加速器质谱测量树木年轮中不可交换有机氚的样品制备方法
摘 要 树木年轮具有良好的分年特性，其中的纤维素不会被分解供能，纤维素中不可交换有机氚（Nonexchangeable organically bound tritium， NE-OBT）难与其它物质产生交换，无流动性，能够准确地反映环境中的历史氚水平。使用加速器质谱（Accelerator mass spectrometry， AMS）进行测量，只需10 mg纤维素和200 s测量时间，比传统液体闪烁计数法更适于测定树木年轮中的NE-OBT。本研究改进了树木年轮中NE-OBT的AMS样品的制备过程。用次氯酸钠处理法取代酸碱酸处理法提取样品的纤维素，使纤维素的纯度从64.8%提升至83.9%。通过两步法将提取得到的纤维素转化为加速器质谱可以测量的氢化钛粉末样品。严格控制高温氧化时的纤维素量在10.00～10.05 mg之间、 高温氧化时间从4 h延长到10 h、 水在真空系统中的转移时间在1 min以上和冷阱温度在88℃～80℃之间， 采用开门冷却等手段和措施，实现了AMS样品制备过程中同位素效应的稳定，建立了规范的NE-OBT AMS制样流程。在T/H的同位素丰度比为105～107TU时，标样的加速器质谱测量结果与液体闪烁计数法测量结果双对数线性回归拟合的相关性系数R2=0.99912，表明本研究制备的样品能够用于加速器质谱测量，通过多量级标样标定校准后，可以得到准确的测量数值。
关键词 加速器质谱仪; 树木年轮; 纤维素提取法; 不可交换有机氚; 同位素分馏
1 引 言
氚（3H）是氢的β放射性同位素，可随着生物圈中的氢循环在不同的环境介质中迁移转化。环境中的氚主要来源于天然氚源和人工氚源[1]。近年来，随着人类产氚活动的日益增加，人工氚源已经成为环境中氚的主要来源，因此，对人工氚源进行监测十分必要。自然界中氚的主要存在形式有：氚化水（Tritiated water， HTO）、氚化氢（Tritiated hydrogen gas，HT）和有机氚（Organically bound tritium，OBT）。其中， HT在有氧环境下不稳定，会被氧化成HTO[2]。以HTO形式存在的氚，可随水循环迁移或者通过生物化学过程转化为OBT，OBT又可以进一步细分为可交换性有机氚（Exchangeable organically bound tritium，E-OBT）和不可交换性有机氚（Non-exchangeable organically bound tritium，NE-OBT）[3，4]。与HTO和E-OBT相比，NE-OBT相对稳定，流动性较小，能够准确地反映有机物形成时当地的环境氚水平。
早期由于实验条件的限制，一些核电站的历史氚数据可能存在缺失状况。树木年轮因其本身具有很好的分年特性，能够记录其生长期间周围环境中历年的环境条件，是研究环境历史条件的优良样品[5]。树木年轮中纤维素所含有的NE-OBT一旦形成，不会被分解供能，不参与氚循环，可以提供可靠的历史氚数据。目前，测量环境中NE-OBT最常用的方法是对样品进行氧化燃烧，用液闪测定燃烧后收集水中的氚[6，7]。由于液闪是基于β衰变进行测量，当样品中氚浓度很低时，所需样品量大，测量时间长。以树木年轮为例，采用液闪测量需要约150 g的原木样品，而加速器质谱仪（Accelerator mass spectrometry，AMS）是针对粒子进行直接计数，在同等浓度下，加速器质谱仪的探测效率更高，探測时间更短，所需样品也较少。同样以树木年轮为例，只需约100 mg的原木样品，就可以制得满足AMS探测要求的样品，因此，大大减少了样品采集和制备所需的工作量，降低了对环境的影响。
加速器质谱测定树木年轮中的NE-OBT的基本流程是将原木样品通过预处理提取纤维素，将纤维素转换成加速器质谱可测量的TiH2粉末，用加速器质谱仪测定TiH2中的T/H比值，得到树木年轮中的氚活度[8]，因此，加速器质谱准确测量树木年轮中NE-OBT的关键在于如何得到高纯度的纤维素和如何最低限度地降低从原木样品到TiH2过程的同位素分馏。目前，树木年轮中NE-OBT的加速器质谱测量研究的文献报道很少。Love等[9，10]采用酸碱酸处理法提取纤维素，在研究纤维素转换TiH2过程中的同位素分馏时，对合成TiH2前的H2进行测量，未考虑在TiH2合成过程中的同位素分馏效应。由于酸碱酸提取方法不能有效去除树木年轮中的其它化合物，而且同位素分馏可能影响测量结果的准确性，因此，本研究采用次氯酸钠处理法提纯树木年轮中的纤维素，提高了纤维素纯度; 改进了制备过程中的实验条件，有效降低并稳定AMS样品制备过程中的同位素分馏效应，以期建立规范化的AMS氚测量的样品制备流程。
