CN104062674A - 一种生物样品中14c的测量方法 - Google Patents

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毕梦
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Abstract

本发明公开了一种生物样品中14C的测量方法，该方法包括以下步骤：（1）生物样品预处理：生物样品通过冻干、燃烧和NaOH溶液吸收，最终转化为CaCO3沉淀；（2）CO2直接吸收法制样：将步骤1中的CaCO3粉末，用HCl溶解，冰浴冷却的装有液闪吸收混液测量瓶吸收产生的CO2；（3）低本底液体闪烁计数器测量：测量样品，得到计数率，同时测量外标准谱淬灭参数SQP(E)值；通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正，计算生物样品中14C的比活度。本发明方法快捷、准确，生物样品中14C比活度的探测下限能达到0.0084Bq/gC。

Description

一种生物样品中14C的测量方法
技术领域
本发明属于含碳量检测领域，特别涉及一种生物样品中14C的测量方法。
背景技术
核电作为一种新型能源，经过半个多世纪的发展，目前核发电技术已趋于成熟，并且在经济上及显示出强大的竞争力获得许多国家的认可，我国目前也有很多沿海及内陆核电站正在不断的兴建。核电在为我们解决能源危机和带来巨大的经济效益的同时，也存在着一些安全隐患与问题。因为核电站在正常运行时，会向周围环境中排放一定量的放射性核素，其中14C是核电站气态流出物中主要放射性核素。14C因其半衰期很长（5730 a），能随稳定碳广泛参与生物的新陈代谢过程，可通过呼吸、饮食、皮肤渗入等多种方式进入人体，虽然14C释放的低能β射线对人类几乎不构成外照射的危害，但有可能因内照射诱导损伤。14C是世界卫生组织、联合国环境规划署于1983年共同选定的8个对人类健康有主要影响的放射性核素之一。环境中14C主要是通过食物进入人体，因此对核电站周边以及人类生存环境中生物样品中14C测量以了解14C对人体造成的有效剂量尤为重要。
目前，我国尚没有出台关于生物样品中14C测量的标准方法，结合现已出台的EJ/T 1008-96《空气中14C的取样和测定》的标准方法以及国内外有关液闪法测量14C的实验研究进展，本研究优化了生物样品的预处理流程，选择了优化精度及灵敏度较高的CO2直接吸收法作为制样方法，建立了一套利用液闪法测量生物样品中14C的方法，为我国生物样品中14C的测量标准方法的制订，以及14C对人体造成的有效剂量的估算提供技术支持。
发明内容
针对上述的需求，本发明的目的是提供了一种生物样品中14C的测量方法，采用冻干脱水、氧化燃烧、氢氧化钠吸收、转化为CaCO3沉淀作为生物样品的预处理流程，使得C转化为CaCO3的转化率较高，且该方法快捷、准确，生物样品中14C比活度的探测下限能达到0.0084 Bq/g C。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种生物样品中14C的测量方法，该方法包括以下步骤：
（1）生物样品预处理：
a.冻干：将生物样品洗净、晾干、切块，称取质量为W1，冷冻干燥后，称得质量为W2，计算生物样品含水率的计算公式为：；用研磨器将上述冻干样品碾碎成粉末状，85 ℃下干燥30 min，备用；
b.燃烧和吸收：称取3.50-4.00 g上述冻干样品粉末，记录粉末重量为W3，置于氧弹燃烧装置中进行燃烧试验，燃烧得到的CO2气体采用单级装有200 mL浓度为3 mol/L的NaOH溶液的气体扩散瓶吸收， CO2气体流速控制在0.8 L/min，最后通入纯氧赶去氧弹装置内残气；
c.沉淀：将上述NaOH溶液转移到烧杯中，加入20% NH4Cl溶液调节pH值至11，加入饱和CaCl2溶液至吸收液中的CO3 2-完全沉淀，过滤，洗涤、烘干沉淀，称得沉淀质量为W4，CO2的捕集效率Y，单位为%，本方法中所述Y稳定在97.5%，生物样品的含碳量K，单位为g C/g：
；
（2）CO2直接吸收法制样：将步骤1中质量为M的CaCO3粉末，放入250 mL双口烧瓶中，加入30 mL煮沸过的蒸馏水中，搅拌，以60 mL/min持续通入氮气，以2 mL/min滴加60 mL 2 mol/L HCl，将产生的气体经过变色硅胶干燥后，通过装有冰浴冷却的液闪吸收混液的低钾玻璃瓶中进行吸收，所述液闪吸收混液由9mL CarboSorb E 吸收液和9mL Permafluor E 闪烁液组成，当双口烧瓶中的CaCO3完全溶解后，继续通入氮气3分钟，称量吸收CO2气体前后装有液闪吸收混液低钾玻璃瓶质量分别为m1和m2，CO2的吸收量m = m2-m1；
