喀麦隆Balengou高岭土的天然放射性γ/α光谱集成分析及PHITS蒙特卡洛剂量学评估

《Journal of Environmental Radioactivity》：Integrated γ/α spectrometry of natural radioactivity and PHITS Monte Carlo dosimetric assessment of Balengou kaolin, Cameroon

本研究分析喀麦隆Balengou高岭土的放射性特征及健康影响，采用γ射线和α光谱测定铀、钍及钾含量，结合PHITS蒙特卡洛模型评估摄入和皮肤接触的剂量，发现女性消费者结肠和胃部年有效剂量达1.2 mSv，而外部辐射暴露可忽略，为公众认知和后续研究提供数据基础。

　　

蒂埃里·克里斯蒂安·泰拉（Thierry Christian Tella）|塞巴斯蒂安·乔埃尔·冈布·舒奥普（Cebastien Joel Guembou Shouop）|迪厄·苏菲特·贡吉（Dieu Souffit Gondji）|安妮·西尔维·瓦卡塔（Annie Sylvie Wakata）

喀麦隆雅温得第一大学理学院物理系材料科学实验室，邮政信箱812号，雅温得

摘要

本研究调查了巴伦古高岭土（Balengou kaolin）的放射性特征及其潜在的健康影响。这种高岭土在喀麦隆西部广泛开采，被用作建筑材料，并在全国范围内用于土食行为和化妆品用途。研究人员收集了15个高岭土样本和10个周围对照土壤样本，使用NaI(Tl) γ射线光谱仪分析了其中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K的放射性浓度，以确定这种土质建筑材料的环境基线。此外，还对6个选定样本进行了α射线光谱分析，通过放射化学分离和电沉积方法测定了铀和钍的同位素含量。平均放射性浓度分别为：⁴⁰K 118 ± 62 Bq.kg^?1、²²⁶Ra 47 ± 4 Bq.kg^?1、²³²Th 145 ± 9 Bq.kg^?1，由此计算出室内和室外的平均伽马吸收剂量率分别为211.48 nGy h^?1和113.84 nGy h^—1，年有效剂量分别为1.04 mSv.y^—1和0.13 mSv.y^—1。在主要消费巴伦古高岭土的城市地区进行的自愿调查（N = 201人）提供了关于人们摄入和使用高岭土习惯的数据，这些数据被用于PHITS蒙特卡洛剂量计算。根据PHITS和ICRP网格型参考计算模型的估算，摄入和皮肤接触高岭土所导致的器官和有效剂量最高的是结肠和胃部，频繁使用者的剂量达到1.2 mSv.y^—1，而通过化妆品使用造成的外部剂量可以忽略不计（<1 μSv.y^—1）。这种综合方法为巴伦古高岭土在环境、建筑和人类使用方面的放射性影响提供了全面的评估，并为未来的研究和公众意识提升活动建立了参考数据集。

引言

高岭土是一种天然存在的铝硅酸盐矿物，在许多领域都有广泛应用。作为世界上最丰富的高岭土之一，其主要成分是水合氧化铝硅酸盐（kaolinite），化学式为Al₂Si₂O₅(OH)₄（Bonglaisin等，2022；Gouafo等，2022）。由于其细小的颗粒尺寸、吸附能力和化学惰性，高岭土被用于造纸、橡胶增强、石油漂白、制药、传统医药以及陶瓷、玻璃纤维、耐火材料、塑料、矿物棉、陶器、涂料、砖块和水泥等众多工业领域（Bonglaisin等，2022；Buyondo等，2022；Gouafo等，2022；Kussbilo等，2024；Mohamed等，2020；Nko'o等，2025；Pountouenchi等，2023）。

除了工业用途外，高岭土在包括喀麦隆在内的多个非洲国家还具有重要的文化和社会经济作用。在喀麦隆，人们会故意摄入高岭土作为土食行为的一部分，或将其用于皮肤护理。这种做法在女性中尤为普遍，尤其是孕妇，她们认为摄入高岭土可以缓解恶心或补充矿物质营养（Essome等，2017；Njolke和Oluwadamilola，2025）。高岭土从巴伦古等农村矿床手工开采后，当地被用作建筑材料，或运输到雅温得和杜阿拉等大城市，这些地方的消费和化妆品应用最为普遍（Ngomo等，2016）。这两种使用方式分别代表了两种不同的暴露途径：摄入可能导致胃肠道组织受到内部辐射，而皮肤接触则可能导致来自材料中伽马辐射核素的外部辐射。对护肤品和化妆品的研究表明其中含有可能引发这种辐射的放射性核素（Outi和Arrass，2020；Saad Seoud，2018）。

在采矿现场和周边农村社区，高岭土和当地土壤也直接被用作传统住宅的建筑材料。由于这些材料来源于相同的地质构造，对其放射性特性进行评估对于了解环境背景和长期居住可能带来的外部辐射风险至关重要（UNSCEAR，2000）。因此，研究人员收集了土壤样本以确定环境放射性基线，并评估高岭土中放射性核素的富集情况及其对建筑的影响。对于现代建筑，研究表明将高岭土与石灰混合使用可作为粘合剂（Gouafo等，2022）；在参考混凝土中部分替代水泥（Katte等，2021）；或作为额外的胶凝材料（Macka等，2022）。

天然存在的放射性核素，尤其是铀（²³⁸U）和钍（²³²Th）系列以及⁴⁰K同位素，在地壳中普遍存在，并可能根据其矿物学和地球化学特性在土壤中积累。当这些放射性核素被摄入体内时，由于其高线性能量和长期滞留时间，它们可能对胃肠道组织造成显著的内部辐射（ICRP，2006）。相反，当它们存在于建筑材料中或应用于皮肤时，可能会引起外部辐射。然而，这种辐射的程度取决于放射性核素的浓度、暴露时间和来源几何形状。

