环境和生物样品中14C的分析方法初探*

王智慧，陈 飞，张 震，李玉文，王延飞，王雪涛

（1.国家卫生健康委职业安全卫生研究中心，北京 102308；2.南华大学化学化工学院，湖南 衡阳 421001）

0 引言

碳⁃14（14C）是一种低能β放射性核素，最大能量为156 keV，半衰期为5 730 a.14C 在自然界中有多种来源，宇宙射线与氮⁃14（14N）的（n，p）反应，核爆试验以及核反应堆堆芯材料中C、N 和O 元素的活化等都能产生14C.因此，14C 既是天然放射性核素，又是重要的人工放射性核素.世界卫生组织（World Health Organization，WHO）、国际劳工组织（Inter⁃national Labour Organization，ILO）和联合国环境规划 署（United Nations Environment Programme，UNEP）等机构把14C 定义为影响人体健康的8 个主要放射性核素之一［1］.天然和人工产生的14C 主要以气态CO2形式存在于环境中，14CO2通过沉降和光合作用进入土壤和植物，进而通过食物链进入人体，参与人体代谢并在人体富集，导致人体存在长期的内照射风险.由于14C 是长寿命核素，其在人体内累积的辐射剂量不容忽视.随着核技术的不断发展，在核设施运行过程中，大量14C 排入周边环境.因此，近年来国家加大了对环境，尤其是核电站周边环境中14C 的监测力度.

在职业健康监测和工作场所放射危害因素监测中，工作环境中和体内的14C 监测越来越受关注，对应的监测方法也在不断完善.石敏［2］采用氧化燃烧法收集松针等生物样品中的C，使得样品损失程度降低，加标回收率高达95.7%，采用粉末悬浮法制备样品，并使用低本底液闪测量仪测量得到14C 的质量活度为（22.2±1.9）Bq/kg，探测下限为14.3 Bq/kg；杨海兰［3］在苯合成法中采用氧弹燃烧装置对样品进行预处理，该方法样品处理过程简便，且样品中的C 几乎都能转化为CO2，并用液闪β放射性计数（liquid scintillation counter，LSC）法测得14C 的质量活度为181.0～396.0 Bq/kg，探测下限为1.0 Bq/kg；李斌和罗茂丹［4］对H2O 中14C 样品的收集首次使用四级吸收鼓泡法，提高了对14CO2的捕集速度和效率，优化LSC 测量时CaCO3用量和闪烁液选取条件，使得该方法探测下限降低至0.12 mBq/L.

目前，我国有关14C 对于环境和生物影响研究还处于起步阶段，现有研究14C 测量方法的文献虽多，但还没有系统地研究14C 测量方法的文献，这对后续研究分析环境和生物样品中的14C 造成困扰，不利于提高14C 监测的准确性和时效性.本文在综合国内文献的基础上，系统地介绍了不同样品14C分析预处理流程，讨论不同分析方法的样品制备特点，同时比较几种常见的14C 分析和测量手段，对现阶段测量方法的弊端提出了解决方案，将14C 测量分析中的干扰影响降到最低，能够提高测量的准确性.

1 样品预处理

1.1 水体中14C 分析样品预处理

水体中的14C 是由大气中的14CO2通过气⁃液界面交换进入并溶解于海水、河水和湖泊中，14C 以无机碳和有机碳2 种形式存在.陈利刚等［5］使用总碳分析仪测量核电厂液态流出物中14C，在加H3PO4对无机碳转化的基础上，采用湿法氧化法实现了对有机碳的转化，这保证了开展全碳中的14C 的测量条件，结果表明，该方法能够有效消除其他放射性核素的干扰，探测下限大幅降低.

1.1.1 总无机碳

水体总无机碳（total inorganic carbon，TIC）的含量比较低，需要对样品进行浓缩预处理，从而形成碳酸盐沉淀.TIC 形成碳酸盐沉淀的方法包括沉淀法和鼓泡法［6-7］.沉淀法是直接调节水样的pH，加入沉淀剂形成碳酸盐沉淀，这种方法虽操作简单方便，但水体中杂质太多，对实验结果的干扰太大；鼓泡法是在充满N2空间内，向含有14C 样品的容器中加 入H3PO4生成CO2，在抽气泵的作用下，CO2被碱性吸收瓶吸收，其实验装置如图1 所示［7］，该方法装置虽比沉淀法装置复杂，但适用于各种水体.反应式为：

图1 水体中总无机碳样品预处理装置［7］

无论是鼓泡法还是沉淀法，都需要向水样中加入沉淀剂.在综合成本和沉淀效果后常用的沉淀剂是CaCl2，但CaCl2可能会产生难溶的Ca（OH）2，这会与生成的CaCO3共沉淀，带来实验误差，为防止生成Ca（OH）2，需控制水样的酸碱度pH 10～11.

