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　李矗　宋紀高　陳思宇

關鍵詞：氚碳測量;回收率;氧化燃燒法

14C是廣泛存在于環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反應生成。人工合成的¹⁴C主要來自反應堆核電站的運行和核試驗。核電廠運行過程可能通過兩種途徑對公眾造成輻射，即液態途徑和氣態途徑。其中，¹⁴C是液態貢獻較大的核素之一，氚和¹⁴C是氣態貢獻較大的核素。氚和¹⁴C對人體內輻射具有較大的劑量貢獻[2]，因此，對核電外圍的氚、¹⁴C水平進行長期監測，對評價輻射環境狀況具有重大意義。但是到目前為止，我國對生物中¹⁴C測量的相關規定及相關文獻的研究較為匱乏[3]。

經過調研可知，測定生物¹⁴C的方法有加速器質譜法、量熱法、液閃計數法等，不同的測量方法對應的制樣方法各有不同，也各有優缺點。加速器質譜法雖然精度較高，但測量成本和制樣要求較髙，在日常的輻射環境監測中，一般不采用這種測量方法;量熱法雖然制樣成本較低，但是測量精度不高且技術不成熟[1];液閃計數法是應用最廣泛的方法，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氣體制取含碳沉淀或溶液，與閃爍液充分混合方能測量。在最新頒布的國標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，但對閃爍液也有特殊要求，且燃燒時樣品會瞬間爆燃，氧彈內部存在極高的溫度和壓力，比較危險。此外，支持氧彈燃燒法的設備較少，目前，世界上僅有美國PARR公司能提供符合標準的氧彈（容積大于1.5L）。總體來說，氧彈燃燒法的應用并不普及。目前，具備廣泛開展條件的制樣方法還是傳統的以生物氧化爐燃燒氧化制樣的液閃計數法。

在利用氧化燃燒法測量生物中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，嚴重拖慢進度，同時還會造成探測下限增加，不利于實際監測。本研究主要探討了生物氧化爐制樣時影響回收率的因素并進行對比。

1基本測量原理

無論哪種測量方法，均可劃分為制樣和測量兩部分。其中，測量部分的測量值完全依賴于液體閃爍體計數器本身的特性，因此，測量結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取樣與預處理

按照標準HJ/T61—2001《輻射環境監測技術規范》相關規定進行生物樣品的采集。從指定的地點采集生物樣品后，將樣品放入塑料袋并送回實驗室。除去雜質、洗滌后稱量樣品鮮重，然后放置在干燥容器中，置于冷凍干機或烘干機中干燥后再稱量干重，計算樣品的含水率。之后將干樣存儲在玻璃廣口瓶中。

為避免交叉污染，不可直接用手接觸樣品。稱重時，需注意脫水后的生物干樣為多孔狀物質，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正中央，以確保燒制時溫度均勻。放置催化劑于催化區中，安裝好封閉法蘭，按照圖1準備好后端吸收裝置，但后端吸收裝置暫時不與石英管出氣口連接。

設置好氧化燃燒區和催化區的加熱溫度控制程序。先在氧化燃燒區通入純氮氣，流速約40mL/min，趕走燃燒區內的空氣，目的是確保石英管內部的二氧化碳被排除。待氮氣通入一段時間（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。

按照設定的加熱溫控程序，氧化燃燒區的溫度將以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、完全氧化，直至樣品舟中幾乎無殘渣。

1.2生物樣中14C比活度的計算

生物樣中14C的比活度通過式（1）計算得到：

由式（1）、式（2）可知，回收率的大小對最后的測量結果和探測下限影響較大，如何提高回收率是整個¹⁴C測量過程中的重難點。縱觀國內外相關參考文獻，對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廠家推薦參數進行樣品制備。

2實驗方法

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間內都超過95.00%，因此，催化劑的種類對回收率影響不大。氧氣比例和燒樣溫度對回收率的影響較大，下面主要探究二者在定量情況下對回收率的影響。

根據山東省地方標準《環境生物氚、碳-14的測定》《氧化燃燒法測量生物介質中有機3H和14C的活度》等，葡萄糖樣品可代表淀粉類生物樣計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，比如在國標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，迅速將有機碳轉化為CO₂，進而提高回收率。但是由于樣品爆燃時會產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壓和溫度，因此，需要盡可能地避免樣品爆燃，以免引發事故。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70

由于不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同[5]，本實驗采用了葡萄糖進行制樣。因此，在氧氣比例研究實驗過程中，在氧化燃燒過程中采用了廠家建議的450℃進行制樣;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，理論上應生成CaCO₃30.30g。其次，每次燒制10.00g純葡萄糖時，需控制氧氣和氮氣流速，改變混合氣體中的氧氣比例進行制樣。制樣完畢后，稱量實際得到的CaCO₃質量，通過公式（3）計算回收率。

值得注意的是，在實驗過程中，當氧氣所占比例超過50.00%以后，樣品極易發生爆燃，因此，氧氣質量分數最大值未超過50.00%。最終實驗測量了10.00%、20.00%、30.00%、40.00%4個氧氣質量分數下的回收率。

最終的實驗結果如圖2所示。當氧氣質量分數為10.00%時，由于樣品不能充分氧化，在氧化燃燒2h后，樣品舟內還有大量殘留灰渣，計算得到的回收率僅為55.43%。當氧氣質量分數上升時，回收率開始大幅提高;當氧氣質量分數超過30.00%時，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。但在實際操作中，為了避免短時間產生太多氣體造成吸收瓶中堿液吸收回流或者吸收不及時，不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同。本實驗僅對葡萄糖樣品在廠家建議的20%氧氣質量分數的條件下測試了350、400、450、500、550℃等5個溫度下的回收率。

在制樣過程中，首先，計算得到使用10.00g純葡萄糖制樣時理論上應生成CaCO₃30.30g。其次，在燒制10.00g純葡萄糖時，調節氧化燃燒區域的溫控曲線，在上述溫度下制樣。制樣完畢后稱量吸收堿液的質量變化，即可得到實際吸收的CO₂質量，二者之比即為回收率。

最終實驗結果如圖3所示。在溫度低于350℃時，由于樣品無法迅速氧化，會產生大量的炭化焦油附著在石英管上，計算得到的回收率僅為35.67%。當制樣溫度上升時，回收率開始大幅提高，逼近80.00%。但當溫度在550℃（遠超廠家建議的450℃）時，樣品發生了爆燃，回收率反而略有下降。

3結論

通過對不同制樣條件下的回收率進行測量，可以得到如下結論：

（1）在一定溫度下，氧氣比例越高，樣品轉化率越高，但在比例超過30.00%后，樣品轉化率變化不大，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，就在氣壓的作用下流出石英管。此外，當氧氣質量分數超過40.00%時，極易發生爆燃現象。綜合考慮以上情況，氧氣比例推薦設為30.00%。

（2）在一定氧氣質量分數下，溫度越高，樣品轉化率越高，但當超過廠家建議的制樣溫度100℃時，轉化率反而下降，原因是樣品此時極易發生爆燃，且短時間內產生CO₂的速率過快，會導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）由于時間有限，實驗的主要關注點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行測量。由于不同生物樣的最佳氧化燃燒溫度不同，建議先將每個生物樣分類，然后對每一類進行最佳制樣溫度的測定，方便以后的監測任務。F976FBC5-D976-4DB3-9C3D-13B2EE44AE70