TWI478176B - 固體或液體之ｃ－１４收集系統及方法 - Google Patents

Description

固體或液體之C-14收集系統及方法

本發明係關於一種放射性元素之收集系統及方法，尤其係關於一種用於固體或液體待測樣品中放射性元素C-14之收集系統及方法。

放射性元素C-14係屬於β放射性元素，收集C-14主要應用於三種不同的領域中，其中第一種應用於核能電廠的管理，C-14在核能電廠的主要系統中都具有高產出率，且由於C-14的水溶性特性，使得C-14容易透過地下水之循環途徑，經由食物鏈間接地或直接地對人類造成影響；C-14亦會藉由氣體或液體的交換、擴散或藉由固體廢棄物的形式，自核電廠釋放到環境中而提高環境中的C-14濃度，同時，核電廠亦為C-14污染的主要來源。因此國內也將C-14列為低放射性廢棄物中受到管制的核種之一，管控C-14污染物濃度或是管控空氣中的C-14濃度亦成為重要的環保工程。

另一種應用於生質材料的生物基含量鑑定，該應用藉由收集生質材料內的C-14後，分析一材料內C-14/C-12比值或是直接分析該材料C-14之濃度，再藉由一標準天然放射性碳元素參考物質草酸(SRM 4990c)作為基準，進而推算生物基含量，因此在生質能源的分析應用中，收集C-14係為一重要技術。

最後一種應用於放射性定年法，此亦為C-14收集分析最早的應用技術，當生物死亡後呼吸作用停止時，生物無法繼續吸收C-14，生物體內之C-14經過β衰變含量會隨時間遞減，利用此一現象為基礎，藉由收集C-14接著再定量C-14的濃度以決定生物年代，或是用以計量一個已死生物的死亡時間。

此外，雖然目前市售的PerkinElmer產品Sample Oxidizer儀器為專門收集C-14的裝置，但是該儀器的價格昂貴而且待測樣品能夠處理收集之大小、容量及相態皆受到嚴格地限制，對於收集C-14後所進行的低濃度環樣分析尤其困難，同時，現今對於C-14分析的處理量之需求遠大於過去之需求，故市面上販售之儀器較不具產業上的利用性；在目前習知的C-14收集技術中，另包含一種技術為：將待測樣品中的C-14先氧化成二氧化碳後轉換成苯，再收集轉換後的苯，接著將所收集的苯送入液體閃爍計數器(LSC)進行分析，但是由於增加反應的條件而造成收集過程的複雜度增加，使得該裝置系統之架設需佔據龐大空間、消耗昂貴的化學藥品與設計複雜的輸送管路，故難以將該技術普及化。

有鑑於前述習知技術之缺失，本發明之一目的在於提供一種放射性元素C-14之收集系統，由於該收集系統組裝簡易，不同於前述著重於定年代分析的C-14收集系統要求 極低偵測極限及高精確度，而導致分析待測樣品耗時及儀器設備花費高昂。

為達成上述之目的，本發明係提供一種收集系統，包含：一氧氣提供單元；一燃燒室，其係為一高溫爐或一蒸餾單元，該高溫爐係包含一控溫系統與一可更換式的石英管及包含在石英管中之可容納待測樣品的一石英樣品舟，該高溫爐藉由控溫之設計使一待測樣品能隨溫度變化而氧化，而該待測樣品的氧化程度，換言之，是否燃燒完全為影響回收率之關鍵，並可依據多種不同待測樣品的種類，更換的該高溫爐搭配的控溫系統，將大幅減少由於待測樣品之氧化反應溫度與燃燒室控溫之溫度不一致，造成待測樣品滯留於燃燒室的時間耗費，另外，對於低濃度的環境樣品而言，需要足夠的待測樣品收集量進行分析以獲得較準確之數據，可依據使用的需求選擇合適的高溫爐與其搭配的石英管的尺寸，更能夠有效的分析環境樣品，而使用上的自由度亦會提高，至於該蒸餾單元則係包含一冷凝管、一蒸餾瓶及一加熱源，因為蒸餾瓶空間較大，可藉由該蒸餾單元的加熱方式來氧化較大量液態的一待測樣品，更進一步擴大待測樣品能夠被分析的相態；一乾燥單元，其係以乾燥劑去除已氧化之待測樣品中的水分子；以及一收集單元，其係利用複數個鐵氟龍管串接的複數個液體閃爍計數瓶，吸收已氧化之待測樣品，進而提高待測樣品的吸收量。

