孟 丹　王偉娟　文 瑋　杜 陽　周銀行　譚昭怡　王和義

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所　綿陽 621900）

植物中有機(jī)結(jié)合氚制樣條件的實(shí)驗(yàn)研究

孟 丹王偉娟文 瑋杜 陽周銀行譚昭怡王和義

（中國工程物理研究院 核物理與化學(xué)研究所綿陽 621900）

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)環(huán)境生物中的氚水平，基于高溫催化氧化的原理，建立了一套生物中有機(jī)結(jié)合氚（Organically Bound Tritium, OBT）的制樣裝置Pyrolyser高溫分解熔爐，通過大量的條件實(shí)驗(yàn)，優(yōu)化了OBT的制樣條件，并對(duì)典型植物中OBT分析的不確定度進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，在該裝置中OBT制備的最佳條件為通氧量100mL·min-1、催化氧化溫度800°C和氧化燃燒溫度600°C，此時(shí)，植物樣品中OBT的回收率可達(dá)85%以上。優(yōu)化后高溫分解熔爐的制樣過程更加安全，樣品燃燒氧化更加充分，完全滿足環(huán)境植物中OBT的分析要求，可用于環(huán)境生物氚水平測(cè)量及評(píng)價(jià)。

有機(jī)結(jié)合氚，氚碳燃燒裝置，制樣條件

氚是核環(huán)境評(píng)價(jià)的主要放射性核素之一，與其它核素相比，氚一旦進(jìn)入環(huán)境中被生物體攝入，便會(huì)在某一部位產(chǎn)生放射性，威脅生物生長和生物圈安全。在核環(huán)境評(píng)價(jià)中，氚作為單獨(dú)的核素進(jìn)行處理，因此，氚由于自身的放射生物學(xué)特征，一直備受人們關(guān)注［1］。

氚在生物介質(zhì)中主要以組織自由水氚（Tissue Free Water Tritium, TFWT）和有機(jī)結(jié)合氚（Organically Bound Tritium, OBT）兩種形式［2-3］存在。在核設(shè)施周圍，氚通過空氣、土壤等介質(zhì)被動(dòng)物、植物吸收，并進(jìn)一步通過動(dòng)植物食品傳輸?shù)饺梭w內(nèi)［4］。進(jìn)入人體內(nèi)的OBT以蛋白質(zhì)、碳水化合物等不同的化學(xué)形態(tài)存在［5］，其在人體中的生物半衰期為40d，對(duì)人體的食入劑量轉(zhuǎn)換因子為TFWT的兩倍多［6］，因此，需要分析生物中的OBT水平。同時(shí)，由于植物是動(dòng)物和人類的主要食物來源，所以分析植物中的OBT活度水平在劑量學(xué)上具有重要的意義［7］。

目前國內(nèi)外關(guān)于OBT分析方法的研究主要集中在制樣階段，采用的方法主要為濕法氧化法和高溫氧化燃燒法。濕法氧化法普遍存在氧化不完全和氧化效率低的問題，而高溫氧化燃燒法經(jīng)驗(yàn)證具有氧化徹底和氧化效率高的特點(diǎn)，因此高溫氧化燃燒法具有較好的發(fā)展前景［4,8-9］。

本文在購置Pyrolyser高溫分解熔爐的基礎(chǔ)上，通過大量的條件實(shí)驗(yàn)，結(jié)合廠商建議和同行經(jīng)驗(yàn)優(yōu)化了植物樣中OBT的樣品制備條件，獲得了核設(shè)施周圍典型植物中OBT的最佳制樣條件。并在此基礎(chǔ)上，對(duì)OBT測(cè)量的不確定度進(jìn)行了分析，獲得了不同植物中OBT分析的不確定度。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1樣品的干燥

根據(jù)普適性原理，分別選擇核設(shè)施周圍一年生植物——野棉花（葉片較小，根須豐富，可充分從土壤中攝取HTO）、扁竹根（葉片扁平肥厚，可充分從空氣中攝入HTO）和常年生植物——松針作為研究對(duì)象，進(jìn)行OBT的分析測(cè)量。常用的樣品干燥方法有冷凍脫水法、烘箱干燥除水法（與冷卻裝置連接來捕集水分）、共沸蒸餾法等［10-12］。冷凍脫水法在樣品干燥處理時(shí)使用較多，但是所需時(shí)間太長，一般需要至少2000min。