（3）低本底液体闪烁计数器测量：
a.利用自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正，通过测量系列淬灭标准品CCl4得到探测效率η，单位为%，淬灭校正曲线为： ；
b.将步骤2中得到吸收CO2后的液闪吸收混液样品放入4℃冰箱中，3天后通过自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，测量样品，得到计数率，同时测量外标准谱淬灭参数SQP(E)值 ，测量时间为1000 min；
c. 通过计算公式：，
得到生物样品中14C的比活度S，单位为Bq/g C；其中， NS为直接测量步骤2中吸收CO2后的液闪吸收混液样品计数率，单位为cpm；Nb为直接测量自制CaCO3粉末制备的本底样品的本底计数率，单位为cpm；η为探测效率，单位为%；m为液闪吸收混液的CO2吸收量，单位为g。
所述的氧弹燃烧装置中的燃烧试验，具体步骤如下：将重量为W3的冻干样品粉末，置于燃烧坩埚中，在坩埚底部加入50mL蒸馏水，充入15 atm的纯氧，引爆，冷却至室温。
所述步骤2中低钾玻璃瓶采用20mL低钾玻璃瓶。
所述步骤2中CaCO3粉末的质量为M，M为5.50 g。
所述步骤3中自制CaCO3粉末是由天然大理石或石油制得。
所述步骤3中自制CaCO3粉末，其制备方法见Optimization of liquid scintillation counting techniques for the determination of carbon-14 in environmental samples[J]. Journal of Radioanalytical and Nuclear Chemistry, 1999, 239(3): 649-655。
利用自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正，该淬灭校正方法包括如下步骤：
（1）取5.50 g自制CaCO3粉末，放入250 mL双口烧瓶中，加入30 mL煮沸过的蒸馏水中，搅拌，以60 mL/min持续通入氮气，以2 mL/min滴加60 mL 2 mol/L HCl，将产生的气体经过变色硅胶干燥后，通过冰浴冷却的装有液闪吸收混液的吸收瓶中进行吸收，当双口烧瓶中的CaCO3完全溶解后，对吸收瓶吸收前后进行称重，计算CO2吸收量，加盖密封后放入4 ℃冰箱保存3天，然后避光加入30 μL淬灭剂CCl4，依次加入5次，实际CCl4的添加量分别为30、60、90、120、150 μL，每次添加后测量1000 min，并同时测量样品的淬灭参数SQP（E），作为不同淬灭标准品的本底测量；
（2）称取3.00 g自制CaCO3粉末和标准品Ca14CO3粉末2.50g（即CaCO3粉末用量共5.50 g）如上述吸收过程，在通氮流量为60 mL/min，滴酸速度恒定为2 mL/min条件下完成吸收实验，对吸收瓶吸收前后进行称重，计算CO2吸收量，加盖密封后放入4 ℃冰箱保存3天，然后避光加入30 μL淬灭剂CCl4，依次加入5次，实际CCl4的添加量分别为30、60、90、120、150 μL，每次添加后测量100 min，并同时测量样品的淬灭参数SQP（E）。
该淬灭校正方法利用标准Ca14CO3粉末制备一个已知活度的样品，然后分别加入等量的淬灭剂CCl4（加入淬灭剂会改变样品的淬灭程度）并依次利用液闪仪测量，就得到不同淬灭程度下这个已知活度样品的计数率和淬灭参数（SQP值），然后将数据拟合得到校正曲线，拟合建立淬灭校正曲线，淬灭校正曲线的公式为：
。
本发明与现有技术相比，其有益效果为：
基于我国目前只出台的空气中14C取样及测量的标准方法，对于生物样品中14C的测量方法尚仍处于探索阶段，不能满足对生物样品的剂量评估等需求。本发明采用液闪制样的CO2直接吸收法，通过对试验条件的改进，获得良好的测量精度和灵敏度，与高精度的苯合成法的探测下限在一个量级，与高精度的苯合成法相比，本发明的制样方法简单、低廉快捷，且相对安全（苯合成法中涉及使用或产生危险化学物质如金属锂、苯等，且苯合成法的制备过程复杂繁琐、对仪器及操作人员要求较高）；另外与常规方法（CaCO3粉末悬浮法）相比，精度及灵敏度要远远高过后者，具体见下表：
附图说明