其中在該乾燥單元及該收集單元中，該等容置瓶器(如 抽濾瓶、液體閃爍計數瓶或緩衝瓶等)的數量在本發明中並不特別限制，該等容置瓶器連接的數量依據該待測樣品的多寡而定，其在本發明所屬領域中具有通常知識者皆可瞭解並據以實施。

本發明之另一目的在於提供一種利用上述的收集系統之收集方法，其步驟包含：組裝該收集系統中各單元元件，確認該收集系統中氧氣流量、該燃燒室之預熱溫度、該乾燥劑之體積、該吸收劑之體積、管線狀況及開啟冷卻水循環等準備作業，使得該收集系統中各單元元件到達能夠進行實驗的狀態，接著將一待測樣品送入該燃燒室中，並設定該燃燒室的一升溫程序後，進行該升溫程序，當該待測樣品之氧化反應完成及該升溫程序結束後，等待吸收劑吸收二氧化碳及該燃燒室降溫，再將該等液體閃爍計數瓶自該收集系統取下，然後加入一液體閃爍劑至該等液體閃爍計數瓶，送入一液體閃爍計數器，最後於清洗元件及更換耗材後，回到能夠進行實驗的狀態。

綜上所述，本發明之收集系統及方法中，所有單元元件，包含高溫爐、催化劑、管線或器皿等，若有損壞或是受到高濃度樣品污染，各單元元件能夠簡單分離拆卸、迅速更換或清洗，以減少維修核污染的風險，再者，該收集系統由於隨時能夠輕易更換元件，甚至使用不同規格的元件，故不僅只能收集低濃度樣品，亦能夠在同一收集系統中接著收集較高濃度樣品，同時，由於本發明之收集方法的步驟及流程簡便，亦能夠加速自待測樣品的採樣、收集 及進入分析程序的速度，此外，再加上整體收集系統建立的費用較低及所佔空間較小等優點，故較先前技術更易於將本發明所採用之放射性元素C-14收集技術普及化。

為充分說明本發明之目的、特徵及功效，使本發明所屬技術領域中具有通常知識者能瞭解本發明之內容並可據以實施，茲藉由下述具體之實施例，並配合所附之圖式，對本發明做一詳細說明，說明如後：

定義

於本文中，用語「包含」、「包括」、「具有」或其任何變化均旨在涵蓋非排他性之包括。舉例而言，包含一系列要素的方法、製程、物品或裝置不必然僅限於該等要素，而是也可包含該方法、製程、物品或裝置未清楚列出或固有的其他要素。

於本文中，「一」乃用以描述本發明之要素及組分。此用法只是為了方便，同時提供本發明一般性的概念，且此種描述方式應包含一或至少一，且除非很明顯可知不含複數，否則單數也應包含複數。

此外，若於本發明之方法中利用特定代號來區分各步驟，如步驟一、步驟二、步驟三等，則應理解該等代號並非隱含各步驟進行之順序。換言之，在可達成本發明之功效或不違反本技術領域通常知識之前提下，本發明之方法應不限於依照各步驟所列順序進行，各步驟亦可能以所列 者不同之順序進行或同時進行，且本發明之方法亦不限於待前步驟執行完畢後才進行後步驟，而是可能在前步驟執行過程中即進行後步驟。

實施例

以下，利用施例針對本發明進行更具體的說明，為本發明並不僅侷限於以下實施例。

首先請參考第1圖，本發明之收集系統一具體實施例係為利用管線依順序連接作為氧氣提供單元的一氧氣氣體鋼瓶1及一氣體流量計2；一管狀型高溫爐6(做為一燃燒室)，該管狀型高溫爐6係提供一升溫程序，在此具體實施例中所使用的管狀型高溫爐型號為LINDBERG BLUE/M並搭配UP 150溫度控制面板；該管狀型高溫爐6內具有管長58.5cm及管內直徑2.5cm之一石英管4的內管(該石英管4之前端及後端各具有一冷卻外管並連接至一冷卻水管3，該石英管4的內管容置粉末狀的氧化銅5約30g，形成約長4cm的區域)；裝有硫酸溶液70的一抽濾瓶7(做為一乾燥單元)，並該抽濾瓶7前後各串接一緩衝瓶；及利用複數個鐵氟龍管9串接的一第一液體閃爍計數瓶80、一第二液體閃爍計數瓶81、一第一緩衝瓶82及一第二緩衝瓶83(其中該等閃爍計數瓶為收集單元)。