為了提高OBT制樣效率和縮短制樣時(shí)間，本文采用“低溫解析+烘箱干燥”的方法進(jìn)行樣品中TFWT的移除。制樣開始時(shí)將新鮮樣品分別裝入低溫解析裝置的解析管中，對(duì)樣品進(jìn)行115°C的低溫解析，待收集管中解析液大于10mL之后，取出樣品置于烘箱內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步干燥，整個(gè)過程約需240min，因此，采用“低溫解析+烘箱干燥”的方法能夠有效縮短樣品前處理周期。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：熱重分析儀：型號(hào)為梅特勒（METTLER）TGA/DSC2-HT/1600，瑞士；元素分析儀：型號(hào)為vario EL cube，德國；高溫分解熔爐：型號(hào)為Pyrolyser-6 Trio，英國；低溫解析裝置：型號(hào)為DWR-1，中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所；烘箱：型號(hào)為DHG-9030A，上海鴻都電子科技有限公司，中國；液閃計(jì)數(shù)儀：型號(hào)為1220，PE公司；分析天平：型號(hào)為CPA225D，德國。

實(shí)驗(yàn)材料：干燥空氣、氧氣、閃爍液和聚四氟乙烯計(jì)數(shù)瓶等。

Pyrolyser-6 Trio高溫分解熔爐主要由工作管（內(nèi)含6根子工作管）、三溫區(qū)管式爐（包含催化區(qū)、保護(hù)區(qū)和氧化區(qū)）、溫控單元、coolsafe冷阱（采用R507作為冷卻介質(zhì)，在-110°C對(duì)水分進(jìn)行捕集）、收集瓶和一些玻璃配件組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1　氚碳氧化爐結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Schematic design of OBT combustion furnace.

對(duì)于高溫分解熔爐的使用，廠家建議使用時(shí)先用干燥空氣吹掃樣品管，同時(shí)進(jìn)行催化區(qū)的加熱，待催化區(qū)達(dá)到所需溫度時(shí)，再放入樣品進(jìn)行氧化燃燒。實(shí)驗(yàn)中催化劑溫度需要根據(jù)所選的催化劑進(jìn)行確定，樣品的燃燒溫度需要根據(jù)樣品特征進(jìn)行選擇。本文基于這些原因，進(jìn)行了大量的條件實(shí)驗(yàn)，確定了植物中OBT制備的最佳條件。

1.3有機(jī)物氧化燃燒率

采用元素分析儀測(cè)定經(jīng)過氧化燃燒后的植物樣灰燼中的氫含量，獲得W1。根據(jù)植物干樣燃燒后獲得的水量以及水中氫的比重計(jì)算得到W2，根據(jù)式（1）計(jì)算可獲得有機(jī)物的氧化燃燒率。式中：W0為有機(jī)物的燃燒率；W1為未完全燃燒的有機(jī)物當(dāng)量；W2為完全燃燒的有機(jī)物當(dāng)量。

1.4 OBT回收率

將植物樣品干燥后，采用元素分析儀測(cè)定干燥樣品的含氫率，根據(jù)式（2）計(jì)算獲得OBT的回收率。

式中：W為OBT回收率，%；mwater為捕集到的生成水的重量，%；H%為干燥樣品的含氫率，%；mdry為進(jìn)行燃燒的干燥樣品的重量，g。

2　OBT制備條件

2.1燃燒區(qū)通氧量

在氧化燃燒試驗(yàn)中，樣品管中氧氣和空氣的通入量對(duì)樣品能否完全氧化燃燒至關(guān)重要。然而，若氧氣含量較高，樣品燃燒將會(huì)更加劇烈，甚至引起樣品管的破裂和管中樣品的飛濺，影響測(cè)量結(jié)果。若氧氣含量太低，樣品的氧化將不充分，也會(huì)對(duì)樣品的OBT分析結(jié)果造成影響。在OBT分析中，建議氧氣和空氣的通入量比為1:1［13］。為了獲得最佳通氧量，固定空氣通入量為100mL·min-1，選擇松針、扁竹根、野棉花這三種碳?xì)湓睾坎煌闹参飿悠?，? °C·min-1的升溫速率，在80-120mL·min-1的通氧量范圍內(nèi)進(jìn)行了樣品的氧化燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。在較低的通氧量下樣品能夠正常燃燒，而當(dāng)通氧量達(dá)到120mL·min-1時(shí)，樣品管中出現(xiàn)了輕微爆燃，因此，從實(shí)驗(yàn)安全性以及樣品氧化燃燒的充分性考慮，選擇100mL·min-1作為樣品管中通入氧氣的最佳流量。

表1　不同樣品在不同通氧氣量下的燃燒試驗(yàn)Table 1　Burning test of different samples at various oxygen flow rates.