2 实验部分
2.1 仪器与试剂
MAT-253稳定同位素比质谱仪、AVATAR-560红外透射谱仪（美国Themo公司）; X射线衍射谱仪（Bruker D8 Advance diffractometer，德国Bruker公司）; LSC-LB7液体闪烁谱仪（Ultima Gold uLLt闪烁液; 日本日立Aloka公司）; 紧凑型加速器质谱（中国原子能科学研究院）。
锌粒（243469）、钛粉（366994）（美国Sigma-Aldrich公司）; 氧化铜（13152）、银粉（41602）（Alfa-Aesar公司）; 稳定同位素标准样品为聚乙烯（IAEA-CH-7， 美国National Institute of Standards and technology， NIST）; 其余试剂均为分析纯，购于国药集团化学试剂有限公司; 实验用水为超纯水（18.2 MΩ·cm），由Milli-Q 超纯水系统（法国Millipore公司）制备。
2.2 实验方法
加速器质谱仪测量树木年轮中的NE-OBT的制样方法主要分为3部分：纤维素的提取、纤维素的氧化燃烧和TiH2粉末的制备。
2.2.1 纤维素的提取 首先，对树木年轮（圆盘）的表面进行抛光、断年; 从4个正交的方位分别剥离取样，将样品混合均匀， 80℃烘干24 h以上，备用。采用酸碱酸处理法[9]和次氯酸钠处理法分别提取各年轮中的纤维素。
酸碱酸处理法：将样品浸泡于1 mol/L HCl中，90℃加热15 min。除去酸液，将样品移入1 mol/L NaOH中，90℃下静置1 h。重复以上步骤至碱液不再变色。再将样品浸泡于1 mol/L HCl中，90℃下静置15 min。去掉酸液，用去离子无氚水反复冲洗样品至中性。加入过量的去离子无氚水，90℃下静置8 h，利用水与有机物之间的氢同位素的交换，去除样品中的可交换有机氚。最后，将样品烘干，备用[9]。
2.2.2 纤维素的氧化燃烧 纤维素的氧化燃烧是指将化学预处理后得到的纤维素样品，在真空状态下进行充分有效的燃烧，从而将其内部的氢完全转化成水。将10 mg提取的纤维素与过量的CuO（400 ～600 mg）置于氧化管（内径为7mm的玻璃管）内，抽真空后火焰烧封，在马弗炉中550℃加热10 h，冷却至室温，备用。 其中的化学反应如下：
X2.2.3 TiH2粉末的制备 用波纹管将上一步充分燃烧并冷却后的氧化管连接到真空系统（图3）。先将冷阱置于图中虚线框位置①的U型冷凝管处，打开气体阀门1、2、3，由于不同气体的凝固点不同，氧化燃烧得到的产物经过
80℃的冷阱时，水被冷冻住，CO2等杂质被抽走。关闭气体阀门3，将冷阱移至虚线框位置②的反应管处，通过加热系统的管壁使水转移到反应管中，用玻璃焊枪密封截断。反应管中装有10 mg Ti粉和200 mg Zn粒。将密封好的反应管于马弗炉中530℃加热4 h，温度调至400℃再加热6 h，最终得到TiH2样品粉末。
2.2.4 方法可靠性验证 由于缺乏高氚含量纤维素的标准样品，本研究用ARC公司的3H标准源（浓度为3.7×107 Bq/mL）配制104～106 Bq/L量级的梯度标准水样， 检验制样方法的可靠性。用液体闪烁计数法测量梯度标准水样的氚浓度（水样与闪烁液体积为1 mL∶19 mL）。 将配制好的梯度标准水样，用2.2.3节所述方法制备成TiH2粉末样品后，按1∶1的比例与高纯银粉混合均匀，压靶后，使用加速器质谱测量样品中的T/H的同位素丰度比，结果单位为氚单位（Tritium unit，TU），一个氚单位代表T/H的同位素丰度比为1018，1 TU = 0.12 Bq/mL。加速器质谱测量在中国原子能科学研究院的紧凑型加速器质谱上测量，测量时间为200 s，测量本底为2173 TU，加速器质谱的装置和测量方法见文献[13]。
3 结果与讨论
3.1 萃取纤维素方法的选择
3.2 TiH2样品的分析
