用于环境和生物分析样品中148Gd分析的放射性分析方法

《Applied Radiation and Isotopes》：Radioanalytical method for 148Gd analysis in environmental and bioassay samples

本研究开发了用于检测和定量环境及生物样本中镝-148的稳健放射分析方法，结合离子交换、萃取色谱和电沉积技术生产高纯度α谱测量源，化学回收率26%-60%，检测限低至0.23 mBq/g（土壤）和0.28 mBq/L（水），适用于中子链式反应源（ESS）的辐射应急准备。

　　

格热戈日·奥尔谢夫斯基（Grzegorz Olszewski）| 保琳娜·特鲁斯科夫斯卡（Paulina Truszkowska）| 伊布蒂萨姆·优素福（Ibtisam Yusuf）| 哈坎·B.L. 彼得松（H?kan B.L. Pettersson）| 亚历山大·马卢塞克（Alexandr Malusek）

波兰格但斯克大学化学系环境化学与放射化学教研室，毒理学与辐射防护实验室，Wita Stwosza 63号，80-308格但斯克

摘要

这种稳健的放射分析方法专为检测和定量环境样品及生物分析样品中的¹⁴⁸Gd而开发，不仅高效，而且能够很好地适应不同的样品基质。该方法满足了中子散裂设施（如欧洲散裂源（ESS）在放射应急准备方面的关键需求。该方法结合了多步离子交换、萃取色谱和电沉积技术，生成了适用于直接测量这种难以测量的纯α发射体的高纯度α光谱源。化学回收率从26%（空气过滤器）到60%（土壤）不等，最低可检测活性分别为：土壤0.23 mBq g^-1，水0.28 mBq L^-1（采集时间为25小时）。该方法的高选择性、灵敏度以及对土壤、水和空气过滤器等多种基质的适应性，使其适用于广泛的环境和生物分析样品。这一经过验证的程序填补了应急响应中的关键分析空白，并可应用于其他与核安全相关的长寿命α发射体，体现了其在该领域的重要贡献。

引言

位于瑞典隆德的欧洲散裂源（ESS）将使用5兆瓦的质子束撞击钨靶以产生用于科学研究的中子。这种高能散裂过程不可避免地会产生与典型裂变产物不同的多种放射性核素。在严重事故情况下（例如全功率运行时冷却系统发生灾难性故障），钨靶可能会过热、熔化并氧化，从而通过设施的减压系统以气溶胶颗粒的形式释放出数十公斤的活化钨及其相关放射性产物。之前已有文献和报告描述了ESS散裂源可能发生的应急情景（Barkauskas和Stenstr?m，2020年；Blixt Buhr等人，2018年；Olszewski等人，2021年）。

在释放的放射性核素中，¹⁴⁸Gd由于其长半衰期（T_1/2=86.9 ± 3.9年（Chiera等人，2023年）和α衰变分支比Iα =100%（能量Eα =3182.787 keV（Tuli，1989年））而被认为是内部辐射剂量的主要贡献者，导致ICRP吸收类型M和S的吸入剂量系数分别为2.5×10^?6和7.4×10^?6 Sv/Bq，以及摄入剂量系数为5.6×10^?8 Sv/Bq（基于OIR Data Viewer 5.27.9.21版本）。

在质子辐照的钨基质中会形成大量的¹⁴⁸Gd，操作模拟预测在ESS运行五年后其活性将达到10¹⁴ Bq的数量级（R??f等人，2020年）。¹⁴⁸Gd不产生伽马辐射，这使得传统监测技术难以检测到它。此外，作为氧化物颗粒的低溶解度意味着吸入后其在体内的清除速度较慢，增加了内部暴露的风险。由于缺乏关于钆化合物的生物动力学数据，目前只能依赖替代模型进行剂量评估，这引入了一定的不确定性。

在环境和生物分析样品中定量¹⁴⁸Gd存在分析挑战。作为一种纯α发射体，它属于难以测量的放射性核素（DTM），需要通过放射化学分离和α光谱法进行检测。现有的应急监测系统主要针对伽马发射体，不适合直接检测¹⁴⁸Gd污染，而是依赖使用共产生的伽马发射同位素（如¹⁴⁶Gd、¹⁵³Gd）进行间接评估，这进一步增加了不确定性。

