毛发中铀的二次离子质谱分析研究

胡睿轩，沈 彦，李力力，黄声慧，赵立飞，赵永刚

(中国原子能科学研究院 放射化学研究所，北京 102413)

从铀矿的开采、精炼到核燃料生产再到乏燃料后处理，核燃料循环过程各环节都可能对环境造成污染[1]，以铀矿开采环节为例，目前我国建有多座地浸采铀矿山，地浸采铀过程溶浸出来的铀可能对地下水造成污染[2]。环境中元素含量变化直接影响人体内微量元素含量[3]。正常情况下，人体组织有较强体内调节平衡能力，人体微量元素的变化范围较小[4]。因此，当人体内微量元素发生较大变化时，可根据变化时间及程度对相应污染事件进行溯源分析。目前，在核工业领域，通过测量样品中铀同位素比进行溯源的方法已逐渐成为一种常规取证手段[5]。相比于其他样品，生物样品可将人类个体与相应污染事件直接联系起来。对比血液、尿液等常用生物检材，毛发具有以下优点：对人体微量元素有蓄积作用[6]；化学性质稳定，易保存；不同时段长出的毛发可本征记录较长一段时间人体内微量元素的吸收和代谢情况等[7]。当发生突发污染事件时，可通过测量毛发中相应元素的含量、同位素比及纵向分布，结合生物体毛发生长速度，对生物体受污染时间进行溯源。

毛发样品分析的主要技术方法包括两类，一类是整体样品分析，即将毛发分解经离子交换柱分离出目标核素，再用原子吸收光谱(atomic absorption spectrum, AAS)[8]、电感耦合等离子体发射光谱(inductively coupled plasma optical emission spectrometer, ICP-OES)[9]、电感耦合等离子体质谱(inductively coupled plasma mass spectrometry, ICP-MS)[10]等技术测定目标元素含量或同位素比；另一类是微区(微米尺度)分析，即利用二次离子质谱(secondary ion mass spectrometry, SIMS)[11]、激光烧蚀等离子体质谱(laser ablation inductively coupl- ed plasma mass spectrometry, LA-ICP-MS)[12]、同步辐射X射线荧光光谱(synchrotron radiation X-ray fluorescence analysis, SRXRF)[13]等技术对毛发样品表面几微米或几十微米空间尺度上进行元素分布或同位素比分析。相比而言，整体分析技术虽然精度较高[14]，但所得数据难以反映同一根头发不同时间序列元素含量、同位素比变化。微区分析可以对同一根头发不同位置处微量元素进行表征，测量所需样品量更少，能直观体现毛发中元素含量及同位素比值变化与时间的关联，因此，近几年微区分析技术在头发分析领域应用逐渐得到发展[15]。

SIMS是一种利用一次离子轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜物质进行高精度微区原位元素和同位素分析，对研究固体物质深度特征和元素表面横向分布具有特殊功能。对比LA-ICP-MS、SRXRF等微区分析技术，SIMS具有灵敏度高、元素测定范围广等优点。

目前，关于毛发中铀的SIMS测量研究，国内尚无相关文献报道。为了拓展毛发中铀的分析方法，本工作对毛发中铀的SIMS分析开展研究，由于正常人发样品中铀含量较低，采用喂养大鼠贫铀溶液的方式获取含铀量较高鼠毛样品，使用MC-ICP-MS测量鼠毛中铀含量及235U/238U比值，讨论鼠毛中铀元素与所摄入铀溶液类型及浓度的相关性。通过对样品制备方案以及仪器测量条件优化，拟建立鼠毛中铀的SIMS分析方法，并使用该方法对鼠毛中铀分布及235U/238U值进行测量。

1 实验材料

1.1 主要仪器与装置

Isoprobe多接收电感耦合等离子质谱仪：英国GV公司；IMS-6f二次离子质谱仪：法国CAMECA公司；JSM-6360LV扫描电子显微镜：日本JEOL公司；RHST60-2L体视显微镜：睿鸿光电科技有限公司；SC7620溅射镀膜仪：英国Quorum公司；LAB18磁控溅射镀膜仪：美国Kurt J.Lesker公司。

1.2 主要材料与试剂

硝酸双氧铀：分析纯，中国医药公司北京化学试剂采购供应站；UTEVA树脂：法国Triskem International公司；Sprague Dawley(SD)大鼠：普通级，北京维通利华实验动物技术有限公司；铀标准溶液：GBW(E)080173，核工业北京化工冶金研究院；导电胶带、导电银胶：美国SPI Supplies公司。

2 实验方法

2.1 样品的获取及清洗

选用6～8周龄健康雄性SD大鼠，体重190～210 g，将大鼠分为A、B两组，每组各5只，分别喂以不同235U富集度的贫铀溶液。实验开始前，剃下所有大鼠背部毛发作为对照，按分组将大鼠饲养于大鼠饲养笼内。具体喂养条件列于表1。