1.1.2 总有机碳

水体总有机碳（total organic carbon，TOC）样品处理方法主要是高温燃烧氧化法［6］和湿法氧化法［6，8］.高温燃烧氧化法的原理是H2O 在加热条件下产生氢氧根（OH-），在催化剂或特高温条件下，OH-与含C 有机物反应生成CO2和H2O.现有文献报道有3 种高温催化的温度设置：（1）温度设置为1 200℃，无需添加催化剂，但需要解决氧化管材料和制作工艺问题以适应这种过高温度；（2）温度设置为950℃，需添加CuO 作为催化剂，但是由于温度高，石英管的使用寿命缩短，成本变高；（3）温度设置为680℃，需与过渡金属氧化物催化剂作用于样品，不足是由于设置温度低，虽延长了石英管的使用寿命，但难以选取到最佳催化剂.湿法氧化法的原理是在高温条件下，通过化学反应把H2O 中有机物的C 氧化成CO2，实验装置如图2 所示［6，8］.该方法是将整个装置处于N2空间内，向装有样品的三颈烧瓶中，加入过硫酸盐使TOC 中的C 生成CO2，滴加浓H2SO4不断驱赶CO2进入干燥瓶中，进而被碱性溶液吸收，反应式为

图2 湿法氧化法装置［6，8］

高温燃烧氧化法虽能快速氧化颗粒，但易受到H2O 中共存离子的干扰，且催化剂高温易失活.与高温燃烧氧化法相比，湿法氧化法的优点是样品中的含C 有机物只能被过硫酸盐氧化，不受H2O 中其他溶解物质的干扰；弊端是装置较复杂且需要控制反应温度，若温度过高，过硫酸盐的分解速率会超过其氧化速率，造成实验误差.

1.2 空气中14C 分析样品预处理

空气中的14C 主要以CO2形式存在，此外还有少量的CO.空气中14C 的捕集方法有2 种：一种方法是用固体分子筛或碱石棉作为吸收剂，吸收空气中的CO2，在高温环境中酸化释放出CO2，之后用碱性吸收瓶吸收.目前，国内没有这种专门吸收CO2的吸收剂，该实验装置繁琐，成本高.另一种方法是在抽气泵作用下，将一定体积的空气通过过滤器进入到装置中的高温催化床，使空气中的CO 全部氧化为CO2，其实验装置如图3 所示［9］.该方法操作过程简便，可通过多级吸收装置提高对空气中的CO2捕集效率，提高实验结果的准确性.

图3 空气中14C 分析样品收集装置［9］

1.3 生物中14C 分析样品预处理

生物样品预处理的方法有催化氧化燃烧法和氧弹燃烧法.催化氧化燃烧法的实验装置如图4 所示［3］.其处理过程是将生物样品冷冻干燥、粉碎后，称取一定质量置于样品舟中，并放入三温区管式炉加热，可使样品中的C 充分氧化为CO2，产生的CO2气体用碱性吸收瓶吸收.其中：对于含油脂少的生物样品，三温区管式炉的温度可设高，减少保温时间；而含油脂多的，可缓慢升高温度，增加其保温时间使其充分反应.催化氧化燃烧法实验装置无记忆效应，样品可连续处理，操作十分安全.

图4 氧化燃烧法装置［3］

氧弹燃烧法也是一种常见的生物样品14C 的分析方法［10-11］，其实验装置如图5 所示［11］.该方法的基本过程是，取适量烘干后的含C 的生物样品粉末加入氧弹装置，把含NaOH 溶液的烧杯置于氧弹装置底部，通入O2，通电激发样品燃烧，生成的CO2用碱液吸收.该方法可瞬间氧化样品，燃烧速度快，C 回收率高，操作简单方便，但样品的处理条件是在高压富氧下进行，操作不当容易发生爆炸，研究人员需注意人身安全.

