氧化燃燒法收集生物¹⁴C的回收率影響因素研究

何慶駒　左偉　董傳江　李?！∷渭o(jì)高　陳思宇

關(guān)鍵詞：氚碳測(cè)量;回收率;氧化燃燒法

14C是廣泛存在于環(huán)境中的主要放射性核素之一，半衰期為5730a，最大β射線能量為156keV，其來源主要分為天然生成和人工合成[1]。天然生成的¹⁴C主要由宇宙射線中的中子在大氣層中通過¹⁴N（n，p）¹⁴C反應(yīng)生成。人工合成的¹⁴C主要來自反應(yīng)堆核電站的運(yùn)行和核試驗(yàn)。核電廠運(yùn)行過程可能通過兩種途徑對(duì)公眾造成輻射，即液態(tài)途徑和氣態(tài)途徑。其中，¹⁴C是液態(tài)貢獻(xiàn)較大的核素之一，氚和¹⁴C是氣態(tài)貢獻(xiàn)較大的核素。氚和¹⁴C對(duì)人體內(nèi)輻射具有較大的劑量貢獻(xiàn)[2]，因此，對(duì)核電外圍的氚、¹⁴C水平進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，對(duì)評(píng)價(jià)輻射環(huán)境狀況具有重大意義。但是到目前為止，我國(guó)對(duì)生物中¹⁴C測(cè)量的相關(guān)規(guī)定及相關(guān)文獻(xiàn)的研究較為匱乏[3]。

經(jīng)過調(diào)研可知，測(cè)定生物¹⁴C的方法有加速器質(zhì)譜法、量熱法、液閃計(jì)數(shù)法等，不同的測(cè)量方法對(duì)應(yīng)的制樣方法各有不同，也各有優(yōu)缺點(diǎn)。加速器質(zhì)譜法雖然精度較高，但測(cè)量成本和制樣要求較髙，在日常的輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)中，一般不采用這種測(cè)量方法;量熱法雖然制樣成本較低，但是測(cè)量精度不高且技術(shù)不成熟[1];液閃計(jì)數(shù)法是應(yīng)用最廣泛的方法，主要是通過氧化燃燒的方式來獲取¹⁴C，再通過各種方法收集二氧化碳?xì)怏w制取含碳沉淀或溶液，與閃爍液充分混合方能測(cè)量。在最新頒布的國(guó)標(biāo)GB/T37865—2019《生物樣品中¹⁴C的分析方法氧彈燃燒法》中，采用了氧彈燃燒的方式充分燃燒樣品以獲取生物樣品中的¹⁴C。氧彈燃燒法雖然燃燒較為充分，但對(duì)閃爍液也有特殊要求，且燃燒時(shí)樣品會(huì)瞬間爆燃，氧彈內(nèi)部存在極高的溫度和壓力，比較危險(xiǎn)。此外，支持氧彈燃燒法的設(shè)備較少，目前，世界上僅有美國(guó)PARR公司能提供符合標(biāo)準(zhǔn)的氧彈（容積大于1.5L）?？傮w來說，氧彈燃燒法的應(yīng)用并不普及。目前，具備廣泛開展條件的制樣方法還是傳統(tǒng)的以生物氧化爐燃燒氧化制樣的液閃計(jì)數(shù)法。

在利用氧化燃燒法測(cè)量生物中¹⁴C的過程中，無論是通過氧彈還是生物氧化爐，都會(huì)受到回收率的影響。如果回收率太低，需要燒制大量生物樣才能獲取足夠的含碳沉淀或溶液，嚴(yán)重拖慢進(jìn)度，同時(shí)還會(huì)造成探測(cè)下限增加，不利于實(shí)際監(jiān)測(cè)。本研究主要探討了生物氧化爐制樣時(shí)影響回收率的因素并進(jìn)行對(duì)比。

1基本測(cè)量原理

無論哪種測(cè)量方法，均可劃分為制樣和測(cè)量?jī)刹糠?。其中，測(cè)量部分的測(cè)量值完全依賴于液體閃爍體計(jì)數(shù)器本身的特性，因此，測(cè)量結(jié)果主要影響樣品制樣過程。