2.2催化氧化溫度

選擇Pt-Al2O3催化劑進(jìn)行植物樣品的催化氧化。為了確定最佳催化氧化溫度，進(jìn)行了不同溫度下植物樣品生成OBT的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)，以松針樣品為例，控制空氣和氧氣流速分別為100mL·min-1，樣品區(qū)燃燒溫度為500 °C，進(jìn)行300-900 °C的催化氧化實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2所示。在300-400 °C時(shí)，主要是植物樣品中低沸點(diǎn)的有機(jī)氚的催化燃燒，在400-600 °C時(shí)植物中OBT的比活度相對(duì)較高，溫度上升到700 °C時(shí)，植物樣品中的OBT已經(jīng)充分催化氧化為HTO，繼續(xù)升溫后樣品中OBT的比活度基本不變。為保證樣品的充分催化氧化，選擇800°C進(jìn)行植物中有機(jī)氚的催化氧化實(shí)驗(yàn)。

圖2　不同催化溫度下松針中OBT比活度Fig.2　Specific activity of OBT in pine needles under different catalytic temperatures.

2.3 樣品氧化燃燒溫度

在樣品舟中裝入一定量的松針樣品，在空氣和氧氣流速分別為100mL·min-1、催化氧化區(qū)溫度為800°C時(shí)，于200-700°C下進(jìn)行樣品氧化燃燒實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖3所示。可以看出，在氧化溫度為200-400°C時(shí)，松針中OBT的比活度隨著時(shí)間的增加急劇增大，溫度達(dá)到400 °C以上時(shí)，增加的非常緩慢，待溫度達(dá)到600°C時(shí)，樣品比活度基本不變，此時(shí)，樣品中的OBT已經(jīng)全部取出。結(jié)合松針、扁竹根和野棉花干樣的熱重分析（圖4）可以看出，植物樣的失重主要發(fā)生在400 °C以前，在氧化溫度為600°C時(shí)，植物樣中已有60%以上的失重率，由于所取樣品量較少（只有0.012g左右），因此，其余的30%左右的重量可能為樣品里面的礦物質(zhì)含量。為保證樣品的充分燃燒，選擇600°C進(jìn)行植物樣的氧化燃燒實(shí)驗(yàn)。

圖3　不同氧化溫度下松針中OBT比活度Fig.3　Specific activity of OBT in pine needles under different combustion temperatures.

圖4　植物樣干樣失重曲線Fig.4　Weightlessness of dry samples in plant.

2.4系統(tǒng)冷凝收集效率

系統(tǒng)的冷凝收集效率直接影響系統(tǒng)對(duì)OBT的分析準(zhǔn)確度。如果系統(tǒng)的冷凝收集效率太低，樣品氧化后形成的HTO蒸汽會(huì)被載氣載帶出去，影響OBT的分析結(jié)果。為了評(píng)估系統(tǒng)的收集效率，在樣品舟中放入不同質(zhì)量的水樣（模擬不同的樣品量），連接coolsafe冷凝裝置，進(jìn)行系統(tǒng)冷凝收集效率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，不同樣品量下該系統(tǒng)的冷凝收集效率大于95%，平均收集效率可達(dá)97.64%。

圖5　OBT制樣系統(tǒng)的收集效率Fig.5　Trapping efficiency of the cold trap for OBT.

2.5其它實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在通氧量為100mL·min-1、催化氧化溫度為800°C和氧化燃燒溫度為600°C的條件下進(jìn)行了高溫分解熔爐燃燒所需樣品量的研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)每根子工作管的樣品量在4-8g時(shí)，均能獲得2g以上的氧化水，若需要更多的氧化水，只需將兩根或兩根以上的子工作管裝入同一樣品即可。為保證獲得足夠多的氧化水，以滿足液體閃爍測(cè)量分析，本裝置的最小樣品量為4g，而最大樣品燃燒量可達(dá)45g，能夠完全滿足環(huán)境樣品中OBT的分析制樣要求。

在最佳OBT制備條件下進(jìn)行了植物樣有機(jī)物燃燒率測(cè)定實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。對(duì)典型植物樣品進(jìn)行了OBT回收率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。植物樣經(jīng)過本系統(tǒng)氧化燃燒后，會(huì)產(chǎn)生少量白色灰燼，灰燼中氫含量小于0.3%，對(duì)灰燼進(jìn)行元素分析和計(jì)算表明，樣品中有機(jī)物的氧化燃燒率可達(dá)99%以上，說明樣品已經(jīng)充分氧化燃燒。由表3結(jié)果可知，典型植物中OBT的回收率均在85%以上，表明采用優(yōu)化后的樣品制備條件，在制備OBT樣品時(shí)具有較高的回收率，可以用于植物樣品中OBT水平的分析。