图5 氧弹燃烧法装置［11］

2 样品制备

根据14C 样品的测量方法不同，样品制备方法也不同.基于LSC 法测量的样品制备方法主要有粉末悬浮法、直接吸收法、苯合成法和石墨法.其中石墨法是基于加速器质谱（accelerator mass spectrome⁃try，AMS）法测量的主要样品制备方法.

2.1 粉末悬浮法

粉末悬浮法是用NH3·H2O 或NH4Cl 调节吸收了CO2的碱性溶液［12-14］，使溶液pH 10～11，缓慢滴加饱和的CaCl2溶液使之生成CaCO3沉淀，烘干后研磨成粉末，将其与闪烁液一起加入计数瓶中，用液闪计数器测量.实验中需要注意的是，在调节pH 时，NH3·H2O 或NH4Cl不能过量，否则生成的Ca（OH）2极易与CaCO3共沉淀，对CaCO3粉末的质量和悬浮造成不利影响.

该方法优点是简单易行，实验设备条件易于满足，缺点是加入沉淀剂CaCl2时，可能会产生具有一定淬灭效果的Ca（OH）2，导致实验误差；样品制备时，CaCO3和闪烁液混合时需形成稳定的乳白色凝胶，否则会影响样品的稳定性，造成探测效率低和测量计数的重复性差；另外，该方法不适合含杂质较多的样品.

2.2 直接吸收法

直接吸 收法是 在N2环境下［7，10］，向已加 入CaCO3的三颈烧瓶中滴加H3PO4生成CO2，CO2经N2载带后进入置于冷水浴的计数瓶中，实验装置如图6 所示［7］.在许多文献资料中，直接吸收法又叫Carbo⁃sorb 法.目前，直接吸收法中，采用的碱液有市售的有机碱3⁃甲氧基丙胺（CH3O（CH2）3NH2），也有市售的碱石棉.反应式为：

图6 直接吸收法装置［7］

无机碱：CO2+2NaOH¾®¾¾ Na2CO3+H2O，有机碱：CO2+CH3O（CH2）3NH2¾®¾¾ CH3O（CH2）3NH2·CO2.

该方法消除了Ca（OH）2等杂质对吸收过程的干扰，具有更高的测量效率和更好的重现性，以及流程简单、耗时少和成本低的特点，但当样品量少时，会影响测量精度.章书维等［13］优化直接吸收法的条件，在原有基础上加入氧化剂后进入紫外氧化反应器，提高了C 转化为CO2的效率，CO2透过选择性气体渗透薄膜组件，被固定在制好的样品瓶中，避免了14C 受相邻能量区间衰变核素的干扰，提高了14C测量的准确度和精密度；谷韶中［10］利用氧弹燃烧生物干样，利用直接吸收法捕获释放的CO2，制备14C液闪测量样品，结果表明该法具有较高的探测效率（约80.0%），探测下限为1.45 min-1，重现性良好.

2.3 苯合成法

苯合成法是经 典的制备14C 样品的方法［3，6］，其实验装置如图7 所示［6］.合成苯时整个系统处于真空状态下，样品中的C 在高温催化燃烧炉中氧化为CO2；生成的CO2经过干冰冷阱去除H2O，在液氮冷阱中被收集；将得到的CO2通过合成反应炉转化为碳化锂（Li2C2）；在合成反应炉中加入适量的H2O 使得Li2C2变为乙炔（C2H2）；生成的C2H2先经过H3PO4和H2SO4混合冷阱除去杂质，再经过干冰冷阱，收集于液氮冷阱中；C2H2在催化剂作用下在合成苯反应器中合成苯（C6H6）.此反应中为提高C2H2的转化效率，加快C6H6的合成速度，通常采用硅铝球作为催化剂，且需将反应器置于冷水浴中，以防止反应放出大量的热造成C6H6被分解.反应式为：

图7 苯合成法装置［6］

与前2 种方式相比，苯合成法是将合成的C6H6配置成闪烁液，把含C 量极高且具有抗淬灭性的C6H6作为溶剂成为闪烁液的一部分，所制备的样品测量更精准，且苯合成法测量14C 质量活度具有较高的计数效率和较低的探测下限.但存在的不足是整个制样过程复杂繁琐，装置复杂，制样周期长且对制样系统真空度要求极高.

