自上世紀40年代以來，人類核活動向環(huán)境中釋放了大量的人工放射性核素，并在局部地區(qū)造成嚴重污染。其中，钚和镎的同位素（238,239,240,241Pu和237Np）因其具有強的α放射性、高化學(xué)毒性和環(huán)境持久性等特性是核環(huán)境安全的重點關(guān)注對象，并且由于這些錒系核素的同位素比值（240Pu/239Pu、238Pu/239+240Pu、241Pu/239+240Pu和237Np/239Pu）所攜帶的源項信息，使其作為特征指紋信息廣泛地應(yīng)用于核環(huán)境安全、核取證、地球環(huán)境過程的示蹤以及人類世界限劃定等研究中。但是目前環(huán)境中這些核素的分析方法檢出限高、分析流程復(fù)雜費時和抗干擾能力差，難以快速、準(zhǔn)確分析環(huán)境樣品中這些核素的含量和比值。地球環(huán)境研究所侯小琳教授研究團隊基于三重四級桿電感耦合等離子體質(zhì)譜儀（ICP-MS/MS）開發(fā)了環(huán)境樣品中238,239,240,241Pu和237Np的系列快速分離分析方法。 方法一建立了高鈾樣品中超低水平238Pu、239Pu、240Pu、241Pu的快速同步分析方法，解決了長期困擾業(yè)界的因238U同質(zhì)異位素強烈干擾，而無法使用質(zhì)譜技術(shù)測量238Pu的難題和钚同位素分析需要使用三個不同測量方法完成的困境。通過在化學(xué)分離步驟串聯(lián)兩個TK200樹脂柱，和儀器測量時使用質(zhì)量轉(zhuǎn)移模式和碰撞反應(yīng)氣體，使得238U產(chǎn)生的干擾得到了極其高效地去除，實現(xiàn)了高鈾樣品（鈾含量達到mg/g）中超低水平（10-15 g/g）238Pu、239Pu、240Pu、241Pu的快速同步分析。儀器探測時間僅為5–10 min，較之前同步分析探測時間縮短了50–200倍，極大地提高了分析測試效率，很好地滿足了核應(yīng)急情況下快速分析的需求。
圖1. 高鈾樣品中238, 239, 240, 241Pu的ICP-MS/MS快速同步分析方法示意圖
方法二基于ICP-MS/MS和固液萃取樹脂，開發(fā)了一種可用于同步分析環(huán)境樣品中237Np、239Pu和240Pu的方法，針對237Np沒有合適的化學(xué)回收率示蹤劑的問題，通過嚴格控制化學(xué)分離過程中Np和Pu有高度相似的化學(xué)行為，使得242Pu作為同步分析237Np和239,240Pu的化學(xué)回收率示蹤劑穩(wěn)定可靠。方法對于237Np、239Pu和240Pu的檢出限達到了10-15g/g的水平，可用于各類環(huán)境固體中該幾種核素的準(zhǔn)確分析，并且有極強的抗干擾能力。
圖2. 環(huán)境固體中超低水平237Np、239Pu和240Pu的同步分析方法示意圖
該系列成果分別發(fā)表在分析化學(xué)權(quán)威期刊Analytical Chemistry和Talanta上，侯小琳教授為通訊作者，博士研究生黃釗為第一作者。該工作受國家自然科學(xué)基金No. 11875261、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)專項No. XDB40020104、中國科學(xué)院重點部署項目No. ZDBS-SSW-DQC003和中國科學(xué)院國際合作項目No. 132B61KYSB20180003的共同資助。
文章詳情：
1. Huang, Z., Hou, X., & Zhao, X. (2023). Rapid and Simultaneous Determination of 238Pu, 239Pu, 240Pu, and 241Pu in Samples with High-Level Uranium Using ICP-MS/MS and Extraction Chromatography. Analytical Chemistry, 95(34), 12931–12939.
2. Huang, Z., Hou, X., Qiao, J., & Zhao, X. (2023). Simultaneous determination of femtogram levels of 237Np, 239Pu, and 240Pu in environmental solid samples using extraction chromatography and ICP-MS/MS. Talanta, 265, 124798.
https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c02526
https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124798