1.1生物氧化爐制樣步驟與方法

1.1.1取樣與預(yù)處理

按照標(biāo)準(zhǔn)HJ/T61—2001《輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》相關(guān)規(guī)定進(jìn)行生物樣品的采集。從指定的地點(diǎn)采集生物樣品后，將樣品放入塑料袋并送回實(shí)驗(yàn)室。除去雜質(zhì)、洗滌后稱量樣品鮮重，然后放置在干燥容器中，置于冷凍干機(jī)或烘干機(jī)中干燥后再稱量干重，計(jì)算樣品的含水率。之后將干樣存儲(chǔ)在玻璃廣口瓶中。

為避免交叉污染，不可直接用手接觸樣品。稱重時(shí)，需注意脫水后的生物干樣為多孔狀物質(zhì)，容易吸水，需要在干燥完畢后盡快稱量。

1.1.2樣品燃燒和CO₂吸收

精確稱取一定量（5.00g及以上，以確保CO₂足夠多）的生物干樣置于生物氧化爐的樣品舟中，再將樣品舟置于氧化爐的氧化燃燒區(qū)正中央，以確保燒制時(shí)溫度均勻。放置催化劑于催化區(qū)中，安裝好封閉法蘭，按照?qǐng)D1準(zhǔn)備好后端吸收裝置，但后端吸收裝置暫時(shí)不與石英管出氣口連接。

設(shè)置好氧化燃燒區(qū)和催化區(qū)的加熱溫度控制程序。先在氧化燃燒區(qū)通入純氮?dú)?，流速約40mL/min，趕走燃燒區(qū)內(nèi)的空氣，目的是確保石英管內(nèi)部的二氧化碳被排除。待氮?dú)馔ㄈ胍欢螘r(shí)間（不少于5min）后，打開氧氣閥門，通入氧氣，形成一定比例的混合氣體。此后，將后端吸收裝置與石英管出氣口接通，并開啟氧化爐加熱開關(guān)。

按照設(shè)定的加熱溫控程序，氧化燃燒區(qū)的溫度將以1～5℃/min的速度上升到300℃左右，保持60min，等樣品完全焦化后，再繼續(xù)以1～5℃/min的速度升溫至廠家推薦的氧化燃燒溫度，保持2h以上，使樣品與氧氣充分反應(yīng)、完全氧化，直至樣品舟中幾乎無殘?jiān)?/p>

1.2生物樣中14C比活度的計(jì)算

生物樣中14C的比活度通過式（1）計(jì)算得到：

由式（1）、式（2）可知，回收率的大小對(duì)最后的測(cè)量結(jié)果和探測(cè)下限影響較大，如何提高回收率是整個(gè)¹⁴C測(cè)量過程中的重難點(diǎn)。縱觀國(guó)內(nèi)外相關(guān)參考文獻(xiàn)，對(duì)回收率影響因素的研究極少，均直接參照生物氧化爐的生產(chǎn)廠家推薦參數(shù)進(jìn)行樣品制備。

2實(shí)驗(yàn)方法

從制樣過程開始分析可知，影響回收率的因素有氧氣比例、催化劑的種類、燒樣溫度等。市面上的催化劑一般包括鈀合金或者純銅絲，但無論是采用鈀合金還是純銅絲，催化效率在各自的最佳催化溫度區(qū)間內(nèi)都超過95.00%，因此，催化劑的種類對(duì)回收率影響不大。氧氣比例和燒樣溫度對(duì)回收率的影響較大，下面主要探究二者在定量情況下對(duì)回收率的影響。

根據(jù)山東省地方標(biāo)準(zhǔn)《環(huán)境生物氚、碳-14的測(cè)定》《氧化燃燒法測(cè)量生物介質(zhì)中有機(jī)3H和14C的活度》等，葡萄糖樣品可代表淀粉類生物樣計(jì)算淀粉類樣品的通用回收率。

2.1氧氣比例的影響

一般氧氣比例越高，樣品的氧化速度越快，比如在國(guó)標(biāo)GB/T37865—2019《生物樣品中¹⁴C的分析方法氧彈燃燒法》中，通過在氧彈中充滿純氧氣再點(diǎn)火的方式，使樣品在一瞬間爆燃，在高溫和高壓下，迅速將有機(jī)碳轉(zhuǎn)化為CO₂，進(jìn)而提高回收率。但是由于樣品爆燃時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣體和極高的溫度（約1500℃），氧彈需使用不銹鋼桶作為容器。但是，生物氧化爐的石英管無法承受如此大的內(nèi)壓和溫度，因此，需要盡可能地避免樣品爆燃，以免引發(fā)事故。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70