已经提出了多种方法来检测像¹⁴⁸Gd这样的长寿命α发射放射性核素。间接方法通常包括HPGe伽马光谱法和转换比率分析，但这些方法存在生产比率变化、衰变校正以及环境传输行为不稳定的问题（Engelbrecht和Schwaiger，2008年；R??f等人，2020年）。ICP-MS可以定量稳定或短寿命的钆同位素，但对¹⁴⁸Gd缺乏特异性，需要通过替代模型进行剂量估算。α光谱法仍然是检测¹⁴⁸Gd最敏感和直接的方法，但需要大量的放射化学分离步骤以去除基质干扰（Talip等人，2017年）。

Talip等人（Talip等人，2017年）和Olszewski等人（Olszewski等人，2021年）之前的工作展示了使用稳定或添加¹⁴⁸Gd的概念验证方法，但缺乏在多种实际样品基质（如空气过滤器、土壤、水和尿液）中的全面验证。因此，迫切需要一种经过验证且具有适应性的方法，能够在超痕量水平上定量¹⁴⁸Gd，特别是在中子散裂设施的放射应急准备背景下。

本研究的目的是基于之前开发的¹⁴⁸Gd分析方法（Olszewski等人，2021年；Talip等人，2017年），验证一种用于分离和定量生物分析（尿液）和环境样品（土壤、水、空气过滤器）中¹⁴⁸Gd的稳健放射分析方法。

样品

在波兰格但斯克收集了土壤（2克）、自来水（2升）和尿液样本（各1升，共5份）。尿液样本来自两名成年男性和两名成年女性以及一名儿童，采集时间均为24小时。使用的膜过滤器（约0.02克）为市售的混合纤维素酯（MCE）过滤器。

试剂

所有试剂均为分析级。主要化学品包括硝酸（HNO₃，65%）、盐酸（HCl，37%）、硫酸（H₂SO₄，95%）和氨水（NH₃·H₂O，25%）。

α光谱法

分析得到的¹⁴⁸Gd α光谱质量很高，半高宽（FWHM）值介于22至40 keV之间（平均：32 keV，图2）。多步分离过程显示出对钆的高选择性，有效去除了基质干扰，生成了均匀的α光谱源。电极板上未检测到任何干扰元素（图3）。电镀源的均匀性和纯度得到了确认。

回收率变异性

在整个研究过程中，观察到尿液、水和空气过滤器子样本中¹⁴⁸Gd的回收率存在差异（表2）。尿液的回收率变异性可能与尿液成分的变化有关。24小时内的尿量及其矿物质组成受多种生理、饮食和环境因素的影响，包括液体摄入量、肾功能、饮食以及整体健康状况。考虑到这些因素，我们可以预期……

结论

开发并验证了一种稳健的多步放射分析方法，用于定量复杂环境样品（土壤、水、空气过滤器）和生物分析样品（尿液）中的¹⁴⁸Gd。该方法结合了离子交换、萃取色谱和电沉积技术，生成了背景低、分辨率高的高纯度α光谱源。化学回收率从26%（空气过滤器）到60%（土壤）不等，最低可检测活性分别为：土壤0.23 mBq g^-1。

CRediT作者贡献声明

格热戈日·奥尔谢夫斯基（Grzegorz Olszewski）：概念设计、数据整理、数据分析、研究、初稿撰写。 伊布蒂萨姆·优素福（Ibtisam Yusuf）：撰写、审稿与编辑。 保琳娜·特鲁斯科夫斯卡（Paulina Truszkowska）：数据分析、撰写、审稿与编辑。 亚历山大·马卢塞克（Alexandr Malusek）：概念设计、资金获取、项目管理、撰写、审稿与编辑。 哈坎·B.L. 彼得松（H?kan B.L. Pettersson）：概念设计、监督、撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

? 作者声明以下可能的利益冲突：亚历山大·马卢塞克（Alexandr Malusek）表示获得了瑞典辐射安全局的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

作者衷心感谢瑞典辐射安全局（SSM）的财政支持（项目编号SSM2023-4665）。使用了AI工具ChatGPT（OpenAI，2025）协助文献检索，并提高了手稿的清晰度和语言表达。所有内容均由作者审核和最终确定。