基于加速器質(zhì)譜測(cè)量的41Ca植物示蹤樣品制備方法研究

趙慶章，姜萍萍，林德雨，楊憲林，竇 亮，龐義俊，王小明，張 慧,5，楊旭冉，武紹勇，高東升，李 玲，王 雷，孫科鵬，周 君，董克君，何 明

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018；3.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；4.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176；5.黑龍江科學(xué)院 技術(shù)物理研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

?

基于加速器質(zhì)譜測(cè)量的41Ca植物示蹤樣品制備方法研究

趙慶章1，姜萍萍3，林德雨4，楊憲林1，竇 亮1，龐義俊1，王小明1，張 慧1,5，楊旭冉1，武紹勇1，高東升2，李 玲2，王 雷2，孫科鵬2，周 君2，董克君1，何 明1

(1.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413；2.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，山東 泰安 271018；3.中國(guó)核電工程有限公司，北京 100840；4.中核控制系統(tǒng)工程有限公司，北京 100176；5.黑龍江科學(xué)院 技術(shù)物理研究所，黑龍江 哈爾濱 150086)

基于加速器質(zhì)譜測(cè)量方法研究41Ca植物示蹤樣品的制備。41Ca是宇宙成因核素，半衰期較長(zhǎng)，且對(duì)植物的代謝具有重要的作用。加速器質(zhì)譜應(yīng)用長(zhǎng)壽命核素，檢測(cè)方法具有靈敏度高、放射性劑量小、精度高、測(cè)量區(qū)間大、示蹤周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。離子源引出束流是衡量加速器質(zhì)譜靈敏度的重要參數(shù)，而較高束流強(qiáng)度的引出束流可以提高加速器質(zhì)譜的靈敏度。為了獲得較高的束流強(qiáng)度，本工作系統(tǒng)研究了41Ca植物示蹤樣品的濕法、干法、以及濕法和干法相結(jié)合的二次氟化法，以建立41Ca植物示蹤樣品制備流程，確定最高束流強(qiáng)度引出時(shí)的最優(yōu)化41Ca植物示蹤樣品制備參數(shù)，為41Ca植物示蹤樣品廣泛應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

植物41Ca制備；方法優(yōu)化；加速器質(zhì)譜；束流強(qiáng)度

鈣參與植物組織中大量的代謝活動(dòng)。當(dāng)植物中某些激素分泌紊亂或其他因素影響時(shí)，植物組織中鈣含量會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致植物產(chǎn)生各種疾病，對(duì)植物中鈣代謝研究成為關(guān)注的熱點(diǎn)[1-4]。41Ca的半衰期(T1/2=1.0×105年)[5]較長(zhǎng)，適合鈣代謝的長(zhǎng)期示蹤研究。它是通過電子俘獲衰變到41K的基態(tài)，放出軟X射線和俄歇電子的能量約3 keV，常用衰變計(jì)數(shù)法無法測(cè)量，但可用高靈敏度的加速器質(zhì)譜法進(jìn)行分析。

離子源引出束流是衡量加速器質(zhì)譜靈敏度的重要參數(shù)。一般而言，較高束流強(qiáng)度的引出可以提高加速器質(zhì)譜的靈敏度。本文擬對(duì)41Ca植物示蹤樣品的濕法、干法、以及濕法和干法相結(jié)合的二次氟化法進(jìn)行研究，以建立41Ca植物示蹤樣品制備流程，確定較高束流強(qiáng)度引出時(shí)的最優(yōu)化的41Ca植物示蹤樣品制備參數(shù)，為41Ca植物示蹤的廣泛應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 主要儀器與試劑

5840R冰凍離心機(jī)：德國(guó)，Eppendorf；反應(yīng)腔體:真空室,真空泵, YZ-60型壓力真空表； GSL1300型真空管式高溫爐：配備Ar氣供氣裝置(罐)，連接管道；強(qiáng)酸性陽離子交換樹脂：Dowex50W-X8，400目；1 mm的鋁合金靶錐：NEC，美國(guó)高壓公司生產(chǎn)。

2 實(shí)驗(yàn)條件

2.1 束流引出條件

采用加速器質(zhì)譜測(cè)量41Ca實(shí)驗(yàn)中，典型的離子源參數(shù)列于表1。采用銫濺射強(qiáng)流離子源，注入負(fù)一價(jià)離子能量115.0 keV，引出電壓為15.0 kV，離子源溫度約100 ℃。

表1 采用加速器質(zhì)譜測(cè)量41Ca實(shí)驗(yàn)中典型的離子源參數(shù)Table 1 Typical parameters of ion sources in the 41Ca experiment by accelerator mass spectrometry

