交換性有機(jī)氚去除過程中元素和有機(jī)物質(zhì)變化的研究

申慧芳，郭鋒

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

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交換性有機(jī)氚去除過程中元素和有機(jī)物質(zhì)變化的研究

申慧芳1，郭鋒2

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 文理學(xué)院，山西 太谷 030801； 2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院，山西 太谷 030801)

摘要：為了了解E-OBT去除過程的干物質(zhì)中元素的變化和同位素交換過程中浸泡液中顏色產(chǎn)生的機(jī)制，本研究以中國(guó)居民經(jīng)常食用的幾種農(nóng)作物(小麥、小米、玉米、大豆、精米、胡蘿卜、白蘿卜、馬鈴薯和青菜)作為研究對(duì)象，利用元素分析、紫外分光光度計(jì)和紅外光譜儀作為研究手段進(jìn)行研究，對(duì)同位素交換前后的干物質(zhì)進(jìn)行元素分析，同時(shí)對(duì)交換水進(jìn)行紫外光譜分析，對(duì)水中溶解的物質(zhì)進(jìn)行紅外光譜分析。研究結(jié)果表明：在發(fā)生同位素交換過程中有一些物質(zhì)溶解于交換水中，但是H元素的含量變化差異不大；同時(shí)研究表明一些分子溶解于交換水中，紫外分析證實(shí)了這些分子為蛋白質(zhì)、淀粉和核酸；通過紅外分析可知有一定量的含C和H有機(jī)化合物在浸泡過程中發(fā)生溶解進(jìn)入浸泡液，造成有機(jī)物含量的損失和H原子的減少。本研究結(jié)果表明浸泡能夠引起一些元素和物質(zhì)的損失。

關(guān)鍵詞：交換性有機(jī)氚；元素分析；紫外分析；紅外分析

氚(3H或T)是氫的放射性同位素，為核設(shè)施放射性核素劑量評(píng)價(jià)的主要核素之一。由于具有和氫相似的理化特性，隨著氫的循環(huán)在不同環(huán)境介質(zhì)中遷移轉(zhuǎn)化，進(jìn)入生物體后在新陳代謝作用下轉(zhuǎn)化合成進(jìn)有機(jī)物質(zhì)中形成有機(jī)氚(OBT)[1,2]。我們通常所指的OBT為與生物有機(jī)體有機(jī)分子結(jié)合的所有氚原子的總和[1,3]，根據(jù)涉氚的化學(xué)鍵的穩(wěn)定與否，一般情況下OBT又可以分為兩部分：交換性有機(jī)氚(Exchangeable organic tritium )和非交換性有機(jī)氚(Non-exchangeable organic tritium)[2,3]。

雖然植物體內(nèi)交換性O(shè)BT是干物質(zhì)中的一部分，但它的行為與TFWT相似，而非交換性O(shè)BT則具有較長(zhǎng)的滯留時(shí)間，劑量因子是HTO的兩倍多[4]，如果在氚的測(cè)量和劑量評(píng)價(jià)中把交換性O(shè)BT也做為非交換性O(shè)BT來處理，計(jì)算所得OBT的結(jié)果明顯偏保守，為了精確地分析植物中OBT的濃度和評(píng)價(jià)OBT造成的食入劑量，在分析測(cè)定OBT時(shí)必須把交換性O(shè)BT部分消除掉[5～7]。