用X射线衍射（XRD）对制备得到的样品TiH2粉末进行分析，将得到的衍射谱图与购买的高纯TiH2（Alfa Aesar，99%）的XRD衍射谱图进行对比，对照 JCPDS 标准卡片，两谱图在衍射角度为34.98°、40.61°、58.72°、70.16°和73.76°处均出现了明显的特征衍射峰，分别与 TiH2的（111）、（200）、（220）、（311）和（222）晶面对应[15，16]。制备得到的样品TiH2的XRD谱图中并未出现新的明显杂峰和峰位偏移，表明制得的样品TiH2具有较高的纯度。
3.3 样品同位素分馏的稳定
同位素分馏是制备和测量同位素样品时必须考虑的问题。在已知的同位素中，氢元素的各个同位素之间的相对质量差最大、同位素效应最强。因此，在制备和测量氢同位素样品时，需特别注意同位素分馏问题。在其它条件固定不变的情况下，对不同纤维素的量和不同纤维素氧化燃烧时间进行对比实验，用稳定同位素比质谱仪（Isotope ratio mass spectrometer， IRMS）对制备得到的TiH2粉末样品的D/H进行测量，得到测量样品与VSMOW标准样品的D/H比值的相对差值δD，结果见表1和表2。
由表1可知，20 mg纤维素所制备出的TiH2的δD与10 mg纤维素所制备出的TiH2的δD相差较大，可以推断，氧化燃烧时，纤维素的量会对样品制备过程中的同位素效应产生影响。因此，在称量时，将纤维素用量严格限制在10.00～10.05 mg之间。
3.4 加速器质谱测氚结果与液闪测量结果的对比
梯度标准水样的氚浓度液闪测量结果与其制备成的TiH2粉末样品T/H同位素丰度比的加速器质谱测量结果见表3，加速器质谱测量所得结果与液闪测量结果并不一致，这是由于加速器质谱测氚制样和测量过程中的同位素分馏效应导致的，后续需对结果进行校正。对两种方法测量出的结果在双对数坐标轴下进行线性回归拟合，在T/H的同位素丰度比为105～107 TU时，两种方法测量的结果关系为lgy=1.12lgx-0.86（y为液闪测量结果，x为加速器质谱测量结果），相关系数R2=0.99912，吻合良好。拟合校正后，加速器质谱测量结果与液闪测量结果基本一致。因此，采用本研究中建立的制样方法可以制备出供加速器质谱测氚的样品，通过多量级标样标定校准后，可以得到准确的测量数值。
4 结 论
以次氯酸钠处理法替代酸碱酸处理法，纤维素的纯度由64.7%提升至约83.9%，保证了微量样品的均一性。通过严格控制纤维素的量为10.00～10.05 mg， 550℃下延长纤维素氧化燃烧时间至10 h，开门冷却制备完成的样品TiH2等，保证了AMS样品制备中的氢同位素分馏的相对稳定。制备得到的TiH2粉末样品的测量结果经过标准样品的归一化后，可以代表树木年轮中纤维素的氚含量水平。所建立的样品制备方法可操作性强，重现性好，可以制备出供AMS测量树木年轮中不可交换有机氚的合格样品，在T/H的同位素丰度比为105～107 TU时，標样的加速器质谱测量结果与液体闪烁计数法测量结果相关性达到0.99912，吻合良好。本方法可望推广到水样和其它有机样品AMS氚样品的制备，可为核设施周围氚的行为研究、核设施运行监测，以及历史氚数据缺失的补充、核设施的历史氚水平的研究，提供技术支持。
References
1 PENG Shu-Ming， WANG He-Yi. Tritium Chemistry and Technology. Beijing： National Defense Industry Press， 2015： 121-123彭述明， 王和义. 氚化学与工艺学. 北京： 国防工业出版社， 2015： 121-123
2 Du L， Shan J， Ma Y H， Wang L， Qin L L， Pi L， Zeng Y S， Xia Z H， Wang G H， Liu W. Appl. Radiat. Isotopes， 2016， 110： 218-223
3 Galeriu D， Melintescu A， Strack S， Atarashi-Andoh M， Kim S B. J. Environ. Radioactiv.， 2013， 118（4）： 40-56
4 SHEN Hui-Fang， HUANG Yu， YANG Hai-Lan， LIU Wei. Atomic Energy Science and Technology， 2016， 50（6）： 1147-1152申慧芳， 黄 豫， 杨海兰， 刘 卫. 原子能科学技术， 2016， 50（6）： 1147-1152