2.2 植物樣品制備

2.2.1 草酸鈣樣品制備

取桃樹植物樣品500 g經(jīng)過80 ℃烘干后，在瑪瑙研缽內(nèi)研碎。將研碎后的植物組織樣品置于瓷坩堝內(nèi)，在馬弗爐中900 ℃灼燒灰化3 h。冷卻后用體積比為4∶1的硝酸和雙氧水混合溶液消解，蒸發(fā)接近干，用去離子水稀釋至15 mL。加入等體積飽和草酸銨，加入氨水調(diào)節(jié)pH約為10，混勻后靜置3 h。以3 600 r/min轉(zhuǎn)速離心5 min，傾去上清液，用2 mL 2.5%的草酸胺和2 mL去離子水分別洗滌沉淀3次。

2.2.2 濕法制備CaF2

將制備的草酸鈣樣品加2 mL 4 mol/L濃鹽酸溶解沉淀，用去離子水稀釋至15 mL。過陽離子交換(內(nèi)徑6 cm，樹脂層高8 cm，事先用10 mL 4 mol/L 鹽酸，6 mL 0.08 mol/L鹽酸和10 mL去離子水平衡) ，流速控制在1.0～1.5 mL/min。先用15 mL 0.8 mol/L 鹽酸洗脫雜質(zhì)離子，再用4 mol/L Ca2+，收集4.5 mL流出液于15 mL離心管中，加等體積去離子水。加6 mL 氫氟酸，隔夜放置。3 600 r/min離心10 min，用1 mL去離子水洗滌氟化鈣沉淀兩次，100 ℃烘烤24 h后備用。使用離子交換法進(jìn)一步排除K+的干擾，有利于進(jìn)一步提高測(cè)量靈敏度，適合CaF-離子的引出[9]。

2.2.3 干法制備CaF2

圖1 干法反應(yīng)系統(tǒng)Fig.1 Dry reaction system

將制備的草酸鈣樣品與過量氟化氫胺樣品裝入料盒中，固定在支架放入真空爐內(nèi)(圖1)；密封真空爐，啟動(dòng)機(jī)械泵。抽真空后再充氬氣，重復(fù)三次后充少量氬氣，關(guān)閉兩端閥門，停真空泵，升溫至200 ℃，常壓，保溫反應(yīng)4 h后抽真空并緩慢通入氬氣，維持系統(tǒng)在緩慢的流氣狀態(tài)；將溫度升到250 ℃，分離過量的氟化氫銨和副反應(yīng)產(chǎn)物氟化銨，在250 ℃溫度狀態(tài)下進(jìn)行2 h，停止加熱，降溫；待爐內(nèi)溫度降低后小心取出，立即稱重，置于充氬氣的干燥皿中備用。

2.2.4 濕法與干法相結(jié)合二次氟化法

將爐管進(jìn)行嚴(yán)格清洗并烘干；將聚四氟乙烯反應(yīng)小料盒及支架先用硝酸再用氫氟酸各浸泡24 h后，用去離子水沖洗三次以上，烘干備用；加2 mL 4 mol/L濃鹽酸溶解濕法制備的草酸鈣沉淀，用去離子水稀釋至15 mL。取少量上述酸化溶液于離心管中，使用氨水調(diào)節(jié)pH；靜置24 h后，以3 600 r/min的轉(zhuǎn)速離心10 min；即先濕法制得氟化鈣，中間省去離子交換過程，簡(jiǎn)化了制備流程。向制得的氟化鈣中加入適量濃氫氟酸，將混合物放入聚四氟乙烯料盒中，固定在支架上放入真空爐內(nèi)，采用干法設(shè)備在氬氣浴中90 ℃反應(yīng)4 h，后升溫至150 ℃烘干2 h，停止加熱，降溫。待爐內(nèi)溫度降低后小心取出，立即稱重，置于充氬氣的干燥皿中備用。

表2 不同CaF2樣品的氟氧比Table 2 The ratio of fluorine-oxygen in different CaF2 samples

3 結(jié)果與討論

表3 不同條件下束流的引出強(qiáng)度Table 3 The strength of beam current extraction in different conditions

4 結(jié)論

本研究在國(guó)內(nèi)首次建立了基于加速器質(zhì)譜測(cè)量的植物41Ca示蹤樣品制備的方法，為國(guó)內(nèi)加速器質(zhì)譜測(cè)定植物示蹤樣品提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。采用濕法和干法相結(jié)合的二次氟化法制備植物組織中41Ca示蹤樣品，可抵消銫束聚焦不正等問題，有利于引出束流的穩(wěn)定。

致謝：感謝中國(guó)原子能科學(xué)研究院北京串列加速器核物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行工作人員的辛勤勞動(dòng)。

[1] 謝玉明，易干軍，張秋明. 鈣在果樹生理代謝中的作用[J]. 果樹學(xué)報(bào),2003,20(5)：369-373.

Xie Yuming, Yi Ganjun, Zhang Qiumin. Efects of Calcium in Physiology and M etabolism of Fruit Crops[J]. Journ al of Fruit Science, 2003, 20(5): 369-373(in Chinese).

[2] 車玉紅. 鈣肥對(duì)紅富士蘋果果實(shí)品質(zhì)及生理生化特性影響的研究[D]. 楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2015.