表1 SD大鼠喂养条件

21 d后，采用脊椎脱臼法处死大鼠，沿大鼠皮肤表面剃下毛发，编号装袋密封。参考文献[16-17]人发清洗方案相关研究，选用超纯水、丙酮、1%曲拉通清洗鼠毛，具体步骤如下：1) 50 mL超纯水超声清洗5 min；2) 50 mL丙酮搅拌清洗2 min；3) 将毛发样品浸没于1%曲拉通搅拌清洗2 min，再超声清洗5 min；4) 使用50 mL超纯水搅拌清洗3次，每次2 min；5) 使用丙酮搅拌清洗2 min，将毛发放入烘干箱中，设定40 ℃烘干。

2.2 MC-ICP-MS测量

使用MC-ICP-MS测量各组鼠毛中平均铀含量及235U/238U比值，每只大鼠取3份等量毛发作为平行样，使用超纯水经过消解和分离程序后作为流程空白。准确称量20 mg毛发放入PFA溶样罐，加入1 mL 16 mol/L HNO3作为消解体系，设置加热温度为90 ℃，加盖密闭后加热消解0.5 h得到透明均匀溶液样品。

喂铀溶液前的鼠毛样品中铀含量较低，且杂质元素较多。为保证测量准确性，选用UTEVA对消解后毛发溶液中的铀进行分离纯化。将2 g对照组毛发样品完全消解后蒸至近干，加入20 mL 3 mol/L HNO3溶解样品，用于树脂分离。用去离子水洗涤UTEVA树脂并浸泡24 h，将UTEVA悬浮液装入色层柱，按“去离子水-0.5 mol/mL HNO3溶液-去离子水”顺序洗涤色层柱，加入20 mL 3 mol/L HNO3预平衡色层柱。将准备好的样品溶液装载上柱，用20 mL 3 mol/L HNO3洗涤色层柱，去除杂质元素，用20 mL 0.02 mol/L HNO3-0.005 mol/L HF洗脱吸附于色谱柱上的铀，收集洗脱液并加热蒸发浓缩，用2% HNO3定容至5 mL，用于质谱测量。

MC-ICP-MS工作条件如下：工作电压5 968 V；射频功率1 100 W；冷却气流量13.4 L/min；辅助气流量1.20 L/min；雾化气流量0.90 L/min；碰撞气流量10 mL/min；质量扫描范围m/z35～500。使用1 ng/mL调谐溶液优化MC-ICP-MS工作参数，扫描时间1 s。测量铀浓度时，移取适量浓度为100 μg/mL的铀标准溶液于样品瓶中，加入2%硝酸逐级别稀释得到浓度为10、2、0.5、0.1、0 ng/mL的标准工作溶液。以各质量浓度点所对应响应值(y)对相应的质量浓度(x, ng/mL)进行线性回归，所得浓度回归曲线如图1所示，相关系数R2=0.999 99。测量铀同位素比时，选用不同法拉第杯分别接收235U、238U信号，使用已知235U/238U比值的铀溶液对测量时产生的质量歧视进行校正，每个样品测量12个数据。

2.3 SIMS测量

2.3.1样品靶加工 SIMS测量时，要求样品表面与样品靶表面高度一致。毛发本身有一定厚度，若直接置于样品靶表面，毛发表面将明显高出样品靶。在体视显微镜下使用刀片在样品靶表面加工出宽度约为50 μm的凹槽，将毛发样品嵌入凹槽，用导电胶带固定毛发两端，发样嵌入凹槽后碳片表面图示于图2。图2显示嵌入凹槽后发样与样品靶表面高度基本一致。

图1 238U浓度-信号响应工作曲线

a——正视图；b——侧视图

本底中Na元素含量较高，将SIMS调节为线扫描模式，一次离子束沿图3(a)中箭头方向对毛发表面及周边区域中Na元素初步扫描，结果如图3(b)所示。样品靶表面Na元素扫描所得信号强度约为1×105s-1，当扫描至0.4 mm处到达毛发样品时，离子信号骤降为0 s-1，这是由于毛发为绝缘样品，使用SIMS测量时，毛发表面将产生电荷积累效应从而导致测量无法进行。目前，实验室最常用降低电荷积累效应的方法是对样品表面进行镀膜处理。对同一批次样品表面分别镀金、碳、铜，通过对比镀膜后样品测量所得离子信号强弱及稳定性，确定SIMS测毛发中铀的最佳镀膜方法。

3 结果与讨论

3.1 整体铀含量及235U/238U值测量结果

饮用贫铀溶液前鼠毛平均铀含量为0.014 μg/g，摄入铀溶液后A、B组鼠毛平均铀含量分别为6.023 μg/g和6.010 μg/g，各组鼠毛中平均铀含量均有显著提升。所测得各组鼠毛中235U/238U比值数据列于表2。