2.4 石墨法

由于利用AMS 法测量样品时，需要把样品转化为不同形态的C，常用转化方法是石墨法.石墨法的流程是：在真空条件下［15］，经过碾碎、酸洗、碱洗和酸洗，样品中的C 在CuO 催化剂的作用下生成CO2；CO2经酒精冷阱，得到纯净的CO2，再经液氮冷阱收集；CO2进入还原单元，在一定的温度和真空度下，将还原单元熔断密封；之后再将还原单元置于马弗炉中，使得CO2还原为石墨单质，其实验装置如图8 所示［16］.石墨法所用的还原剂有3 种：（1）H2作为还原剂，取适量H2加入密闭反应器，Fe 粉作为催化剂使CO2还原为含C 的石墨，此反应的反应速度快但H2的纯度影响测量精度，导致本底偏高，转化率需要理论计算；（2）Zn 粉作为还原剂，此反应虽速度慢、时间长，但本底值低，转化率可通过压力变化测量；（3）氢化钛（H2Ti）⁃Zn 粉作为还原剂，实验H2均来自H2Ti 高温分解得到的H2，这样可降低气体原因产生的干扰，而且也可观察其转化率.

图8 石墨法装置［16］

在石墨法中，需注意的是：催化剂的粒径和用量影响制样产率和束流强度；还原单元中单质还原温度太高，使得C 转化为CH4；为减少样品中残留的氢，抽真空时间要长，庞义俊等［16］在现有方法的基础上，建立了一套石英玻璃材质的石墨化制样系统，优化了传统石墨法的实验条件.制备样品时经离子源引出的碳负离子束流优质，稳定性高，有利于实现高灵敏测量，且有效避免样品的交叉污染.

3 测量方法

14C 的测量方法包括固体源计数法、气体正比计数 法、LSC 法和AMS 法4 种.其中，前2 种方法最早用于14C 的测量，如美国放射性化学家利贝首次用14C 技术验证古埃及考古样品［17］，而后2 种方法是现常用的14C 测量方法，以下围绕后2 种测量方法展开讨论.

3.1 LSC 法

LSC 法因其具有4π 立体角的优越几何测量条件，是低能β射线的首选测量方法.其原理如图9 所示［18］，把释放β射线的样品置于闪烁液中，辐射使溶剂分子电离与激发，闪烁体溶剂退激后，将能量传递给闪烁体溶质，闪烁体溶质退激后的能量以光电子的形式放出，利用对光特别敏感的光电倍增管将之转变为电脉冲，从而分析β射线的能量和计数的方法.其中，市场上常见的是Permafluor®E+闪烁液，该闪烁液能够有效减少样品测量时的淬灭［19］.

图9 液体闪烁计数器工作原理［17］

Arun 等［20］研讨表明，LSC 法的检测效率取决于已吸收样品的吸收剂所占计数瓶里总液体的体积比，体积比越高，其对光的淬灭产生的效率就越低，因此，对于比活性低的样品，应优化已吸收样品的吸收剂与计数瓶内总液体的体积.实验表明，当已吸收样品的吸收剂所占体积比为50.0%时，检测效率为83.4%，计数效率为81.2%；D’Souza 等［21］优化了氧化燃烧方法，将环境基质中的C 转换为CO2，通过低温捕获和被吸收剂吸收CO2到吸收器中进行测量，避免了与确定燃烧和捕集过程中回收C 有关的不确定性，提高了在测量中的准确性和精度.

与固体源计数法和气体正比计数法相比，该方法具有稳定性好，测量本底值低和灵敏度高的特点［22］，但与AMS 法相比，测量周期长，用量大且目前最需要解决的问题是淬灭校正［23］，现常用的解决方法是商品闪烁液的替换，即在第一闪烁体的基础上加入第二闪烁体增加光子产额，这样可有效减少样品测量时的淬灭.