因?yàn)榻粨Q性O(shè)BT中處于交換位置的T原子不穩(wěn)定，可以用同位素交換的方法與無氚水中的H原子發(fā)生交換反應(yīng)把交換性O(shè)BT移去，通常的方法是把干燥的固體樣品浸沒在大量的無氚水中使水中的H原子與固體樣品中的T原子發(fā)生同位素交換把交換性O(shè)BT去除。原則上固體樣品在浸沒過程中應(yīng)該保持不變的狀態(tài)，但是實(shí)際觀察到一些樣品在浸泡后水中出現(xiàn)了大量的顏色，表明至少有一部分有機(jī)物質(zhì)溶解在交換水中，所以有必要開展一些試驗(yàn)調(diào)查了解同位素交換過程中對(duì)樣品造成的影響，以確定該浸泡過程對(duì)樣品中元素含量(特別是H元素)的影響程度有多大，是否造成有機(jī)物質(zhì)的大量損失，以至影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。法國(guó)的研究者曾以蘋果、馬鈴薯、韭菜、藻類、草、橡樹、雪松和橡樹葉子等環(huán)境材料為研究對(duì)象，對(duì)交換性O(shè)BT去除前后樣品中H、C、O和N的變化進(jìn)行了比較，同時(shí)對(duì)溶液進(jìn)行了紫外光譜分析，研究發(fā)現(xiàn)不同樣品中元素變化情況不同，通過紫外光譜分析得知溶液中溶解的分子中含有一定量的蛋白質(zhì)、氨基酸和核酸[8]。

為了達(dá)到上述目的，本研究以我國(guó)居民經(jīng)常食用的一些農(nóng)作物作為研究對(duì)象，利用CHNS元素分析儀和紫外分光光度計(jì)和紅外光譜儀3種分析方法分析浸泡前后固體物質(zhì)中元素組成的變化情況和交換水中存在的分子種類，為了解交換性O(shè)BT去除過程出現(xiàn)的現(xiàn)象和有機(jī)氚分析測(cè)量方法的研究提供一些理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用材料為小麥、小米、玉米、大豆、糙米、精米、胡蘿卜、白蘿卜、馬鈴薯和青菜，均購(gòu)自于上海嘉定區(qū)四季聯(lián)華超市。

1.2樣品處理

由于考慮樣品粉碎后浸泡過程中容易有更多的有機(jī)物質(zhì)溶于水中，所有籽粒類樣品保持原狀，胡蘿卜、白蘿卜、馬鈴薯和青菜由于體積較大，用刀將其進(jìn)行了簡(jiǎn)單的切碎處理，便于浸泡。所有樣品在烘箱中于50 ℃烘干至恒重，把烘干的樣品一部分浸泡在純凈水中，一部分留作以后元素分析。浸泡24 h后把浸泡水倒出，把固體樣品再次放于烘箱中于50 ℃烘干至恒重，用于元素分析。浸泡水利用紫外分光光度計(jì)進(jìn)行分析確定水中的化合物以便解釋水中產(chǎn)生顏色的現(xiàn)象。為了進(jìn)一步分析浸泡液中所含的有機(jī)物種類，選取糙米、粗米、馬鈴薯、大豆、胡蘿卜和小麥的浸泡水進(jìn)行蒸發(fā)干燥，把干燥物在瑪瑙研缽中與溴化鉀混合研磨粉碎后壓片做成樣品，利用紅外光譜儀測(cè)定獲得光譜。

1.3主要儀器

C、H、N元素分析在東華大學(xué)分析測(cè)試中心進(jìn)行，所用儀器為德國(guó)Elmentra Vario Ⅲ型元素分析儀。浸泡液紫外分析在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所快速反應(yīng)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析處理，所用儀器為日立U-3900紫外分光光度計(jì)，紅外分析在中國(guó)科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所放射化學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，所用儀器為傅里葉轉(zhuǎn)變紅外光譜儀FT-IR。

2結(jié)果與討論

2.1浸泡過程中的現(xiàn)象分析

浸泡后的水大部分有很深的顏色，尤其是胡蘿卜、青菜、馬鈴薯和白蘿卜等樣品浸泡水中的顏色更深，通過試驗(yàn)證明有些樣品浸泡第二次后浸泡水中還是呈現(xiàn)很深的顏色，浸泡水中顏色的出現(xiàn)表明至少浸泡過程中發(fā)生同位素交換時(shí)有一些顏色分子溶解于水中。所以為了弄清哪一類分子溶解于水中以及浸泡前后干物質(zhì)中H元素百分含量的變化情況，對(duì)干物質(zhì)基本組成的變化的研究是必要的，尤其是浸泡前后干物質(zhì)中H含量的變化對(duì)有機(jī)氚的分析是至關(guān)重要的。