图1为本发明燃烧实验装置示意图。
图2为本发明CO2直接吸收法制样装置示意图。
图3为本发明SQP(E)淬灭校正曲线。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步的说明。
淬灭校正：利用自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正：
（1）取5.50 g自制CaCO3粉末，放入250 mL双口烧瓶中，加入30 mL煮沸过的蒸馏水中，搅拌，以60 mL/min持续通入氮气，以2 mL/min滴加60 mL 2 mol/L HCl，将产生的气体经过变色硅胶干燥后，通过冰浴冷却的装有液闪吸收混液的吸收瓶中进行吸收，当双口烧瓶中的CaCO3完全溶解后，对吸收瓶吸收前后进行称重，计算CO2吸收量，加盖密封后放入4 ℃冰箱保存3天，然后避光加入30 μL淬灭剂CCl4，依次加入5次，实际CCl4的添加量分别为30、60、90、120、150 μL，每次添加后测量1000 min，并同时测量样品的淬灭参数SQP（E），作为不同淬灭标准品的本底测量；
（2）称取3.00 g自制CaCO3粉末和标准品Ca14CO3粉末2.50g如上述吸收过程，在通氮流量为60 mL/min，滴酸速度恒定为2 mL/min条件下完成吸收实验，对吸收瓶吸收前后进行称重，计算CO2吸收量，加盖密封后放入4 ℃冰箱保存3天，然后避光加入30 μL淬灭剂CCl4，依次加入5次，实际CCl4的添加量分别为30、60、90、120、150 μL，每次添加后测量100 min，并同时测量样品的淬灭参数SQP（E）。
该淬灭校正方法利用标准Ca14CO3粉末制备一个已知活度的样品，然后分别加入等量的淬灭剂CCl4（加入淬灭剂会改变样品的淬灭程度）并依次利用液闪仪测量，就得到不同淬灭程度下这个已知活度样品的计数率和淬灭参数（SQP值），然后将数据拟合得到校正曲线，拟合建立淬灭校正曲线如图3所示，淬灭校正曲线的公式为：。
实施例1-4
通过下述方法分别对青菜、茶叶、萝卜和玉米中的14C含量进行测试，所述参数如表1所示，所得青菜、茶叶、萝卜和玉米中的14C的比活度结果请见表2。
（1）生物样品预处理：
a.冻干：将生物样品洗净、晾干、切块，称取质量为W1，冷冻干燥后，称得质量为W2，计算生物样品含水率的计算公式为：；用研磨器将上述冻干样品碾碎成粉末状，85 ℃下干燥30 min，备用；
b.燃烧和吸收：称取上述冻干样品粉末，记录粉末重量为W3，将重量为W3的冻干样品粉末，置于燃烧坩埚中，在坩埚底部加入50mL蒸馏水，充入15 atm的纯氧，引爆，冷却至室温，将燃烧得到的CO2气体采用单级装有200 mL浓度为3 mol/L的NaOH；溶液的气体扩散瓶吸收，所述CO2气体的流速为0.8 L/min，最后通入纯氧赶去氧弹装置内残气；
c. 沉淀：将上述NaOH溶液转移到烧杯中，加入20% NH4Cl溶液调节pH值至11，加入饱和CaCl2溶液至吸收液中的CO3 2-完全沉淀，过滤，依次用蒸馏水和无水乙醇洗涤沉淀各3次、烘干沉淀，称得沉淀质量为W4，CO2的捕集效率（%）为Y，本方法中所述Y为97.5%，生物样品的含碳量K ，单位为g C/g：；
（2）CO2直接吸收法制样：将步骤1中质量为M的CaCO3粉末，放入250 mL双口烧瓶中，加入30 mL煮沸过的蒸馏水中，搅拌，以60 mL/min持续通入氮气，以2 mL/min滴加60 mL 2 mol/L HCl，将产生的气体经过变色硅胶干燥后，通过装有冰浴冷却的液闪吸收混液的低钾玻璃瓶中进行吸收，所述液闪吸收混液由9mL CarboSorb E 吸收液和9mL Permafluor E 闪烁液组成，当双口烧瓶中的CaCO3完全溶解后，继续通入氮气3分钟，，称量吸收CO2气体前后装有液闪吸收混液低钾玻璃瓶质量分别为m1和m2，CO2的吸收量m = m2-m1；
（3）低本底液体闪烁计数器测量：
a.利用自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正，通过测量系列淬灭标准品CCl4得到探测效率（η，%）淬灭校正曲线为：探测效率η，单位为%：；
b.将步骤2中得到吸收CO2后的液闪吸收混液样品放入4℃冰箱中，3天后通过自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220低本底液体闪烁计数器，测量样品，得到计数率，同时测量外标准谱淬灭参数SQP(E)值 ，所述测量时间为1000 min；
c.
