水體核污染，如何檢測(cè)？

背景

2021年4月13日，日本政府正式?jīng)Q定，計(jì)劃從2023年開始，福島第一核電站核污水經(jīng)過濾并稀釋后將排入大海，國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）調(diào)查團(tuán)分別于2022年2月和11月兩次赴日調(diào)查排海問題。

我們感興趣的放射性物質(zhì)是什么?

以下列出了一些值得關(guān)注的主要物種及其各自的半衰期。半衰期是指一半同位素衰變并趨于穩(wěn)定所需的時(shí)間。

部分放射性核素及其半衰期，改編自(Buesseler Science 2020)。

氚：氫的一種同位素，是水中最豐富的放射性核素，其濃度至少比其他放射性核素高3-4個(gè)數(shù)量級(jí)。然而，多核素去除設(shè)備（ALPS）無法有效地去除氚，因?yàn)殡氨旧?/span>就是水分子的一部分。盡管無法有效地從水中去除氚，但是不用擔(dān)心，因?yàn)殡笆且环N低能的貝塔輻射核素，這個(gè)輻射水平的氚被廣泛認(rèn)為是安全的(Buesseler Science 2020)。

銫：除氚外，銫是含量?jī)H次于氚的污染物。銫也特別值得關(guān)注，因?yàn)樗鼧O易溶于水，而且很容易在地表水和地下水中轉(zhuǎn)移。此外，半衰期的長(zhǎng)度也是一個(gè)問題。銫同時(shí)發(fā)射貝塔和伽馬射線，攝入銫對(duì)人體有害。銫的生物分布傾向于肌肉等組織。這些組織隨后會(huì)受到高能伽馬輻射(CDC)的損害。

鍶：與銫類似，鍶很難從水中去除，而且半衰期同樣長(zhǎng)。與其他放射性核素不同，鍶很難通過ALPS去除。鍶是也是一種發(fā)射射線的物質(zhì)。攝入后，鍶傾向于在骨骼中沉積，增加骨腫瘤形成的可能性(Uesugi, M.; et. al.; Talanta 2018)。

如何檢測(cè)？

這些放射性核素的測(cè)試方法已被廣泛發(fā)展和接受。ALPS除去的62種放射性核素的清單中包含了貝塔和伽馬輻射的混合物。水樣中的伽馬輻射濃度可以用伽馬射線能譜法測(cè)量，而伽馬輻射通常用液體閃爍法測(cè)量。

樣品制備的問題如何解決？

在樣品制備方面，氚是一種特殊的情況，它很難從水中分離出來進(jìn)行測(cè)量，但已經(jīng)存在足夠高的濃度，可以直接從水樣中測(cè)量。其他放射性核素通常需要提取和濃縮步驟 測(cè)量的放射性物質(zhì)。

Empore^TM是一個(gè)有30年歷史的固相萃取(SPE)耗材品牌，由美國(guó)CDS Analytical公司(Oxford, Pennsylvania, USA)生產(chǎn)。其中，Empore^TM RAD系列產(chǎn)品專門用于選擇性地提取放射性的銫和鍶。Empore^TM RAD 固相萃取膜片使用分子識(shí)別技術(shù)選擇性提取和富集放射性物質(zhì)，如銫和鍶。

實(shí)例一：

在這種方法中，首先使用Empore^TMRAD膜片從水樣中選擇性地提取鍶-90，然后采用液體閃爍分析儀法進(jìn)行檢測(cè)。Empore^TM萃取盤的使用是此檢測(cè)方法的關(guān)鍵，此檢測(cè)方法更快速、精度高和重現(xiàn)性好。此方法的檢測(cè)過程和結(jié)果，如下圖所示。(Uesugi, M.; et. al.; Talanta 2018)。

使用Empore輻射SPE盤(左圖)提取鍶的過程，以及測(cè)量的鍶的回收率和放射性(右圖)。

實(shí)例二：

在本方法中，科學(xué)家采用Empore^TM RAD鍶固相萃取膜片，從水樣中選擇性地提取 ¹³⁴鍶和 ¹³⁷銫，然后使用伽馬射線能譜法測(cè)量。下圖中的結(jié)果顯示了一個(gè)孤立的湖泊在4年的時(shí)間里銫放射性的衰敗。研究人員認(rèn)為，銫同位素可以通過湖底轉(zhuǎn)移到福島核電站周圍的其他地區(qū)。利用這些方法，科學(xué)家們正在證明通過地下水系統(tǒng)跟蹤放射化學(xué)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的可能性(Hirayama, Y.; et. al.; J. Environ. Radioact. 2020)。