2.2元素分析

浸泡前后固體樣品中H、C、N元素含量的變化如表1。在OBT或NE-OBT濃度的預(yù)測(cè)中，用公式(1)或(2)計(jì)算[8]，從中可以看出樣品干物質(zhì)中H元素含量和樣品總含水中H元素的含量是一個(gè)重要的參數(shù)。

(1)

(2)

從公式中可以看出干物質(zhì)中H元素含量的變化直接影響OBT濃度的預(yù)測(cè)結(jié)果，對(duì)于總的OBT來說，通過對(duì)干物質(zhì)的燃燒獲得燃燒水中HTO的濃度即可，H元素含量變化對(duì)于這一過程影響不大；但是對(duì)于NE-OBT的分析，必須通過同位素交換把E-OBT去除，去除前后干物質(zhì)中H元素含量的變化有可能影響NE-OBT的分析結(jié)果。從表1可以看出，大部分樣品浸泡后干物質(zhì)中H元素的含量小于浸泡前，但是變化差異不大，最大為胡蘿卜，與浸泡前相比也只是減少了2.93%，另外有三個(gè)樣品(大米、玉米和青菜)干物質(zhì)中H元素含量浸泡后大于浸泡前，但是差異也不大，與浸泡前相比分別增加了0.56%、0.77%和4.72%。表明籽粒類和根莖類農(nóng)作物浸泡前后H元素含量變化不大；有的研究發(fā)現(xiàn)藻類浸泡前后H元素的含量差異可達(dá)20%[8]，可能是試驗(yàn)條件和材料不同造成的差異。

表1浸泡前后干物質(zhì)中H、C和N元素含量的變化

Table 1Element percentage variation in the solid samples prior and after immersing

樣品SamplesH/%C/%N/%HbHaCbCaNbNa小麥7.0607.02541.81542.9301.7301.875大米7.1607.20041.51042.4751.0501.025大豆7.7057.61049.44549.6905.7405.460玉米7.1007.15541.23042.5451.1301.160小米7.2807.19543.03043.6601.4351.355馬鈴薯6.8306.68541.05540.7151.4001.170白蘿卜6.6406.57539.58040.2202.9853.100胡蘿卜6.9956.79040.44040.8801.2651.170青菜6.2506.54539.41542.6854.5955.075

針對(duì)本試驗(yàn)所用樣品觀察到的浸泡前后干物質(zhì)中H元素含量的變化情況，將來還需要通過分析其他樣品進(jìn)行證實(shí)，此外還應(yīng)該針對(duì)不同類型的樣品分門別類通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行觀察獲取浸泡前后H元素的變化情況，對(duì)現(xiàn)有的結(jié)論進(jìn)一步證實(shí)的同時(shí)可以建立數(shù)據(jù)庫(kù)以便為進(jìn)一步了解和分析OBT提供理論支持。

從表1還可看出，浸泡前后干物質(zhì)中C元素的含量普遍增加，但是增加的幅度不大，范圍為0.5%～8.3%，關(guān)于浸泡后干物質(zhì)中C元素的含量普遍增加的現(xiàn)象在別人以蘋果、藻類和草作為材料的研究中也見到相似的報(bào)道[8]，具體原因還不清楚，有待以后通過試驗(yàn)進(jìn)一步探究。

浸泡后干物質(zhì)中N元素的含量變化趨勢(shì)不同，有的增加，有的減少，增加幅度最大的為青菜(10.45%)，減少幅度最大的為馬鈴薯(16.43%)，浸泡前后干物質(zhì)中N元素差異較大的原因目前還不清楚，有待通過試驗(yàn)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

2.3紫外光譜分析

為了研究浸泡后溶液中出現(xiàn)很強(qiáng)的顏色這一現(xiàn)象，對(duì)所有浸泡液樣品進(jìn)行了紫外光譜分析，圖1是波長(zhǎng)為200～900 nm時(shí)的波譜圖。由于葉綠素是一類與光合作用有關(guān)的重要色素，因此首先考慮浸泡液中是否有葉綠素分子，但是通過試驗(yàn)所得圖譜與葉綠素圖譜(圖1[8])的比較可以看出，在浸泡液中沒有發(fā)現(xiàn)葉綠素分子。從圖2可以看出，400～800 nm沒有出現(xiàn)波帶，表明也沒有別的顏色分子出現(xiàn)，如果這些顏色分子出現(xiàn)在浸泡液中，那它們的濃度有可能低于紫外光譜的檢測(cè)限，說明這些顏色分子濃度相當(dāng)?shù)牡?，這一結(jié)論與別人的結(jié)論相似[8]。從圖1可以看出，在近紫外光的波長(zhǎng)范圍(200～400 nm)內(nèi)可以觀察到一些峰或肩，表明浸泡液中包含有在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)能夠觀察到一些物質(zhì)(圖3)。