通过计算公式：，
得到生物样品中14C的比活度S，单位为Bq/g C；其中，所述NS为直接测量步骤2中吸收CO2后的液闪吸收混液样品计数率，单位为cpm，所述Nb为直接测量由天然大理石自制CaCO3粉末制备的本底样品的本底计数率，单位为cpm；所述η为探测效率，单位为%；所述m为液闪吸收混液的CO2吸收量，单位为g。
表1
表2
CO2直接吸收法中，利用SQP(E)法建立的淬灭校正曲线，线性良好（R2=0.9884），样品探测效率在85%左右。当样品测量时间为1000 min，置信水平为95%时，该方法测量生物样品中14C比活度的探测下限约为0.0084 Bq/g C，合成测量不确定度为6.2%。
利用优化后的预处理流程及CO2直接吸收-液闪法，测量苏州周边青菜、茶叶、萝卜和玉米四中生物样品，与自然环境生物水平一致。表明优化后的预处理流程及CO2直接吸收-液闪测量法用来测量生物样品中14C是准确可行的，同时该方法快捷，易操作。
本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种生物样品中14C的测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
（1）生物样品预处理：
a.冻干：将生物样品洗净、晾干、切块，称取质量为W1，冷冻干燥后，称得质量为W2，计算生物样品含水率的计算公式为：；用研磨器将上述冻干样品碾碎成粉末状，85 ℃下干燥30 min，备用；
b.燃烧和吸收：称取3.50-4.00 g上述冻干样品粉末，记录粉末重量为W3，置于氧弹燃烧装置中进行燃烧试验，燃烧得到的CO2气体采用单级装有200 mL浓度为3 mol/L的NaOH溶液的气体扩散瓶吸收，CO2气体流速控制在0.8 L/min，最后通入纯氧赶去氧弹装置内残气；
c.沉淀：将上述NaOH溶液转移到烧杯中，加入20% NH4Cl溶液调节pH值至11，加入饱和CaCl2溶液至吸收液中的CO3 2-完全沉淀，过滤，洗涤、烘干沉淀，称得沉淀质量为W4，CO2的捕集效率Y，单位为%，本方法中所述Y稳定在97.5%，生物样品的含碳量K，单位为g C/g：
；
（2）CO2直接吸收法制样：将步骤1中质量为M的CaCO3粉末，放入250 mL双口烧瓶中，加入30 mL煮沸过的蒸馏水中，搅拌，以60 mL/min持续通入氮气，以2 mL/min滴加60 mL 2 mol/L HCl，将产生的气体经过变色硅胶干燥后，通过装有冰浴冷却的液闪吸收混液的低钾玻璃瓶中进行吸收，所述液闪吸收混液由9mL CarboSorb E 吸收液和9mL Permafluor E 闪烁液组成，当双口烧瓶中的CaCO3完全溶解后，继续通入氮气3分钟，称量吸收CO2气体前后装有液闪吸收混液低钾玻璃瓶质量分别为m1和m2，CO2的吸收量m = m2-m1；
（3）低本底液体闪烁计数器测量：
a.利用自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，通过外标准谱淬灭SQP（E）法进行淬灭校正，通过测量系列淬灭标准品CCl4得到探测效率η，单位为%，淬灭校正曲线为：；
b.将步骤2中得到吸收CO2后的液闪吸收混液样品放入4℃冰箱中，3天后通过自配有外标准源152Eu的Wallac Quantulus-1220型低本底液体闪烁计数器，测量样品，得到计数率，同时测量外标准谱淬灭参数SQP(E)值 ，测量时间为1000 min；
c. 通过计算公式：，
得到生物样品中14C的比活度S，单位为Bq/g C；其中， NS为直接测量步骤2中吸收CO2后的液闪吸收混液样品计数率，单位为cpm；Nb为直接测量自制CaCO3粉末制备的本底样品的本底计数率，单位为cpm；η为探测效率，单位为%；m为液闪吸收混液的CO2吸收量，单位为g。
2.根据权利要求1所述的生物样品中14C的测量方法，其特征在于，所述的氧弹燃烧装置中的燃烧试验，具体步骤如下：将重量为W3的冻干样品粉末，置于燃烧坩埚中，在坩埚底部加入50mL蒸馏水，充入15 atm的纯氧，引爆，冷却至室温。
3.根据权利要求1所述的生物样品中14C的测量方法，其特征在于，所述步骤2中低钾玻璃瓶采用20mL低钾玻璃瓶。
4.根据权利要求1所述的生物样品中14C的测量方法，其特征在于，所述步骤2中CaCO3粉末的质量为M，M为5.50 g。
5.根据权利要求1所述的生物样品中14C的测量方法，其特征在于，所述步骤3中自制CaCO3粉末是由天然大理石或石油制得。
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