由于不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同[5]，本實(shí)驗(yàn)采用了葡萄糖進(jìn)行制樣。因此，在氧氣比例研究實(shí)驗(yàn)過程中，在氧化燃燒過程中采用了廠家建議的450℃進(jìn)行制樣;為了避免因氣體流速不同致使洗氣瓶中氣泡大小不同而影響CO₂的回收，固定氣體總流速為40mL/min。首先，若使用10.00g純葡萄糖制樣，理論上應(yīng)生成CaCO₃30.30g。其次，每次燒制10.00g純葡萄糖時(shí)，需控制氧氣和氮?dú)饬魉?，改變混合氣體中的氧氣比例進(jìn)行制樣。制樣完畢后，稱量實(shí)際得到的CaCO₃質(zhì)量，通過公式（3）計(jì)算回收率。

值得注意的是，在實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)氧氣所占比例超過50.00%以后，樣品極易發(fā)生爆燃，因此，氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大值未超過50.00%。最終實(shí)驗(yàn)測(cè)量了10.00%、20.00%、30.00%、40.00%4個(gè)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下的回收率。

最終的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10.00%時(shí)，由于樣品不能充分氧化，在氧化燃燒2h后，樣品舟內(nèi)還有大量殘留灰渣，計(jì)算得到的回收率僅為55.43%。當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)上升時(shí)，回收率開始大幅提高;當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過30.00%時(shí)，回收率上升幅度不大。

2.2溫度的影響

理論上，制樣溫度越高，樣品被氧化的速度越快，生成CO₂氣體的速度越快。但在實(shí)際操作中，為了避免短時(shí)間產(chǎn)生太多氣體造成吸收瓶中堿液吸收回流或者吸收不及時(shí)，不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同。本實(shí)驗(yàn)僅對(duì)葡萄糖樣品在廠家建議的20%氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)的條件下測(cè)試了350、400、450、500、550℃等5個(gè)溫度下的回收率。

在制樣過程中，首先，計(jì)算得到使用10.00g純葡萄糖制樣時(shí)理論上應(yīng)生成CaCO₃30.30g。其次，在燒制10.00g純葡萄糖時(shí)，調(diào)節(jié)氧化燃燒區(qū)域的溫控曲線，在上述溫度下制樣。制樣完畢后稱量吸收堿液的質(zhì)量變化，即可得到實(shí)際吸收的CO₂質(zhì)量，二者之比即為回收率。

最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在溫度低于350℃時(shí)，由于樣品無法迅速氧化，會(huì)產(chǎn)生大量的炭化焦油附著在石英管上，計(jì)算得到的回收率僅為35.67%。當(dāng)制樣溫度上升時(shí)，回收率開始大幅提高，逼近80.00%。但當(dāng)溫度在550℃（遠(yuǎn)超廠家建議的450℃）時(shí)，樣品發(fā)生了爆燃，回收率反而略有下降。

3結(jié)論

通過對(duì)不同制樣條件下的回收率進(jìn)行測(cè)量，可以得到如下結(jié)論：

（1）在一定溫度下，氧氣比例越高，樣品轉(zhuǎn)化率越高，但在比例超過30.00%后，樣品轉(zhuǎn)化率變化不大，原因是樣品與氧氣的接觸面有限，大量氧氣并未與樣品反應(yīng)，就在氣壓的作用下流出石英管。此外，當(dāng)氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過40.00%時(shí)，極易發(fā)生爆燃現(xiàn)象。綜合考慮以上情況，氧氣比例推薦設(shè)為30.00%。

（2）在一定氧氣質(zhì)量分?jǐn)?shù)下，溫度越高，樣品轉(zhuǎn)化率越高，但當(dāng)超過廠家建議的制樣溫度100℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率反而下降，原因是樣品此時(shí)極易發(fā)生爆燃，且短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生CO₂的速率過快，會(huì)導(dǎo)致吸收裝置來不及吸收CO₂。綜合考慮以上因素，推薦制樣溫度為500℃。

（3）由于時(shí)間有限，實(shí)驗(yàn)的主要關(guān)注點(diǎn)僅為廠家推薦的一種影響因素，后期可以在不同溫度以及不同氧氣比例條件下進(jìn)行測(cè)量。由于不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同，建議先將每個(gè)生物樣分類，然后對(duì)每一類進(jìn)行最佳制樣溫度的測(cè)定，方便以后的監(jiān)測(cè)任務(wù)。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70