其中待測樣品若為液態，則較佳係利用一蒸餾單元換置該管狀型高溫爐6做為一燃燒室，用來氧化該待測樣品，該蒸餾單元包含一冷凝管、一蒸餾瓶、一冷卻水管及一加熱源，該加熱源係為提供一升溫程序的一加熱包，該蒸餾 瓶係放置於該加熱源上且該蒸餾瓶包含兩開口，其中第一開口連接於該氣體流量計2，第二開口連接至該冷凝管之內管，接著，該冷凝管之內管連接至該抽濾瓶7，該冷卻水管連接至該冷凝管之外管。

該收集系統的各個單元元件應用於一待測樣品中放射性元素C-14之收集方法係為：

利用一石英樣品舟容置固態或液態的一待測樣品，該石英樣品舟為長10cm、寬1.9cm及深0.7cm，將該待測樣品送入該收集系統的管狀型高溫爐6，而待測樣品取樣的重量和體積，由石英樣品舟、待測樣品的種類及密度決定，通入藉由該高純度氣體鋼瓶1提供的氧氣並以該氣體流量計2控制氧氣之流量約小於0.5c.c./min，利用該管狀型高溫爐6作為一燃燒室，向該石英管4施加高溫，使得在該石英管4內管中的待測樣品氧化成二氧化碳，該石英管之左右兩端支架為拆卸式，隨時能夠進行破損更換及清潔等作業；其中該待測樣品若為液態，則較佳係利用該蒸餾單元作為該燃燒室來氧化該待測樣品，該蒸餾單元利用該加熱包作為該加熱源，來氧化容置於該蒸餾瓶中的液態待測樣品。

通入的氧氣不僅是該待測樣品的氧化劑，也是系統內的流動相，用以帶動二氧化碳輸送至後方的單元元件，在該待測樣品的加溫過程中，若是利用該管狀型高溫爐6作為燃燒室，則利用冷卻水通過該石英管4前端及後端的冷卻外管，降低流出該石英管4的氣體溫度，避免密封該石 英管4開口端的O-ring損耗；若是利用該蒸餾單元作為燃燒室，則利用冷卻水通過該冷凝管之外管，降低流出該冷凝管的氣體溫度，避免高溫造成後方單元元件損耗。

同時，當未氧化完全該待測樣品所生成的一氧化碳氣體，通過利用石英棉固定且預熱的氧化銅5時，該氧化銅5催化該一氧化碳氣體氧化成二氧化碳，使得該待測樣品氧化完全，一般而言，由於該氧化銅5的功效為促使該待測樣品氧化完全，該氧化銅5的使用量將依據該待測樣品的重量而定，並且應使用過量的氧化銅化學計量，但氧化劑並不以氧化銅為限，亦可利用其他在本發明所屬領域中所習知的氧化劑。

接著，該待測樣品氧化後所產生的水分子，隨著氧化氣體而通入作為乾燥單元的抽濾瓶7中，利用該抽濾瓶中所裝入250mL、濃度5%的硫酸溶液70作為乾燥劑來吸收水分子，其中該抽濾瓶7的前側及後側各設置一緩衝瓶，當該待測樣品氧化產生大量二氧化碳時，該等緩衝瓶有助於緩衝該硫酸溶液70的水分子吸收過程，一般而言，由於該硫酸溶液70的功效為吸收氧化氣體中的水分子，該硫酸溶液70的體積將依據該待測樣品的重量而定，並且應使用過量的硫酸溶液化學計量，但乾燥劑並不以硫酸溶液為限，亦可利用其他在本發明所屬領域中所習知的乾燥劑。

最後，管線連接至收集單元的鐵氟龍管9，將氧化氣體通入第一液體閃爍計數瓶80及第二液體閃爍計數瓶81，該等液體閃爍計數瓶各裝有10mL的二氧化碳吸收劑 Carbo-sorb E，其中第二液體閃爍計數瓶81的前側及後側設置該第一緩衝瓶82及該第二緩衝瓶83，當大量氧化氣體通過時，該等緩衝瓶有助於緩衝該二氧化碳吸收劑Carbo-sorb E的二氧化碳氣體吸收過程，當該二氧化碳吸收劑Carbo-sorb E吸收該待測樣品氧化生成的二氧化碳氣體後，等待該等液體閃爍計數瓶降溫，並且加入10mL的液體閃爍劑Permafluor E⁺ 至各個液體閃爍計數瓶中，將收集完成的液體閃爍計數瓶送入液體閃爍計數器中以進行分析，完成該收集方法。

