃料生產(chǎn)再到乏燃料后處理，核燃料循環(huán)過(guò)程各環(huán)節(jié)都可能對(duì)環(huán)境造成污染[1]，以鈾礦開(kāi)采環(huán)節(jié)為例，目前我國(guó)建有多座地浸采鈾礦山，地浸采鈾過(guò)程溶浸出來(lái)的鈾可能對(duì)地下水造成污染[2]。環(huán)境中元素含量變化直接影響人體內(nèi)微量元素含量[3]。正常情況下，人體組織有較強(qiáng)體內(nèi)調(diào)節(jié)平衡能力，人體微量元素的變化范圍較小[4]。因此，當(dāng)人體內(nèi)微量元素發(fā)生較大變化時(shí)，可根據(jù)變化時(shí)間及程度對(duì)相應(yīng)污染事件進(jìn)行溯源分析。目前，在核工業(yè)領(lǐng)域，通過(guò)測(cè)量樣品中鈾同位素比進(jìn)行溯源的方法已逐漸成為一種常規(guī)取證手段[5]。相比于其他樣品，生物樣品可將人類個(gè)體與相應(yīng)污染事件直接聯(lián)系起來(lái)。對(duì)比血液、尿液等常用生物檢材，毛發(fā)具有以下優(yōu)點(diǎn)：對(duì)人體微量元素有蓄積作用[6]；化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，易保存；不同時(shí)段長(zhǎng)出的毛發(fā)可本征記錄較長(zhǎng)一段時(shí)間人體內(nèi)微量元素的吸收和代謝情況等[7]。當(dāng)發(fā)生突發(fā)污染事件時(shí)，可通過(guò)測(cè)量毛發(fā)中相應(yīng)元素的含量、同位素比及縱向分布，結(jié)合生物體毛發(fā)生長(zhǎng)速度，對(duì)生物體受污染時(shí)間進(jìn)行溯源。

毛發(fā)樣品分析的主要技術(shù)方法包括兩類，一類是整體樣品分析，即將毛發(fā)分解經(jīng)離子交換柱分離出目標(biāo)核素，再用原子吸收光譜(atomic absorption spectrum, AAS)[8]、電感耦合等離子體發(fā)射光譜(inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)[9]、電感耦合等離子體質(zhì)譜(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[10]等技術(shù)測(cè)定目標(biāo)元素含量或同位素比；另一類是微區(qū)(微米尺度)分析，即利用二次離子質(zhì)譜(secondary ion mass spectrometry, SIMS)[11]、激光燒蝕等離子體質(zhì)譜(laser ablation inductively coupl- ed plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS)[12]、同步輻射X射線熒光光譜(synchrotron radiation X-ray fluorescence analysis, SRXRF)[13]等技術(shù)對(duì)毛發(fā)樣品表面幾微米或幾十微米空間尺度上進(jìn)行元素分布或同位素比分析。相比而言，整體分析技術(shù)雖然精度較高[14]，但所得數(shù)據(jù)難以反映同一根頭發(fā)不同時(shí)間序列元素含量、同位素比變化。微區(qū)分析可以對(duì)同一根頭發(fā)不同位置處微量元素進(jìn)行表征，測(cè)量所需樣品量更少，能直觀體現(xiàn)毛發(fā)中元素含量及同位素比值變化與時(shí)間的關(guān)聯(lián)，因此，近幾年微區(qū)分析技術(shù)在頭發(fā)分析領(lǐng)域應(yīng)用逐漸得到發(fā)展[15]。

SIMS是一種利用一次離子轟擊樣品產(chǎn)生二次離子并進(jìn)行質(zhì)譜測(cè)定的儀器，可以對(duì)固體或薄膜物質(zhì)進(jìn)行高精度微區(qū)原位元素和同位素分析，對(duì)研究固體物質(zhì)深度特征和元素表面橫向分布具有特殊功能。對(duì)比LA-ICP-MS、SRXRF等微區(qū)分析技術(shù)，SIMS具有靈敏度高、元素測(cè)定范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

