核技术环境学应用3

1、核技术环境学应用核技术环境学应用3中国农业大学中国农业大学齐孟文齐孟文 核技术环境学应用 核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 技术概要技术概要 一门以粒子与物质的相互作用产生的核效应与核谱学为基础的，由多种方法构成的分析方法。 该方法一般都具有灵敏、精密、准确，无需试剂空白、基体效应小、非破怀、特异性、多元素分析以及良好的空间及能量分辩率的特点。 核技术环境学应用 核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 种类及用途分类 工作方式 亚类 用途活化分析 瞬发或缓发中子、仪器中子活化(INAA) 定性、定 带电粒子、r光子 放化中子活化(RNAA) 量和化学 纯仪器或有放化 带电粒子活化(C

2、NAA) 种态 分离 重离子活化(HIAA) 超热中子活化(ENAA) 快中子活化(FNAA) 分子活化(MAA) 核技术环境学应用 核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学分类 工作方式 亚类 用途离子束分析 弹性、非弹性 质子激发X萤光(PIXE) 定性、半定 散射 核反应(NRA) 量及定量 有或无核激发 卢瑟福背散射(RBS) 分析，元素 常规或微束 弹性反冲(ERDA) 分布核磁共振 用或不用脉冲 磁角自旋共振 化学种态 激发 (MAS-NMR) 结构 用或不用同位 磁角共振成象 定量分析 素置换 (MRI) 分布 液体或固体样 核技术环境学应核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学

3、分类 工作方式 亚类 用途穆斯堡尔谱 发射或吸收法 结构 同位素富集 化学种态 低温 (半)定量同位素稀释 稳定性或放射性 定量分析 直接稀释 逆稀释 亚化学计量 核技术环境学应核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学分类 工作方式 亚类 用途示踪分析 放射性同位素 放射性自显影 分布 天然或人工 正电子发射断层扫描 动态 化学分析或成像 (PET) 机质 单光子发射断层扫描 定量分析 (SPECT) 核技术环境学应核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 科学意义科学意义 开创了物质结构、成份和种态分析的全新方法，为科学研究和科学进步奠定坚实的基础，与许多传统学形成了新的交叉学科，据统计，1

4、944-1994年间，该领域，每4-5年就获得一次诺贝尔奖，足以说明核分析技术及其应用在科学上的前沿与重要性。核分析领域诺贝尔奖统计核分析领域诺贝尔奖统计年份 获奖者 内容 Hevesy G C 放射性示踪分析和中子活化分析1952 Bloc F , Purcell E M 核磁共振分析法1960 Libby WF 14C定年分析技术1960 Yalow, Berson 放射性免疫分析技术1961 Calvin M 14C示踪法光合作用研究1961 Mossbauer KL 穆斯堡尔效应 Housefield, Comark XCT分析技术1989 Dehmelt H,Paul W 离子阱技术

5、1991 Neher E, Sakman B 膜片钳技术1991 Ernst W 用核磁共振研究生物大分子 Charpak G 多丝正比计数技术1994 Shall c, Brookhause B 中子散射分析技术 核技术环境学应核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 环境学应用环境学应用 包括核分析技术在内的核技术已经成为环境和生态学研究的重要手段和坚实的技术支撑。为致力推动核分析技术的发展及其在环境与健康中的应用，国际原子能机构(IAEA)在1984-2000年组织了多个相关项目的国际间协作研究。 核技术环境学应核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学年份 项目名称 参加国家1984-1

6、989 用核分析测定人发矿物质含量研究环境污染对人的影响 141984-1990 用核与有关技术测定人体对重要营养元素的摄入量 141985-1990 测定食品中有毒元素的核分析技术 111987-1992 用核与有关技术研究与固体废物有关的环境污染物 201987-1992 农产品与食品监测中的核分析技术 101990-1994 用核与有关技术判断特定人群对环境汞的暴露 101992-1996 微区核分析的参考物质 91992=1997 用核分析技术研究大气污染 191993-1998 用同位素示踪技术研究骨质疏松症 81994-1999 用放射免疫分析和其它技术研环进境污染物 81994-