图3 对未经处理发样中钠进行SIMS扫描图示

表2 喂铀前及喂铀后A、B组大鼠毛发中235U/238U比值(n=5)

A、B组大鼠所饮用贫铀溶液中235U/238U比值分别为4.03×10-3、4.31×10-3，由表2可知，大鼠毛发中235U/238U比值与所饮铀溶液中235U/238U比值高度一致，对比摄入铀溶液前毛发中235U/238U比值有明显变化。根据该结果可以推测，大鼠所处环境中铀丰度发生变化时，毛发中铀丰度将随之发生变化，可以通过测量毛发中235U/238U比值来对涉铀污染事件进行溯源。

3.2 镀膜方案选择

使用SIMS分别对镀金、碳、铜毛发样品进行测量，结果表明：镀金样品能检测到较高强度信号，但在质量数225～250处有连续的杂质峰，这是由于金的相对原子质量较大，与毛发中含量较多的其他原子如碳、氢、氧等结合容易形成质量数为225～250的多原子离子，进而对毛发中铀的测量产生干扰；镀碳发样铀峰附近干扰信号明显减弱，但镀碳发样测得整体信号值偏低；镀铜样品能接收到较强离子信号，且质量数238附近未发现明显杂质峰。这是由于铜的导电性优于金，且铜的相对原子质量小于金，与其他原子形成质量数238左右多原子离子可能远低于金。对比刻槽与未刻槽发样SIMS测量结果，刻槽样品信号强度稳定性显著提升。因此，最终采用对样品靶表面刻槽并将毛发样嵌入凹槽，最后磁控溅射镀铜的方法作为SIMS测量毛发样品预处理方案。

3.3 微区235U/238U值及铀分布测量结果

使用SIMS测量A、B组中铀含量最高鼠毛样品，通过图像扫描确定238U富集区域后，切换为深度剖析模式，使用一次离子束轰击该区域。测得235U/238U值如图4所示。235U/238U值分别为(5.44±0.76)×10-3和(5.58±0.52)×10-3,均显著低于天然铀235U/238U值。但与MC-ICP-MS测得A、B组鼠毛平均235U/238U值4.03×10-3、4.31×10-3有一定差异。

A、B组所测得235U、238U信号如图5所示。随着测量时间增加，235U、238U信号值呈缓慢下降趋势。这是由于分析过程中随着一次离子束的持续轰击，镀膜层逐渐剥离，样品表面导电性下降，开始出现电荷积累现象。因此，使用SIMS分析毛发样时应在保证测量准确性的前提下，尽量缩短测量时间。由于一次束轰击区域235U值较低，相比于测量所得238U信号，235U信号波动较大。

图4 A、B组铀含量最高样品中235U/238U值

图5 A、B组中铀含量最高样品中235U、238U信号强度

结合实际测量过程与图5数据，推测造成SIMS测量数据与MC-ICP-MS测量数据差距的原因有以下两点：1) 缺少含铀毛发标准物质，未能对SIMS铀同位素测量结果进行质量歧视校正；2) 样品中235U含量过低，受本底信号影响较大，导致SIMS测得235U/238U比值较大。

对同一根鼠毛发根与发梢中U+分布进行扫描，结果示于图7，相同仪器条件下发根与发梢扫描所得铀离子信号强度分别为6.32×103s-1和5.50×103s-1，发根铀信号强于发梢，表明毛囊及根部毛发中铀含量高于发梢。毛发中微量元素来源通常可以分为内源性来源和外源性来源两类，其中内源性来源主要是生物体内的代谢[19]。本实验中，溶液中铀经大鼠消化吸收后进入血液，在血液中通过毛细血管进入毛囊与角蛋白分子结合进而蓄积在头发中。因此，鼠毛根部、毛囊部位铀含量高于发梢。由于目前尚无整根毛发标准物质，因此未对鼠毛中铀进行定量分析。

图6 鼠毛中扫描图像

图7 发根(a)和发梢(b)238U信号扫描图

4 结论

本研究以大鼠毛发为实验对象，通过喂养大鼠贫铀溶液获得含铀量较高鼠毛样品，通过测量鼠毛中铀含量、铀分布及235U/238U比值初步建立了单根毛发中铀的SIMS微区分析方法，为毛发中铀的分析提供了技术支持。通过本研究，主要得出以下结论。

1) 大鼠毛发对铀元素具有蓄积作用，鼠毛中235U/238U比值与所摄入溶液中235U/238U比值相关；2) 镀铜毛发样品表面电荷积累现象得到明显缓解，且实际测量时所产生质量数238左右多原子离子较少，适用于毛发中铀的测量；3) 微区原位分析结果表明，鼠毛中U、Ca、C富集区域有较高重合，可通过扫描毛发中Ca、C分布富集区域定位U富集区域，进而对该区域进行深度剖析，当毛发中铀含量较低时，该方法可大幅缩短测量时间。