請參考第2圖並配合上述的收集方法，本發明之收集方法一具體實施例係包含步驟如下：步驟一(S10)(進料前準備)：進料前的準備動作包含組裝該收集系統中各單元元件，及確認該收集系統中各單元元件的狀態及進行準備作業，其包含將收集系統通入氧氣以維持適當流量及正壓、確認該管狀型高溫爐6之預熱溫度100℃、裝入10mL該吸收劑Carbo-sorb E至該等液體閃爍計數瓶中、在該冷卻水管3中通入冷卻水(開啟冷卻水循環)、放置該氧化銅5於該石英管4的內管中及確認管線狀況，使得該收集系統中各單元元件到達能夠進行實驗的狀態；步驟二(S20)(開始)：進料動作包含量測一待測樣品的重量，並且將該待測樣品送入該管狀型高溫爐6的石英管4的內管中，在設定該管狀型高溫爐6的一升溫程序後，進行該升溫程序。由於控制樣品在氧化時的溫度及升溫速率 係為影響此收集方法的重要關鍵，且控制的方式係與待測樣品本身的物理及化學性質相關，所以需要依據每次操作收集系統時所送入的待測樣品性質來做調控而無法逕行省略升溫程序的設定，在此實施例中，該管狀型高溫爐6的溫度控制面板所能設定的最高升溫速率約為25℃/min，在送入待測樣品後將石英管4內的溫度提升到100℃並維持100℃預熱一段時間，再將石英管4內的溫度提升至500℃，在此段升溫過程中係依據待測樣品的化學性質以決定升溫所需要的時間，進而決定升溫速率，例如所需要的時間為20min，升溫速率則設定成20℃/min；若所需要的時間為29min，升溫速率則設定成14℃/min，以此類推；步驟三(S30)(吸收)：當該待測樣品之氧化反應完成及該升溫程序結束後，等待該吸收劑Carbo-sorb E吸收二氧化碳及該管狀型高溫爐6降溫；步驟四(S40)(分析)：將該等液體閃爍計數瓶自該收集系統取下，接著可進一步加入一10mL的液體閃爍劑Permafluor E⁺ 至該等液體閃爍計數瓶，將該等液體閃爍計數瓶送入一液體閃爍計數器；步驟五(S50)(清理)：清洗各個單元元件及更換耗材，該步驟五(S50)之功效係有利於該收集系統之重複執行。

另外請參考第3圖，在本發明利用前述一蒸餾單元收集液態待測樣品之一收集方法中，一較佳具體實施例係包含步驟如下：步驟一(S11)(進料前準備)：進料前的準備動作包含組 裝該收集系統中各單元元件，及確認該收集系統中各單元元件的狀態及進行準備作業，其包含將收集系統通入氧氣以維持適當流量及正壓、確認該蒸餾單元之預熱溫度100℃、裝入10mL該吸收劑Carbo-sorb E至該等液體閃爍計數瓶中、在該冷卻水管中通入冷卻水(開啟冷卻水循環)及確認管線狀況，使得該收集系統中各單元元件到達能夠進行實驗的狀態；步驟二(S21)(開始)：進料動作包含量測液態的一待測樣品的重量，並且將待測樣品送入該蒸餾瓶中，在設定該加熱包的一升溫程序後，進行該升溫程序。在此實施例中，該加熱包的升溫系統具有與前述管狀型高溫爐的溫度控制面板類似的加熱功能，在送入待測樣品後將蒸餾瓶內的溫度提升到100℃並維持100℃預熱一段時間，再將蒸餾瓶內的溫度提升至500℃，在此段升溫過程中係依據待測樣品的化學性質以決定升溫所需要的時間，進而決定升溫速率，例如所需要的時間為20min，升溫速率則設定成20℃/min；若所需要的時間為29min，升溫速率則設定成14℃/min，以此類推；步驟三(S31)(吸收)：當該待測樣品之氧化反應完成及該升溫程序結束後，等待該吸收劑Carbo-sorb E吸收二氧化碳及該蒸餾單元降溫；步驟四(S41)(分析)：將該等液體閃爍計數瓶自該收集系統取下，接著可進一步加入一10mL的液體閃爍劑Permafluor E⁺ 至該等液體閃爍計數瓶，將該等液體閃爍計 數瓶送入一液體閃爍計數器；步驟五(S51)(清理)：清洗各個單元元件及更換耗材，該步驟五(S51)之功效係有利於該收集系統之重複執行。

本發明在上文中已以較佳實施例揭露，然熟習本項技術者應理解的是，該實施例僅用於描繪本發明，而不應解讀為限制本發明之範圍。應注意的是，舉凡與該實施例等效之變化與置換，均應設為涵蓋於本發明之範疇內。因此，本發明之保護範圍當以申請專利範圍所界定者為準。