目前，關(guān)于毛發(fā)中鈾的SIMS測(cè)量研究，國(guó)內(nèi)尚無(wú)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。為了拓展毛發(fā)中鈾的分析方法，本工作對(duì)毛發(fā)中鈾的SIMS分析開(kāi)展研究，由于正常人發(fā)樣品中鈾含量較低，采用喂養(yǎng)大鼠貧鈾溶液的方式獲取含鈾量較高鼠毛樣品，使用MC-ICP-MS測(cè)量鼠毛中鈾含量及235U/238U比值，討論鼠毛中鈾元素與所攝入鈾溶液類型及濃度的相關(guān)性。通過(guò)對(duì)樣品制備方案以及儀器測(cè)量條件優(yōu)化，擬建立鼠毛中鈾的SIMS分析方法，并使用該方法對(duì)鼠毛中鈾分布及235U/238U值進(jìn)行測(cè)量。

1 實(shí)驗(yàn)材料

1.1 主要儀器與裝置

Isoprobe多接收電感耦合等離子質(zhì)譜儀：英國(guó)GV公司；IMS-6f二次離子質(zhì)譜儀：法國(guó)CAMECA公司；JSM-6360LV掃描電子顯微鏡：日本JEOL公司；RHST60-2L體視顯微鏡：睿鴻光電科技有限公司；SC7620濺射鍍膜儀：英國(guó)Quorum公司；LAB18磁控濺射鍍膜儀：美國(guó)Kurt J.Lesker公司。

1.2 主要材料與試劑

硝酸雙氧鈾：分析純，中國(guó)醫(yī)藥公司北京化學(xué)試劑采購(gòu)供應(yīng)站；UTEVA樹(shù)脂：法國(guó)Triskem International公司；Sprague Dawley(SD)大鼠：普通級(jí)，北京維通利華實(shí)驗(yàn)動(dòng)物技術(shù)有限公司；鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液：GBW(E)080173，核工業(yè)北京化工冶金研究院；導(dǎo)電膠帶、導(dǎo)電銀膠：美國(guó)SPI Supplies公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 樣品的獲取及清洗

選用6～8周齡健康雄性SD大鼠，體重190～210 g，將大鼠分為A、B兩組，每組各5只，分別喂以不同235U富集度的貧鈾溶液。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，剃下所有大鼠背部毛發(fā)作為對(duì)照，按分組將大鼠飼養(yǎng)于大鼠飼養(yǎng)籠內(nèi)。具體喂養(yǎng)條件列于表1。

表1 SD大鼠喂養(yǎng)條件

21 d后，采用脊椎脫臼法處死大鼠，沿大鼠皮膚表面剃下毛發(fā)，編號(hào)裝袋密封。參考文獻(xiàn)[16-17]人發(fā)清洗方案相關(guān)研究，選用超純水、丙酮、1%曲拉通清洗鼠毛，具體步驟如下：1) 50 mL超純水超聲清洗5 min；2) 50 mL丙酮攪拌清洗2 min；3) 將毛發(fā)樣品浸沒(méi)于1%曲拉通攪拌清洗2 min，再超聲清洗5 min；4) 使用50 mL超純水?dāng)嚢枨逑?次，每次2 min；5) 使用丙酮攪拌清洗2 min，將毛發(fā)放入烘干箱中，設(shè)定40 ℃烘干。

2.2 MC-ICP-MS測(cè)量

使用MC-ICP-MS測(cè)量各組鼠毛中平均鈾含量及235U/238U比值，每只大鼠取3份等量毛發(fā)作為平行樣，使用超純水經(jīng)過(guò)消解和分離程序后作為流程空白。準(zhǔn)確稱量20 mg毛發(fā)放入PFA溶樣罐，加入1 mL 16 mol/L HNO3作為消解體系，設(shè)置加熱溫度為90 ℃，加蓋密閉后加熱消解0.5 h得到透明均勻溶液樣品。