圖1　葉綠素吸收光譜圖Fig.1　Chlorophyll absorption spectra

圖2　不同樣品紫外吸收光譜Fig.2　UV-VIS absorption spectrum for chosen samples

圖3　不同樣品在200～400 nm波長(zhǎng)的紫外吸收光譜Fig.3　UV absorption spectrum for chosen samples

因?yàn)樗x樣品為籽粒類和根莖類農(nóng)作物，這些農(nóng)作物中含有大量的蛋白質(zhì)和碳水化合物，而且碳水化合物主要以淀粉為主。研究表明蛋白質(zhì)在紫外光范圍內(nèi)兩處有吸收峰：一是由于其含色氨酸殘基和酪氨酸殘基，其分子內(nèi)部存在著共軛雙鍵，在280 nm處有一吸收峰；二是因肽鍵存在而引起的，在200～220 nm處有一吸收峰，而淀粉的峰大致在210 nm范圍，從圖3中可以看到所有樣品在200～220 nm和280 nm處都有峰或肩出現(xiàn)，表明浸泡液中含有蛋白質(zhì)和淀粉。

核酸的峰主要出現(xiàn)在200～300 nm波長(zhǎng)范圍，組成核酸的幾個(gè)分子(腺苷、鳥苷、胸苷和胞苷)吸收波長(zhǎng)主要在265 nm左右，從圖3可以看出所有樣品的浸泡液在265 nm左右有一個(gè)肩，表明溶液中也含有一部分核酸的成分。通過紫外光譜研究表明有一部分生物大分子溶解于浸泡液中，這些分子有多少溶解于浸泡液中，會(huì)不會(huì)對(duì)OBT的分析造成影響，還需通過其他試驗(yàn)手段進(jìn)行定量的檢測(cè)。

2.4紅外光譜分析

為了進(jìn)一步研究浸泡液中所含的有機(jī)物質(zhì)為哪些成分，選擇了典型的幾種農(nóng)作物(糙米、精米、馬鈴薯、大豆、胡蘿卜和小麥)對(duì)其浸泡液干燥后所得到的固體進(jìn)行紅外光譜分析，不同種類農(nóng)作物浸泡液中溶解物質(zhì)的紅外光譜見圖4。

從圖4中可以看出，所有的波譜圖中在1 000 nm波長(zhǎng)左右有一個(gè)明顯的峰，這可能是水峰。所有的樣品紅外波譜中在1 500～2 000、2 500、3 000和3 000～3 500 nm左右都有明顯的波峰出現(xiàn)，在2 500～3 750 nm間包含C-H、O-H和X-H的吸收帶，其中3 000 nm以上為不飽和C-H鍵的伸縮振動(dòng)區(qū)，而3 000 nm以下為飽和C-H鍵的伸縮振動(dòng)區(qū)。2 500 nm左右有一個(gè)三鍵和累積雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)，碳碳三鍵、C=C=O和X-H基團(tuán)化合物的伸縮振動(dòng)；1 300～2 000 nm間，是雙鍵伸縮振動(dòng)區(qū)，C=O鍵在此間有一個(gè)強(qiáng)的吸收峰，在1 550～1 650 nm間有N-H鍵彎曲振動(dòng)峰。