7、1999 亚洲参考人及膳食研究 81995-2000 二级参考物质与环境研究1995-2000 发展中国家的环境生物监测与标本库 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 1.在大气环境研究中的应用在大气环境研究中的应用 在地球三大生物圈中，大气圈因流其动性，污染具有更大乃至全球尺度范围的影响，且环境生态效应更为复杂，和人类的健康关系更为密切，因此受到特别关注。大气固溶体悬浮颗粒物-气溶胶既是污染物的载体，又是污染物环境物理化学和生物效应过程的媒介，因此是大气环境监测、评价及其研究的主要对象。核分析技术在大气环境学研究中应用的主要方面如下： 核技术环境学应用核分析技术与环境科学

8、核分析技术与环境科学1）气溶胶容量样品分析）气溶胶容量样品分析 容量样品指有不同粒径或同一粒径分级的大量粒子混合而构成的样品。 分析目标分析目标 监测污染及其程度，以及污染的来源和各种污染源的贡献，以便为环境整治提供科学的决策依据。 分析特点分析特点 气溶胶浓度（gm-3-mg m-3）和元素浓度（10-3ngm-3ngm-3)低,要求测定方法灵敏度高准确度好。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 分析特点分析特点 气溶胶是含有多种元素的复杂体系，元素间的相关关系常用于鉴别物染来源和利用分担方程计各污染源的贡献 ，这需要能多元素同时测定且基体效应小的分析方法。 气溶胶常含

9、有不溶性物质或易挥发元素，因此需非破坏的方法。 为满足所述要求，中子活化（NAA)与质子激发X荧光(PIXE)及同步辐射X荧光（SR-XRF)分析常用于气溶胶的分析。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学 2)气溶胶颗粒分析气溶胶颗粒分析 同一排放源的单颗粒气溶胶其化学组成具有均一性，在迁移过程较少改变，因此携有污染源排放物的信息，可更精确的了解污染来源及特征；同时由单颗粒分析还可获得颗粒形貌、元素分布、表面富集及浓度变化等信息，为颗粒的形成机制、来源识别和生态效应提供更准确更灵敏的分析方法。 最新的单颗粒气溶胶分析法是扫描质子微探针技术（SPM)，它是将粒子微束流技术与质

10、子X萤光相结合的用于物质成份分析的技术，其具有m级的空间分辨率和g/g水平的灵敏度，可对常量或微量元素进行多元素分析。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学2.2.在环境有害物质研究中的应用在环境有害物质研究中的应用1 1）环境有害重金属）环境有害重金属 生物有毒重属,Cd,Pb,Hg,Zn,Cu,Co,Ni,Sn,Ba 和Sb等。目前最关注的是Cd,Pb和Hg，它们是人体非必需的，但可在体内富集，影响代谢和酶系统，对人体危害极大。NAA不仅是监测环境Cd,Pb和Hg最灵敏的方法，而且是研究其分布、迁移、转化和富集规律的有效方法。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析

11、技术与环境科学2） 有机卤素污染物有机卤素污染物 环境激素污染物中，有机卤素污染物占很大比列，由于其三致作用和环境清除慢的特性，对环境生态和人类健康危害极大。有机卤素污染物种类多，含量低，样品基体效应大，用常用的色谱及色质联用，因要预处理，漏检严重，能检出的仅占NAA检出的一小部分，因此不能客观平价其实际污染水平。 卤素因同位素37Cl,39Br和123I具有丰度高，热中子截大，生成核的半衰期适中，r谱易测量，特别适合采用NAA进行分析。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学主要环境激素有机卤素和重金属污染物主要环境激素有机卤素和重金属污染物注： PCDD/Fs(二恶英)，

12、PCBs(多氯联苯),DDT(滴滴涕).类别 名称农药及降解物 DDD 、DDE、 DDT、 HCH 、氯丹、杀毒酚、狄氏剂等工业原料和制成品 PCHs 、PBBs等垃圾及废物焚烧 PCDD/Fs等重金属 Cd、 Pb 、Hg 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学卤素同位素卤素同位素37Cl,39Br和和123I的性质的性质特性 37Cl 39Br 123I核素的丰度(%) 24.23 50.69 100热中子截面(b) 0.428 8.5 6.2新核的半衰期(min) 37.24 17.68 24.99新核r射线能量(MeV) 1.642 0.617 0.443 核技术环