喂鈾溶液前的鼠毛樣品中鈾含量較低，且雜質(zhì)元素較多。為保證測(cè)量準(zhǔn)確性，選用UTEVA對(duì)消解后毛發(fā)溶液中的鈾進(jìn)行分離純化。將2 g對(duì)照組毛發(fā)樣品完全消解后蒸至近干，加入20 mL 3 mol/L HNO3溶解樣品，用于樹(shù)脂分離。用去離子水洗滌UTEVA樹(shù)脂并浸泡24 h，將UTEVA懸浮液裝入色層柱，按“去離子水-0.5 mol/mL HNO3溶液-去離子水”順序洗滌色層柱，加入20 mL 3 mol/L HNO3預(yù)平衡色層柱。將準(zhǔn)備好的樣品溶液裝載上柱，用20 mL 3 mol/L HNO3洗滌色層柱，去除雜質(zhì)元素，用20 mL 0.02 mol/L HNO3-0.005 mol/L HF洗脫吸附于色譜柱上的鈾，收集洗脫液并加熱蒸發(fā)濃縮，用2% HNO3定容至5 mL，用于質(zhì)譜測(cè)量。

MC-ICP-MS工作條件如下：工作電壓5 968 V；射頻功率1 100 W；冷卻氣流量13.4 L/min；輔助氣流量1.20 L/min；霧化氣流量0.90 L/min；碰撞氣流量10 mL/min；質(zhì)量掃描范圍m/z35～500。使用1 ng/mL調(diào)諧溶液優(yōu)化MC-ICP-MS工作參數(shù)，掃描時(shí)間1 s。測(cè)量鈾濃度時(shí)，移取適量濃度為100 μg/mL的鈾標(biāo)準(zhǔn)溶液于樣品瓶中，加入2%硝酸逐級(jí)別稀釋得到濃度為10、2、0.5、0.1、0 ng/mL的標(biāo)準(zhǔn)工作溶液。以各質(zhì)量濃度點(diǎn)所對(duì)應(yīng)響應(yīng)值(y)對(duì)相應(yīng)的質(zhì)量濃度(x, ng/mL)進(jìn)行線性回歸，所得濃度回歸曲線如圖1所示，相關(guān)系數(shù)R2=0.999 99。測(cè)量鈾同位素比時(shí)，選用不同法拉第杯分別接收235U、238U信號(hào)，使用已知235U/238U比值的鈾溶液對(duì)測(cè)量時(shí)產(chǎn)生的質(zhì)量歧視進(jìn)行校正，每個(gè)樣品測(cè)量12個(gè)數(shù)據(jù)。

2.3 SIMS測(cè)量

2.3.1樣品靶加工 SIMS測(cè)量時(shí)，要求樣品表面與樣品靶表面高度一致。毛發(fā)本身有一定厚度，若直接置于樣品靶表面，毛發(fā)表面將明顯高出樣品靶。在體視顯微鏡下使用刀片在樣品靶表面加工出寬度約為50 μm的凹槽，將毛發(fā)樣品嵌入凹槽，用導(dǎo)電膠帶固定毛發(fā)兩端，發(fā)樣嵌入凹槽后碳片表面圖示于圖2。圖2顯示嵌入凹槽后發(fā)樣與樣品靶表面高度基本一致。

圖1 238U濃度-信號(hào)響應(yīng)工作曲線

a——正視圖；b——側(cè)視圖

本底中Na元素含量較高，將SIMS調(diào)節(jié)為線掃描模式，一次離子束沿圖3(a)中箭頭方向?qū)γl(fā)表面及周邊區(qū)域中Na元素初步掃描，結(jié)果如圖3(b)所示。樣品靶表面Na元素掃描所得信號(hào)強(qiáng)度約為1×105s-1，當(dāng)掃描至0.4 mm處到達(dá)毛發(fā)樣品時(shí)，離子信號(hào)驟降為0 s-1，這是由于毛發(fā)為絕緣樣品，使用SIMS測(cè)量時(shí)，毛發(fā)表面將產(chǎn)生電荷積累效應(yīng)從而導(dǎo)致測(cè)量無(wú)法進(jìn)行。目前，實(shí)驗(yàn)室最常用降低電荷積累效應(yīng)的方法是對(duì)樣品表面進(jìn)行鍍膜處理。對(duì)同一批次樣品表面分別鍍金、碳、銅，通過(guò)對(duì)比鍍膜后樣品測(cè)量所得離子信號(hào)強(qiáng)弱及穩(wěn)定性，確定SIMS測(cè)毛發(fā)中鈾的最佳鍍膜方法。