[3] 陳見暉，周衛(wèi). 蘋果缺鈣對(duì)果實(shí)鈣組分、亞細(xì)胞分布與超微結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué),2014,37(4)：572-576.

Chen Jianhui, Zhou Wei. Efect of Calcium Deficiency in Apple (Malus pumila) Fruits on Calcium Fractions, Subcelluar Distribution and Ultrastructure of Pulp Cells[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2014, 37(4): 572-576(in Chinese).

[4] 王玲利,劉超，黃艷花,等. ‘黃冠’梨采后熱處理和鈣處理對(duì)其鈣形態(tài)及細(xì)胞壁物質(zhì)代謝的影響[J]. 園藝學(xué)報(bào),2014,41(2)：249-258.

Wang Lingli, Liu Chao, Huang Yanhua, et al. Effects of Postharvest Heat and Calcium Treatments on Calcium Fractions and Cell Wall Metabolism of ‘Huangguan’ Pear Fruit[J]. Acta Horticulturae Sinica, 2014, 41(2): 249-258(in Chinese).

[5] Mabuchi H, Takahashi H, Inorg J. The half-life of41Ca[J]. Jour Inor Nucl Chem, 1974, 36: 1687.

[6] Dong K J, He M, Wu S Y, et al. Application of41Ca tracer and its AMS measurement in CIAE[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2004, 23(4): 316-318.

[7] Li S H, Jiang S, He M, et al. Measurements of41Ca in biological samples by accelerator mass spectrometry using CaF2target[J]. High Energ Phys and Nucl Phys, 2005, 29(12): 1 210-1 213.

[8] He M, Ruan X, Wu S, et al.41Ca analysis using CaF-in CIAE-AMS system[J]. Nucl Instr Meth B, 2010, 268: 804-806.

[9] 吳紹雷，何明，姜山，等. 加速器質(zhì)譜測(cè)量41Ca 方法改進(jìn)[J]. 質(zhì)譜學(xué)報(bào),2008(增刊):35-36.

Wu Shaolei, He Ming, Jiang Shan, et al, The Improvement of41Ca Accelerator Mass Spectrometry Analytical Method[J]. Journal of Chinese Mass Spectrometry Society, 2008(suppl.): 35-36(in Chinese).

[10]竇亮.41Ca 標(biāo)記內(nèi)源鈣庫(kù)法測(cè)量大鼠鈣吸收率的方法研究[D]. 北京：中國(guó)原子能科學(xué)研究院，2014.

[11]Zhao X L, Litherland A E, Eliades J, et al. Studies of sputtered anions I: Survey of MFn.[J]. Nucl Instrum Methods B, 2010, 268: 807-811.

[12]竇亮,何明，董克君，等. 加速器質(zhì)譜測(cè)量巖石樣品中41Ca的初步研究[J]. 原子能科學(xué)技術(shù)，2013，47(12)：2 322-2 326.

Dou Liang, HE Ming, Dong Kejun, et al. Preliminary Study of41Ca-AMS Measurement in Rock Samples[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2013, 47(12): 2 322-2 326(in Chinese).

Preparation of Plant41Ca Tracer Samples for Accelerator Mass Spectrometry

ZHAO Qing-zhang1, JANG Ping-ping3, LIN De-yu4, YANG Xian-lin1, DOU Liang1, PANG Yi-jun1, WANG Xiao-ming1, ZHANG Hui1,5, YANG Xu-ran1, WU Shao-yong1, GAO Dong-sheng2, LI Ling2, WANG Lei2, SUN Ke-peng2, ZHOU Jun2, DONG Ke-jun1, HE Ming1

(1.ChinaInstituteofAtomicEnergy,Beijing102413,China; 2.ShandongAgriculturalUniversity,Tai’an271018,China; 3.ChinaNuclearPowerEngineeringCO.LTD.,Beijing100840,China; 4.ChinaNuclearControlSystemEngineeringCO.LTD.,Beijing100176,China; 5.TechnicalPhysicsInstituteofHeilongjiangAcademyofSciences,Harbin150086,China)

Calcium plays an important role in the metabolism of plants and animals. In this paper, the preparation method of plant41Ca for accelerator mass spectrometry (AMS) measurement was developed for the first time in China. AMS, with its advantages of high sensitivity, small dose of radioactivity, high accuracy, large measuring range, and long tracer cycle, can be used to measure cosmogenic nuclide41Ca , which has long half-life. The intensity of the beam in ion source is an important parameter for the sensitivity of AMS measurement. The high beam current can improve the sensitivity of AMS. The preparation methods of plant samples of41Ca tracer were systematically studied to obtain high beam current using wet, dry and a combining method with wet and dry re-fluoride. A reliable preparation procedure of plant samples for41Ca tracer and its optimization parameters were determined by testing beam currents of various samples and lay a foundation for the41Ca-AMS technology at plant tracer applications.

plant41Ca; optimization parameters; accelerator mass spectrometry; beam intensity

2016-02-03;

2016-02-28

TL364.5

A

1000-7512(2016)04-0193-05

10.7538/tws.2016.29.04.0193