5 HUANG Xiao-Mei， XIAO DING-Mu， QIN Ning-Sheng. Arid Land Geography， 2018， 41（5）： 1001-1008黄小梅， 肖丁木， 秦宁生. 干旱区地理， 2018， 41（5）： 1001-1008
6 Ko Y G， Kim C J， Cho Y H， Chung K H， Kang M J. J. Hazard. Mater.， 2017， 331： 13-20
7 Kim S B， Roche J. J. Environ. Radioactiv.， 2013， 122（4）： 79-85
8 King S E， Phillips G W， August R A， Beach L A， Cutchin J H， Castaneda C. Nuclear Inst. Methods Phys. Res. B， 1987， 29（1）： 14-17
9 Love A H， Hunt J R， Roberts M L， Southon J R， Chiarappa-Zucca M L， Dingley K H. Environ. Sci. Technol.， 2002， 36（13）： 2848-2852
10 Love A H， James R H， John P K. Environ. Sci. Technol.， 2003， 37（19）： 4330-4335
11 LIU Xiao-Hong， LIU Yu， XU Guo-Bao， CAI Qiu-Fang， AN Wen-Ling， WANG Wen-Zhi. Journal of Glaciology and Geocryology， 2010， 32（6）： 1242-1250刘晓宏， 刘 禹， 徐国保， 蔡秋芳， 安文玲， 王文志. 冰川冻土， 2010， 32（6）： 1242-1250
12 LI Chun-Guang， DONG Ling-Ye， JI Yang-Yang， ZHU Yun-Feng， FANG Shan-Shan. Chinese Agricultural Science Bulletin， 2010， 26（22）： 350-354李春光， 董令叶， 吉洋洋， 朱运峰， 方姗姗. 中国农学通报， 2010， 26（22）： 350-354
13 Ma Y H， He M， Gao J， Qin L L， Deng K， Liu J Y， Yang G， Zhang Q， Ma Z W， Wei F， Zeng Y S， Liu W， Li Y. Nuclear Instrum. Methods Phys. Res. B， 2018， DOI： 10.1016/j.nimb.2018.09.042
14 SHI Xu-Yang， QIAN Cheng， LIU Yan， LIU Xin-Tong， SHANG Xin， LIU Shuo， LIU Yu-Ting， YU Yun-Bo， ZHANG Jun， REN Xiao-Dong. Chinese J. Anal. Chem.， 2018， 46（9）： 1501-1506史旭洋， 钱 程， 刘 艳， 刘心同， 尚 鑫， 刘 硕， 刘禹廷， 于藴波， 张 军， 任晓冬. 分析化学， 2018， 46（9）： 1501-1506
15 Ma M， Wang L， Wang Y， Xiang W， Lyu P， Tang B， Tan X. J. Alloys Compd.， 2017， 709： 445-452
16 WANG Yao-Qi， REN Xue-Ping， HOU Hong-Liang， ZHANG Yan-Ling， ZHANG Jian-Guo. Materials Science and Engineering of Powder Metallurgy， 2015， 20（1）： 1-6王耀奇， 任学平， 侯红亮， 张艳苓， 张建国. 粉末冶金材料科学与工程， 2015， 20（1）： 1-6
17 HUANG Gang， CAO Xiao-Hua， LONG Xing-Gui. China Nuclear Science and Technology Report， 2008， （1）： 42-50黃 刚， 曹小华， 龙兴贵. 中国核科技报告， 2008， （1）： 42-50