3 結(jié)果與討論

3.1 整體鈾含量及235U/238U值測(cè)量結(jié)果

飲用貧鈾溶液前鼠毛平均鈾含量為0.014 μg/g，攝入鈾溶液后A、B組鼠毛平均鈾含量分別為6.023 μg/g和6.010 μg/g，各組鼠毛中平均鈾含量均有顯著提升。所測(cè)得各組鼠毛中235U/238U比值數(shù)據(jù)列于表2。

圖3 對(duì)未經(jīng)處理發(fā)樣中鈉進(jìn)行SIMS掃描圖示

表2 喂鈾前及喂鈾后A、B組大鼠毛發(fā)中235U/238U比值(n=5)

A、B組大鼠所飲用貧鈾溶液中235U/238U比值分別為4.03×10-3、4.31×10-3，由表2可知，大鼠毛發(fā)中235U/238U比值與所飲鈾溶液中235U/238U比值高度一致，對(duì)比攝入鈾溶液前毛發(fā)中235U/238U比值有明顯變化。根據(jù)該結(jié)果可以推測(cè)，大鼠所處環(huán)境中鈾豐度發(fā)生變化時(shí)，毛發(fā)中鈾豐度將隨之發(fā)生變化，可以通過(guò)測(cè)量毛發(fā)中235U/238U比值來(lái)對(duì)涉鈾污染事件進(jìn)行溯源。

3.2 鍍膜方案選擇

使用SIMS分別對(duì)鍍金、碳、銅毛發(fā)樣品進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果表明：鍍金樣品能檢測(cè)到較高強(qiáng)度信號(hào)，但在質(zhì)量數(shù)225～250處有連續(xù)的雜質(zhì)峰，這是由于金的相對(duì)原子質(zhì)量較大，與毛發(fā)中含量較多的其他原子如碳、氫、氧等結(jié)合容易形成質(zhì)量數(shù)為225～250的多原子離子，進(jìn)而對(duì)毛發(fā)中鈾的測(cè)量產(chǎn)生干擾；鍍碳發(fā)樣鈾峰附近干擾信號(hào)明顯減弱，但鍍碳發(fā)樣測(cè)得整體信號(hào)值偏低；鍍銅樣品能接收到較強(qiáng)離子信號(hào)，且質(zhì)量數(shù)238附近未發(fā)現(xiàn)明顯雜質(zhì)峰。這是由于銅的導(dǎo)電性優(yōu)于金，且銅的相對(duì)原子質(zhì)量小于金，與其他原子形成質(zhì)量數(shù)238左右多原子離子可能遠(yuǎn)低于金。對(duì)比刻槽與未刻槽發(fā)樣SIMS測(cè)量結(jié)果，刻槽樣品信號(hào)強(qiáng)度穩(wěn)定性顯著提升。因此，最終采用對(duì)樣品靶表面刻槽并將毛發(fā)樣嵌入凹槽，最后磁控濺射鍍銅的方法作為SIMS測(cè)量毛發(fā)樣品預(yù)處理方案。

3.3 微區(qū)235U/238U值及鈾分布測(cè)量結(jié)果

使用SIMS測(cè)量A、B組中鈾含量最高鼠毛樣品，通過(guò)圖像掃描確定238U富集區(qū)域后，切換為深度剖析模式，使用一次離子束轟擊該區(qū)域。測(cè)得235U/238U值如圖4所示。235U/238U值分別為(5.44±0.76)×10-3和(5.58±0.52)×10-3,均顯著低于天然鈾235U/238U值。但與MC-ICP-MS測(cè)得A、B組鼠毛平均235U/238U值4.03×10-3、4.31×10-3有一定差異。