喀麦隆的中部、沿海、西北部、西南部和北部地区都蕴藏着高岭土矿床（Bonglaisin等，2022；Njoya等，2006）。先前的研究表明，某些高岭土样本中的²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K含量高于UNSCEAR 2000年推荐的世界平均水平（Adagunodo等，2019；Echeweozo和Okeke，2021；Ngachin等，2007；Usikalu等，2022）。然而，关于高岭土摄入和化妆品使用对特定器官的影响的数据非常有限，尤其是针对喀麦隆矿床的数据。大多数研究仅依赖于γ射线光谱法和外部剂量指标（Amissah等，2024），没有直接量化α射线辐射核素或进行解剖学上真实的内部剂量评估。这种方法可能会低估来自铀和钍同位素的器官特定剂量贡献。

计算辐射传输技术的进步使得使用解剖学上真实的人体模型更准确地评估器官剂量成为可能。ICRP开发的网格型参考计算模型利用与参考器官质量和尺寸一致的可变形表面几何形状，结合蒙特卡洛代码（如Particle and Heavy Ion Transport code Systems (PHITS)（Kakino等，2024；Kim等，2020；Ndieula等，2025；Yeom等，2019）能够精确模拟辐射传输和能量沉积。这些模型有助于真实评估内部和外部辐射情况。

本研究旨在评估巴伦古高岭土摄入和化妆品使用对器官和有效剂量的影响，以及将其与当地土壤结合用作建筑材料时的外部辐射贡献。评估基于实验测定的放射性核素浓度和先进的蒙特卡洛模拟，使用网格型参考计算模型进行伽马（²²⁶Ra、²³²Th和⁴⁰K）和α（²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U、²³⁰Th及短寿命²²⁸Th）射线光谱分析，以确定环境基线并评估建筑相关暴露。辐射危害指标（包括吸收剂量率、年有效剂量和镭当量活性）被用来量化高岭土矿工和居住在传统房屋中的人们的外部辐射暴露。通过在线调查收集的喀麦隆各地居民的数据反映了高岭土使用的频率、数量和方式，这些数据被纳入剂量模型中以反映真实的暴露情况。通过将环境特征与解剖学上真实的剂量建模和人群使用模式相结合，本研究提供了对巴伦古高岭土提取、分布和使用的全面辐射评估。

研究区域

本研究在喀麦隆西部地区的巴伦古（Balengou）进行，该地区位于巴祖（Bazou）分区，恩德（Ndé）县境内，纬度约为05°05′–5°10′ N，经度约为10°25′–10°30′ E（Gouafo等，2022）。恩德县属于热带湿润气候，年平均气温为22.9°C，年降水量约为1400毫米（ONACC，2019）。植被以次生森林为主，其间散布着稀树草原和小型农田。

⁴⁰K、²²⁶Ra和²³²Th的放射性浓度

γ射线光谱分析确定了各种样本中⁴⁰K、²²⁶Ra和²³²Th的放射性浓度。这些放射性核素的最低、最高和平均浓度值见表2。⁴⁰K的浓度范围为61 ± 2至634 ± 16 Bq kg^?1，平均值为118 Bq kg^?1。²³²Th和²²⁶Ra的浓度范围分别为106 ± 11至169 ± 17 Bq kg^?1和36 ± 11至73 ± 22 Bq kg^?1。

结论

本研究测定了巴伦古高岭土和土壤中⁴⁰K、²²⁶Ra和²³²Th（γ射线光谱法）以及²³⁸U、²³⁵U、²³⁴U、²³⁰Th和²²⁸Th（α射线光谱法）的放射性浓度。²²⁶Ra和²³²Th的平均比活度分别是全球平均水平的1.3倍和4.8倍，而⁴⁰K的比活度较低。通过对辐射风险参数和指标（包括镭当量、伽马吸收剂量率、年有效剂量等）的评估

作者贡献声明

蒂埃里·克里斯蒂安·泰拉（Thierry Christian Tella）：负责撰写、审稿和编辑；原始草稿的撰写；软件开发；方法论设计；实验研究；数据分析；概念框架的构建。塞巴斯蒂安·乔埃尔·冈布·舒奥普（Cebastien Joel Guembou Shouop）：负责撰写、审稿和编辑；软件开发；方法论设计。迪厄·苏菲特·贡吉（Dieu Souffit Gondji）：负责撰写、审稿和编辑；实验研究；数据分析。安妮·西尔维·瓦卡塔（Annie Sylvie Wakata）：负责撰写、审稿和编辑；项目监督；项目管理。

伦理审批

本研究通过匿名在线调查收集了关于高岭土摄入频率和化妆品使用情况的信息。参与者完全自愿参与，未收集任何可识别个人身份的信息。调查参与者被告知研究目的并同意完成问卷。本研究遵循了赫尔辛基宣言的伦理原则，无需正式的伦理审查。

数据获取

如需获取支持本研究结果的数据，可向相应作者提出合理请求。

资金来源

本研究未获得任何公共、商业或非营利机构的资助。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

作者感谢汉阳大学辐射工程实验室提供MRCP妊娠模型，CNESTEN在α射线光谱分析方面的技术支持，以及喀麦隆核科学技术研究中心（IRGM）在γ射线光谱分析方面的协助。同时，作者感谢日本原子能机构的佐藤达次郎（Tatsuhiko Sato）及其团队在PHITS培训方面的帮助，以及让·费利克斯·贝亚拉·阿特巴（Jean Félix Beyala Ateba）博士的支持。