本實(shí)驗(yàn)中影響OBT回收率的主要因素為催化劑的催化氧化效率、樣品氧化燃燒率以及冷阱冷凝效率，由于冷阱冷凝效率為97.64%，樣品氧化燃燒率大于99%，而選用的催化劑為Pt-Al2O3催化劑，課題組前期在對(duì)催化劑的催化效率研究時(shí)發(fā)現(xiàn)此催化劑在300°C時(shí)，對(duì)氫氣的催化效率已經(jīng)大于99.9%，本實(shí)驗(yàn)在800°C下進(jìn)行，故催化劑的催化效率對(duì)OBT的回收率不會(huì)有太大的影響，因此，考慮OBT的回收率可能還有其他影響因素，例如樣品預(yù)處理的影響、樣品HTO測(cè)量時(shí)液閃測(cè)量的影響、樣品氧化燃燒時(shí)在高溫分解熔爐中的殘留沾污等。對(duì)OBT的影響因素的分析正在進(jìn)一步研究中。

表2　灰燼中H元素分析結(jié)果Table 2　Analysis results of H in the ash.

表3　植物樣OBT回收率Table 3　Recovery rate of the combustion water in plant.

3　結(jié)語

本文通過大量的實(shí)驗(yàn)，采用高溫分解熔爐的催化氧化燃燒法，對(duì)核設(shè)施周圍典型植物樣中OBT的制備條件做了優(yōu)化選擇，并在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了典型植物中OBT分析的不確定度研究。主要獲得以下結(jié)論：

1） 植物樣中OBT制備的條件確定為：高溫分解熔爐每根工作管的通氧量選擇為100mL·mL-1，最佳催化氧化溫度為800°C，最佳樣品氧化燃燒溫度為600°C，在此基礎(chǔ)上，植物樣OBT的回收率可達(dá)85%以上，能滿足植物樣中OBT分析的要求。

2） 本研究獲得的典型植物中OBT分析測(cè)量方法可推廣到環(huán)境生物氚水平測(cè)量及評(píng)價(jià)方面，這對(duì)涉氚活動(dòng)后期氚水平測(cè)量以及產(chǎn)生劑量的評(píng)價(jià)具有重要的意義。

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Experimental study of organically bound tritium preparation condition in plant

MENG DanWANG WeijuanWEN WeiDU YangZHOU YinhangTAN ZhaoyiWANG Heyi

（Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China）

Background: In the environment tritium exists primarily as tritiated water （HTO）. However, tritium can also be incorporated into organically bound tritium （OBT） in plants and animals, and the OBT of environmental organisms can reflect the environmental tritium level. Purpose: In order to accurately evaluate the level of tritium in the biological environment, the furnace of tritium-carbon oxidation burning-pyrolyser pyrolysis has been developed to analyze the OBT activity of environmental plant on the base of the principle of high temperature catalytic oxidation. Methods: In this paper, the preparation condition of the pyrolyser-furnace was optimized through a lot of experiments, and the uncertainty of OBT in typical plant was studied. Results: The results indicate that the optimum preparation conditions of OBT in plant are with the oxygen flow rate of the working tube at 100 mL·min-1, the catalytic oxidation temperature at 800°C and the combustion temperature at 600°C. At this point, the recovery rate of combustion for different samples was kept above 85%. Conclusion: The sample preparation process of optimized condition is more secure and the combustion of plant sample is more complete, which completely meet the requirement of OBT analysis in environmental plant, and this method can be used in the tritium level measurement and evaluation in the environmental organism.

Organically bound tritium, Tritium-carbon oxidation burning furnace, Preparation condition

MENG Dan, female, born in 1985, graduated from China Academy of Engineering Physics with a master’s degree in 2011, mainly engaged in

TL72

10.11889/j.0253-3219.2016.hjs.39.090302

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中國工程物理研究院安全環(huán)保職業(yè)衛(wèi)生科研項(xiàng)目

孟丹，女，1985年出生，2011年于中國工程物理研究院獲碩士學(xué)位，主要從事氚監(jiān)測(cè)與分析相關(guān)研究

Supported by Safety and Environmental Protection Occupational Health Research Project of China Academy of Engineering Physics

tritium monitoring and analysis of related research

2016-03-22，

2016-05-28