A、B組所測(cè)得235U、238U信號(hào)如圖5所示。隨著測(cè)量時(shí)間增加，235U、238U信號(hào)值呈緩慢下降趨勢(shì)。這是由于分析過(guò)程中隨著一次離子束的持續(xù)轟擊，鍍膜層逐漸剝離，樣品表面導(dǎo)電性下降，開(kāi)始出現(xiàn)電荷積累現(xiàn)象。因此，使用SIMS分析毛發(fā)樣時(shí)應(yīng)在保證測(cè)量準(zhǔn)確性的前提下，盡量縮短測(cè)量時(shí)間。由于一次束轟擊區(qū)域235U值較低，相比于測(cè)量所得238U信號(hào)，235U信號(hào)波動(dòng)較大。

圖4 A、B組鈾含量最高樣品中235U/238U值

圖5 A、B組中鈾含量最高樣品中235U、238U信號(hào)強(qiáng)度

結(jié)合實(shí)際測(cè)量過(guò)程與圖5數(shù)據(jù)，推測(cè)造成SIMS測(cè)量數(shù)據(jù)與MC-ICP-MS測(cè)量數(shù)據(jù)差距的原因有以下兩點(diǎn)：1) 缺少含鈾毛發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，未能對(duì)SIMS鈾同位素測(cè)量結(jié)果進(jìn)行質(zhì)量歧視校正；2) 樣品中235U含量過(guò)低，受本底信號(hào)影響較大，導(dǎo)致SIMS測(cè)得235U/238U比值較大。

對(duì)同一根鼠毛發(fā)根與發(fā)梢中U+分布進(jìn)行掃描，結(jié)果示于圖7，相同儀器條件下發(fā)根與發(fā)梢掃描所得鈾離子信號(hào)強(qiáng)度分別為6.32×103s-1和5.50×103s-1，發(fā)根鈾信號(hào)強(qiáng)于發(fā)梢，表明毛囊及根部毛發(fā)中鈾含量高于發(fā)梢。毛發(fā)中微量元素來(lái)源通常可以分為內(nèi)源性來(lái)源和外源性來(lái)源兩類，其中內(nèi)源性來(lái)源主要是生物體內(nèi)的代謝[19]。本實(shí)驗(yàn)中，溶液中鈾經(jīng)大鼠消化吸收后進(jìn)入血液，在血液中通過(guò)毛細(xì)血管進(jìn)入毛囊與角蛋白分子結(jié)合進(jìn)而蓄積在頭發(fā)中。因此，鼠毛根部、毛囊部位鈾含量高于發(fā)梢。由于目前尚無(wú)整根毛發(fā)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，因此未對(duì)鼠毛中鈾進(jìn)行定量分析。

圖6 鼠毛中掃描圖像

圖7 發(fā)根(a)和發(fā)梢(b)238U信號(hào)掃描圖

4 結(jié)論

本研究以大鼠毛發(fā)為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)喂養(yǎng)大鼠貧鈾溶液獲得含鈾量較高鼠毛樣品，通過(guò)測(cè)量鼠毛中鈾含量、鈾分布及235U/238U比值初步建立了單根毛發(fā)中鈾的SIMS微區(qū)分析方法，為毛發(fā)中鈾的分析提供了技術(shù)支持。通過(guò)本研究，主要得出以下結(jié)論。

1) 大鼠毛發(fā)對(duì)鈾元素具有蓄積作用，鼠毛中235U/238U比值與所攝入溶液中235U/238U比值相關(guān)；2) 鍍銅毛發(fā)樣品表面電荷積累現(xiàn)象得到明顯緩解，且實(shí)際測(cè)量時(shí)所產(chǎn)生質(zhì)量數(shù)238左右多原子離子較少，適用于毛發(fā)中鈾的測(cè)量；3) 微區(qū)原位分析結(jié)果表明，鼠毛中U、Ca、C富集區(qū)域有較高重合，可通過(guò)掃描毛發(fā)中Ca、C分布富集區(qū)域定位U富集區(qū)域，進(jìn)而對(duì)該區(qū)域進(jìn)行深度剖析，當(dāng)毛發(fā)中鈾含量較低時(shí)，該方法可大幅縮短測(cè)量時(shí)間。