水體核污染，如何檢測？

背景

2021年4月13日，日本政府正式?jīng)Q定，計劃從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，國際原子能機構（IAEA）調(diào)查團分別于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個數(shù)量級。然而，多核素去除設備（ALPS）無法有效地去除氚，因為氚本身就是水分子的一部分。盡管無法有效地從水中去除氚，但是不用擔心，因為氚是一種低能的貝塔輻射核素，這個輻射水平的氚被廣泛認為是安全的(Buesseler Science 2020)。

銫：除氚外，銫是含量僅次于氚的污染物。銫也特別值得關注，因為它極易溶于水，而且很容易在地表水和地下水中轉移。此外，半衰期的長度也是一個問題。銫同時發(fā)射貝塔和伽馬射線，攝入銫對人體有害。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。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？

這些放射性核素的測試方法已被廣泛發(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量，而伽馬輻射通常用液體閃爍法測量。

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行測量，但已經(jīng)存在足夠高的濃度，可以直接從水樣中測量。其他放射性核素通常需要提取和濃縮步驟 測量的放射性物質(zhì)。

Empore^TM是一個有30年歷史的固相萃取(SPE)耗材品牌，由美國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別技術選擇性提取和富集放射性物質(zhì)，如銫和鍶。

實例一：

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行檢測。Empore^TM萃取盤的使用是此檢測方法的關鍵，此檢測方法更快速、精度高和重現(xiàn)性好。此方法的檢測過程和結果，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，以及測量的鍶的回收率和放射性(右圖)。

實例二：

在本方法中，科學家采用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量。下圖中的結果顯示了一個孤立的湖泊在4年的時間里銫放射性的衰敗。研究人員認為，銫同位素可以通過湖底轉移到福島核電站周圍的其他地區(qū)。利用這些方法，科學家們正在證明通過地下水系統(tǒng)跟蹤放射化學物質(zhì)運動的可能性(Hirayama, Y.; et. al.; J. Environ. Radioact. 2020)。