13、境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学3.在稀土元素环境行为研究中的应用在稀土元素环境行为研究中的应用 稀土元素(REE=Lalu和Y,共16种）是一较特殊的元素族，在生物圈含量低，且常相伴依存。我国稀土资源丰富，因其的增产作用，已在农业生产中大量施用，因此其环境学行为受到极大关注，成为环境生态研究的热点。目前其分析方法有：传统法如分光光度法，等离子光谱法；核分析方法，如射线荧光分析，同位素稀释质谱和中子活化分析等，但首推的方法为中子活化法。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学4.在元素种态与环境效应研究中的应用 元素种态是指其化学赋存状态，即在样品中的化学形态

14、、在组分中的分布和结合及作用状态。元素的种态不同，其环境与生物作用也常不同，如六价铬较三价铬的毒性大;而三价砷较五价砷的毒性大；有机汞(如甲基汞的毒性远超过无鸡汞。各元素的毒理作用除与其含量有关外，更主要的是取决于其化学形态。微量元素种态及其环境和生物效应是环境学研究中最紧逼的课题，为应对这一挑战，相关核分析技术将发挥其巨大作用。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学1 1）分子活化分析技术）分子活化分析技术 分子活化分析(Molecular Activation Analysis,MAA) 是指将元素形态分离，如化学的、色谱的、物化的等分离，与高灵敏的NAA、PIXE等核

15、分析相结合，从分子或细胞水平实现元素化学分析的一种现代核分析技术。其能给出元素在样品组分，如细胞、亚细胞、大分子等组分中的分布及化学形态。 核10技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学2 2）核微探针分析技术）核微探针分析技术 核微探针分析（Nuclear Microprobe)是将射线微束技术，即将粒子加速器产生的高能离子束准直、聚焦成微束用于对样品进行扫描的技术，与PIXE、XAS(X-ray absorption spectroscope )、NRA、NBS、ERDA及沟道效应等核分析技术相结合，对诸如气溶胶单颗粒、单细胞等微小样品或样品上的微区进行高空间分辩率的多元素无

16、损分析的技术，其空间分辩达微米级，最常见的PIXE微探针分析灵敏度优于110-6.一次分析能同时获得微区元素分布和内部结构的多种信息。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学3）x射线吸收近边谱分析技术 元素对软x射线的具有吸收边特性（阶跃对应于壳电子的束缚能），同步辐射单色光的近边吸收谱（X-ray absorption near edge structure,XANES,边前30eV到边后50eV)的能量分辩率可做到小于eV的水平，以响应元素因化学环境变化的边能量吸收的改变，因此可由价电子态和边吸收位移的关系的XANES测定，确定元素的化学价态或配位情况。 核技术环境学应

17、用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学在环境学研究中的几个热点领域1）污染物的种态及毒理研究 污染物的种态是决定其环境毒理学行为的重要因子，因而成为研究的热点领域，分子活化技术为其重要手段。有关研究如下：元素 主要研究内容Hg 汞在母子体的转移及遗传毒性I 海藻I种态及人肝亚细胞中分布REE 天然植物中稀土元素大分子Cr 在鼠器官中的亚细胞分布Se 在人肝中的亚细胞分布Ar 在天然水样中的化学种态及毒性PEG 在沉积环境中的种态及富集机制 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学2）单颗粒气溶胶的分析 单颗粒气溶胶污染物的测定，是识别污染源、研究其形成和迁移及生态效应最灵敏

18、的方法，该研究以核微探针为基本手段。3）遗传毒性污染物的分析 许多具有遗传毒性的有机污染物，其特征是与DNA形成加合物，由于外来物的含量很低，其测一般要依赖加速质谱（Accelerator Mass Spectrometry,AMS),灵敏度可达1DNA个加合物/1011DNA. 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学4)环境分析质量控制 用于环境分析质量控制的参考物标定，核分析方法，尤其是中子活化法占很大的比重。5) 环境污染生物监测 用敏感生物作为指示物监测环境污染状况，具有大范围、长期监测、无人监守、方便价廉、特异性好等优点，生物指示物的分析主要采用核分析方法。6）生物环境标本库 标本库主要作为实物档案，用于未来回顾 的比对分析，对于说明污染何时何地发生，以及分析和预测环的演变及趋势具有重要意义。入库标本的分析在许多方面是核分析完成的，国际上的标本库均建在核分析中心。 核技术环境学应用核分析技术与环境科学核分析技术与环境科学7）工作场所曝露水平 曝露研究一是监测工作人员在场所的曝露水平，二是低剂量曝露毒理学及危险性平价。因涉及的剂量低，基体复杂，