激光燒蝕—多接收電感耦合等離子體質譜法測定鈾顆粒物中鉛雜質的同位素比值

汪偉+李志明+徐江+周國慶+翟利華+李梅+粟永陽+韋冠一

摘要 為有效獲取鈾顆粒物中具有取證價值的鉛雜質同位素信息，建立了激光燒蝕-多接收電感耦合等離子體質譜（LA-MC-ICP-MS）測定鈾顆粒物中鉛雜質同位素比值的方法。探究了諸多同位素分餾效應校正方法下鉛本底對同位素測量的影響，選用的LA-MC-ICP-MS系統的本底對比值測量結果的影響小于0.001（208Pb的信號強度大于2.2×103 cps），確定采用NIST SRM612為外標校正質量分餾，固定激光束斑直徑30 μm、脈沖重復率20 Hz、調節能量密度使LA-MC-ICP-MS分析NIST SRM612和鈾顆粒物樣品所得208Pb分別小于1.5×105 cps和3×104 cps，標準物質CRM124-4樣品中206Pb/208Pb、206Pb/207Pb和207Pb/208Pb比值測量結果的相對實驗標準不確定度小于0.48%、0.68%和0.40%。實際樣品分析結果表明，本方法可有效區分鈾顆粒物中的鉛同位素比值差異，有助于鑒別其來源。

關鍵詞 鈾顆粒物；鉛雜質；同位素比值；激光燒蝕-多接收電感耦合等離子體質譜

2016-03-07收稿；2016-04-26接受

E-mail： YQ250003@nint.ac.cn

1 引 言

核取證是核安全的重要組成部分[1]。來自核材料、核設施及周邊環境樣品的含鈾顆粒物包含核材料和核活動的敏感信息，鈾顆粒物分析已成為核取證最有效的分析手段之一[2，3]。238U， 235U和232Th經一系列放射性衰變最終形成穩定的206Pb， 207Pb和208Pb，在不同鈾礦中鉛同位素組成可能存在一定的差異[4，5]，經一系列化學物理操作生產的鈾材料中殘留的鉛雜質的同位素比值也是存在差異的，這種差異反映了不同鈾材料產品的生產工藝和產地信息。因此，高精度分析鈾顆粒物中鉛雜質同位素組成具有重要的取證學意義[1]。

質譜法是進行鉛同位素分析的主要方法，熱表面電離質譜法（TIMS）、電感耦合等離子體質譜法（ICP-MS）、多接收電感耦合等離子體質譜法（MC-ICP-MS）等都被應用于鉛同位素分析[6，7]，這些方法均需要對樣品進行化學處理，過程繁瑣、費時，容易造成沾污，所得結果代表樣品中鉛同位素比值的平均結果。相比之下，采用激光燒蝕（Laser ablation，簡稱LA）實現固體直接進樣，從而消除或減小樣品制備過程中環境和試劑中鉛本底對樣品的沾污[6～9]，實現快速、原位、微區分析，獲得更有指向性的元素含量和同位素信息。激光燒蝕-電感耦合等離子體質譜（LA-ICP-MS）和激光燒蝕-多接收電感耦合等離子體質譜（LA-MC-ICP-MS）已成為固體樣品中鉛同位素分析的主要方法之一[10～12]，并建立內標歸一化法、固體外標法、聯用膜去溶在線校正和液體外標校正等校正技術[6～8，12]。

目前，LA-ICP-MS和LA-MC-ICP-MS在核安全領域主要用于含鈾顆粒物中鈾同位素比值分析[13，14]。對粒徑75 μm以上的鈾顆粒物，LA-MC-ICP-MS高精度準確測量鈾全同位素比值所消耗的樣品量為少量[15]，可以做到微損分析，并獲得鈾顆粒物中其它元素的同位素比值信息[16]。鈾顆粒物中鉛的質量分數一般在10 6量級甚至更低，也可能因包裝、存儲和運輸僅在樣品表面沾污極少量的鉛，在考慮保存證據、避免儀器和實驗室沾污的燒蝕參數下，采用的燒蝕激光功率不能過大，這樣致使208Pb信號強度可能小于104 cps，系統本底的干擾成為LA-MC-ICP-MS分析鈾顆粒物中鉛同位素比值的主要挑戰之一。另外，固體樣品中的鉛在燒蝕過程中的質量分餾不明顯[7，12]，基體效應不嚴重[12]，在被分析核素信號弱且穩定性差情況下，用外標參考物質校正質量分餾效應的基體匹配對分析精度的影響可忽略[15～17]。

本研究分析了系統鉛本底值，以NIST SRM612為外標校正鈾顆粒物中鉛同位素在LA-MC-ICP-MS中的質量分餾效應，建立鈾顆粒物中鉛雜質同位素（206Pb， 207Pb和208Pb）比值的測量方法，并應用于實際鈾顆粒物樣品分析。