1‧‧‧氧氣氣體鋼瓶

2‧‧‧氣體流量計

3‧‧‧冷卻水管

4‧‧‧石英管

5‧‧‧氧化銅

6‧‧‧管狀型高溫爐

7‧‧‧抽濾瓶

70‧‧‧硫酸溶液

80‧‧‧第一液體閃爍計數瓶

81‧‧‧第二液體閃爍計數瓶

82‧‧‧第一緩衝瓶

83‧‧‧第二緩衝瓶

9‧‧‧鐵氟龍管

S10‧‧‧第二圖步驟一

S20‧‧‧第二圖步驟二

S30‧‧‧第二圖步驟三

S40‧‧‧第二圖步驟四

S50‧‧‧第二圖步驟五

S11‧‧‧第三圖步驟一

S21‧‧‧第三圖步驟二

S31‧‧‧第三圖步驟三

S41‧‧‧第三圖步驟四

S51‧‧‧第三圖步驟五

第1圖為本發明一具體實施例之收集系統示意圖。

第2圖為本發明一具體實施例之收集系統之操作流程示意圖。

第3圖為本發明另一具體實施例之收集系統之操作流程示意圖。

1‧‧‧氧氣氣體鋼瓶

2‧‧‧氣體流量計

3‧‧‧冷卻水管

4‧‧‧石英管

5‧‧‧氧化銅

6‧‧‧管狀型高溫爐

7‧‧‧抽濾瓶

70‧‧‧硫酸溶液

80‧‧‧第一液體閃爍計數瓶

81‧‧‧第二液體閃爍計數瓶

82‧‧‧第一緩衝瓶

83‧‧‧第二緩衝瓶

9‧‧‧鐵氟龍管

Claims (9)

1. 一種放射性元素C-14之收集系統，包含：一氧氣提供單元；一燃燒室，其係連接於該氧氣提供單元之後，且該燃燒室係為一高溫爐或一蒸餾單元；一乾燥單元，其係連接於該燃燒室之後並包含一乾燥劑；及一收集單元，其係連接於該乾燥單元之後，該收集單元係包含串接的複數個液體閃爍計數瓶，其中該等液體閃爍計數瓶中包含用於吸收一放射性元素C-14之一吸收劑。
2. 如申請專利範圍第1項所述之收集系統，其中該乾燥劑係為硫酸溶液。
3. 如申請專利範圍第1項所述之收集系統，其中該乾燥單元及該收集單元各包含複數個緩衝瓶。
4. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之收集系統，其中該高溫爐包含氧化銅及一冷卻水管，該氧化銅係於該高溫爐內之一石英管中，該冷卻水管係連接於該石英管之一冷卻外管。
5. 如申請專利範圍第1至3項中任一項所述之收集系統，其中該蒸餾單元包含一冷凝管、一蒸餾瓶、一冷卻水管及一加熱源，該蒸餾瓶係放置於該加熱源上且該蒸餾瓶包含兩開口，其中第一開口連接於一氣體流量計，第二開口連接至該冷凝管之內管，接著，該冷凝管之內管連接至一抽濾瓶，該冷卻水管連接至該冷凝管之外管。
6. 一種利用如申請專利範圍第4項所述收集系統之收集方法，其步驟包含：步驟一：確認該收集系統中各單元元件的狀態及進行準備作業，使得該收集系統中各單元元件到達能夠進行實驗的狀態；步驟二：將一待測樣品送入該石英管中，並設定該高溫爐的一升溫程序，進行該升溫程序；步驟三：當該待測樣品之氧化反應完成及該升溫程序結束，等待該吸收劑吸收二氧化碳及該高溫爐降溫；及步驟四：將該等液體閃爍計數瓶自該收集系統取下。
7. 如申請專利範圍第6項所述之收集方法，其進一步包含在步驟四完成後，清洗各個單元元件或更換耗材之一步驟五。
8. 一種利用如申請專利範圍第5項所述收集系統之收集方法，其步驟包含：步驟一：確認該收集系統中各單元元件的狀態及進行準備作業，使得該收集系統中各單元元件到達能夠進行實驗的狀態；步驟二：將一待測樣品送入該蒸餾單元中，並設定該加熱源的一升溫程序，進行該升溫程序；步驟三：當該待測樣品之氧化反應完成及該升溫程序結束，等待該吸收劑吸收二氧化碳及該蒸餾單元降溫；及步驟四：將該等液體閃爍計數瓶自該收集系統取下。
9. 如申請專利範圍第8項所述之收集方法，其進一步包含在 步驟四完成後，清洗各個單元元件或更換耗材之一步驟五。