3.2 AMS 法

AMS 法是现代化的测量14C 灵敏度最高的分析技术，可测量样品中微量的核素，其原理如图10 所示［24］.石墨单质在离子源中电离成碳负离子引出，在低能注入系统进行质量选择后，加速至MeV 量级，可排除分子本底干扰，加速后的负离子进入气体剥离器被剥离成不同电荷态的正离子，正离子通过磁分析器和电分析器，然后用半导体探测器排除同量异位素的干扰，可得到14C 和12C 的原子个数比.广西师范大学自主研发了我国首台小型单极静电加速器质谱仪，也是世界最小型化的加速器质谱仪之一.其测试时间大幅度缩短，样品受污染程度小，制样产率高，提高了测试精度以及整个测试系统的探测灵敏度.该法可测量大气PM2.5样品以及某些珍贵的考古样品［15］.

图10 加速器质谱的结构原理［23］

Quan 等［25］为直接测得碳酸盐样品中的14C，在原有基础上增加了串联加速器，测量时需将碳酸盐样品与金属粉末混合.为了让AMS 提供更高的碳束电流和更低的本底，他们选择与金属粉末铌（Nb）混合.分析时使用的最佳碳酸盐样品质量为1.5～2.0 mg，所得碳的束流为8.0%，精密度为1.0%，可应用于探究古生物中14C，为古生物样品快速分析提供了大量数据；Pang 等［26］通过对AMS 系统的研制，成功建立了我国第一个14C 测量用AMS 系统，也是能量最低的单级AMS 系统，实现了AMS 系统的小型化，实验证明，该系统通过测量气溶胶中的14C 可有助于分析气溶胶的来源，实现对14C 的高灵敏度测定，同时实现了基于14C 的大气粒子源分析.

与LSC 法相比，AMS 法的丰度灵敏度更高（同位素原子数之比可达10-16），测量精度也更胜一筹.另外，AMS 测量技术可以对几十甚至上百个独立的14C 样品进行同时测量，且测量全程可由专业程序进行自动监控，极大地提高了测量效率，减少了时间成本，但需要在低能端控制碳氢（CH）结合物的分子离子含量，且需要对样品中的催化剂进行除C，这样能进一步降低（12CH+13C）/12C，尽可能避免周围环境中的14C 对目标样品的污染［27］.该法存在的缺点是目前仪器较庞大且价格昂贵，推动仪器小型化和专用化是急需解决的问题［27-28］.

4 总结

本文讨论了14C 样品预处理、样品制备及测量方法的原理以及优缺点，并对主要存在的问题提出了解决方案.

样品预处理方法中，与沉淀法相比，鼓泡法更适用于复杂水体，增加多级吸收装置可提高CO2的捕集效率；与高温燃烧氧化法相比，湿法氧化法的氧化效果更专一，不易受到水体中共存离子的干扰，但需控制反应温度；与催化氧化燃烧法相比，氧弹燃烧法的氧化效率更高，处理时间更短，且适用范围更广，但需注意研究人员操作安全.

样品制备方法中：直接吸收法能够避免杂质离子的干扰，实验制备所需样品的过程更为简单，但对于少量样品精密度不够；石墨法制备样品量少、时间短，但催化剂和单质还原温度是影响样品产率和测量束流强度的主要因素，因此，催化剂的用量、粒径和还原单元中单质还原温度对准确测量14C 质量活度至关重要；与粉末悬浮法和直接吸收法相比，苯合成法制备样品测量时，具有更高的计数效率和更低的探测下限，但制备样品过程复杂且所需真空条件苛刻.

样品测量方法中，与LSC 法相比，AMS 法所需的样品量极少、测量时间短、测得丰度灵敏度更高（同位素原子数之比可达10-16），且测量精度也更胜一筹，但样品易受污染，仪器较大且价格昂贵，因此推动仪器小型化和专用化是急需解决的问题.AMS法虽灵敏度高，但其仪器昂贵且体积大，现多用于考古测年等方面，而对于环境和生物样品中14C 活度测量，现阶段各实验室多采用的是LSC 法.

5 结束语

14C 是核设施正常运行时向外部环境中排放的放射性核素之一，是核设施对周围公众所受辐射剂量的主要贡献者，因此，建立可靠的14C 测量方法是环境监测中的一项重要工作.本文在综合国内文献的基础上，分析了多种样品预处理、制备和测量方法的原理及优缺点，并对存在的主要问题提出了解决方案.这为优化实验条件，实现对环境和生物样品中14C 的准确测量提供了依据，对于实验室人员探究分析样品中的14C 具有重要参考价值和指导意义.