通過以上分析可以看出，在所有浸泡液溶解的物質(zhì)中，通過紅外分析一些明顯的峰值符合上述峰值的特征，而出現(xiàn)上述峰值的基團(tuán)大都為含C鍵和H鍵的有機(jī)分子基團(tuán)，表明有一定量的含C和H有機(jī)化合物在浸泡過程中發(fā)生溶解進(jìn)入浸泡液，造成有機(jī)物含量的損失和H原子的減少。但是減少的量有多少，還需通過精確的測(cè)量獲取準(zhǔn)確數(shù)據(jù)以校正有機(jī)氚測(cè)量值。

3討論與結(jié)論

本研究以中國(guó)居民經(jīng)常食用的幾種農(nóng)作物作為研究對(duì)象，利用元素分析和紫外光譜儀對(duì)E-OBT去除過程中干物質(zhì)中元素的變化和其過程的機(jī)制進(jìn)行了初步的探討，研究結(jié)果表明：

(1)浸泡前后干物質(zhì)中H元素的含量發(fā)生了變化，但是差異不大，該結(jié)論與一些研究結(jié)果有所差異，可能是由于試驗(yàn)條件和試驗(yàn)材料不同造成的差異。

(2)浸泡溶液中顏色的出現(xiàn)很可能是溶解了濃度很低的顏色分子所致，本研究所用的試驗(yàn)手段不能夠檢測(cè)到這些低濃度的分子，這些顏色很可能與自然色料有關(guān)，還應(yīng)通過其他的方法進(jìn)行鑒定證實(shí)。

(3)樣品干物質(zhì)浸泡后溶解于浸泡液中的生物大分子可能為蛋白質(zhì)、淀粉和核酸，這些生物大分子好多是由C-H鍵構(gòu)成的，可以利用其他儀器手段進(jìn)行后續(xù)的定量研究，以便確定對(duì)NE-OBT分析過程中造成的影響。

圖4　不同種類農(nóng)作物浸泡液干燥物質(zhì)紅外光譜圖Fig.4　Infrared spectrogram for dry matter in immersing water of different crop samples

本研究所用的方法不能夠完全探明溶解于浸泡液中分子具體是哪些，本研究所用方法只是粗略的了解了在E-OBT去除過程發(fā)生同位素交換時(shí)哪一類分子有可能溶解于水中，具體是哪些分子溶解于水還需要借助于別的分析手段核磁共振、質(zhì)譜分析法等進(jìn)行分析。

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(編輯：馬榮博)

Study of change of element and organic substances at the exchange-OBT elimination stage

Shen Huifang1, Guo Feng2

(1.CollegeofArtsandSciences,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China； 2.CollegeofResourcesandEnvironment,ShanxiAgriculturalUniversity,Taigu030801,China)

Abstract:In order to identify and understand the change of element and mechanisms of the observed coloration in exchange water at the Exchange organically tritium (E-OBT) elimination stage, several crops were taken as samples and a CHNS elemental analyser, UV-Vis spectrophotometer and infrared spectrometer were used. The samples, under their solid form, were taken before and after labile exchange for elemental analysis purposes. At the same time the exchange waters were stored until UV-spectrophotometry measurements. The results showed that the element analysis indicate that the elemental composition of solid samples could occur during the labile exchange, but the difference of H percentage between before and after labile exchange has little. Moreover, it gives first ideas on which molecule could be solubilised. This trend is confirmed through UV-spectrophotometric analysis where bands are observed for wavelength characteristics of proteins, amino acids, nucleic acids. By infrared analysis, it could be got the conclusion that some amount of organic compounds containing C and H dissolved into the soak solution during the process of soaking, and it may be to causing the loss of organic matter and H atoms. The techniques used here only provide the rough determination of the type of molecules solubilised along the labile exchange and haven’t got the resolution to identify the solubilised species on the E-OBT elimination stage. It will be require the use of other advanced analytical tools to complete the identification of soluble molecules in the near future.

Key words:E-OBT; Element analysis; UV-spectrophotometric analysis; Infrared analysis

中圖分類號(hào)：TL72

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-8151(2016)05-0352-05

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11575104)

作者簡(jiǎn)介：申慧芳(1976-), 男(漢)，山西長(zhǎng)治人，副教授，博士，研究方向：氚環(huán)境遷移轉(zhuǎn)化行為及模型研究

收稿日期：2015-12-03 修回日期：2016-02-12