2 實驗部分

2.1 儀器與試劑

New Wave Up213型激光燒蝕進樣系統（美國New Wave公司）；Nu Plasma型MC-ICP-MS和DSN-100型膜去溶進樣系統（英國Nu Instruments公司）。

CRM124-4：天然豐度鈾同位素組成的八氧化三鈾基體雜質定量標準物質（美國新布倫瑞克實驗室），Pb的質量分數為5.8×10 6。NIST SRM612：硅酸鹽玻璃標準物質（美國標準技術研究院），Pb的質量分數為3.857×105。NIST SRM981： Pb同位素豐度標準（美國標準技術研究院），酸消解后制備成工作溶液，Pb的質量分數約為5×10 7。NIST SRM997： Tl同位素豐度標準（美國標準技術研究院），酸消解后制備成工作溶液，Tl的質量分數約為5×10 7。天然鈾工作溶液： CRM124-4經酸消解制得，238U的質量分數約為1010。鈾礦顆粒物： 鈾同位素為天然豐度組成，黑色，產自四川。鈾材料表面氧化物碎屑： 鈾同位素為天然豐度組成，黑色，產自西安。實驗室用水為超純水，由Milli-Q凈化水裝置制得；實驗室用HNO3由Mos級HNO3經2次亞沸蒸餾提純，使用時新配， 以降低鉛的本底值。

2.2 CRM124-4中鉛同位素比值測量

CRM124-4是雜質定量分析標準物質（鉛質量分數為5.8 × 10 6），但未給出其中的鉛同位素比值，采用內標法[7]對其中的鉛同位素比值進行標定。CRM124-4溶樣后經化學分離除鈾，以鉛同位素標樣NIST SRM981的酸消解溶液為質量控制標樣，分別在CRM124-4和NIST SRM981的溶液中按Tl： Pb約1∶3[12]加入Tl同位素標樣NIST SRM997的酸消解溶液，采用法拉第杯檢測器接收離子流，用MC-ICP-MS測定CRM124-4和NIST SRM981中的鉛同位素比。按約95%置信度（包含因子k=2）評定不確定度，結果見表1。表中數據表明，NIST SRM981的測量結果在不確定度范圍內與其參考值符合，CRM124-4給出了實測值， 并評定了不確定度。

2.3 系統鉛本底評估

通用的LA-MC-ICP-MS系統包括聯用膜去溶（DSN）的雙氣流路校正系統[12，15]和無DSN的LA-MC-ICP-MS系統[7，9]，本研究對這兩種系統的鉛本底值進行了分析和比較。

2.3.1 聯用DSN的雙氣流路校正系統 采用新的炬管、采樣錐、截取錐、同心霧化器和進樣管道，DSN由5%HNO3和2%HNO3清洗至本底，以Ar為剝蝕氣體和等離子體支持氣體，DSN進樣天然鈾工作溶液優化參數[15]，清洗20 min。設置本底和樣品的積分時間均為30 s，DSN依次進樣聚四氟乙烯試劑瓶盛裝的超純水和新配置的2% HNO3，連續測量4次鉛本底測量的平均值I0及其標準偏差σ見表2。另外，DSN進樣鉛質量分數約10 10的NIST SRM981工作溶液30 min后，難以在20 min內將DSN中208Pb本底值清洗至600 cps以下。結果表明，系統鉛本底易受試劑和DSN記憶效應的影響，清洗至低本底需要較長時間。

2.3.2 無DSN的LA-MC-ICP-MS 聯用激光燒蝕進樣系統和質譜系統，以NIST SRM612優化系統后的主要參數見表3。固定激光器預熱時間30 s、束斑直徑30 μm和脈沖重復率20 Hz，以燒蝕速度3 μm/s、激光能量密度4.9 J/cm2的激光持續燒蝕進樣NIST SRM612（I2081.5×105 cps）20 min，以能量密度0.09 J/cm2的激光燒蝕CRM124-4（I2084×103 cps）10 min，清洗20 min，檢測鉛的本底I0。

2.4 鉛雜質同位素比值的LA-MC-ICP-MS測量方法

聯用激光燒蝕進樣系統和質譜系統，以NIST SRM612為外標（206Pb/208Pb和206Pb/207Pb的參考值分別為0.462000±0.000007和1.10224±0.00003[11]），采用“標樣-樣品-標樣”的順序測量樣品鉛同位素比值的單次測量流程為： （1）將雙面膠帶裝載[14]的樣品和NIST SRM612同時放入剝蝕池內；（2）獲得穩定的離子計數器檢測效率后，在點燒蝕模式下，固定束斑直徑30 μm和脈沖重復率20 Hz，調節激光能量密度使LA-MC-ICP-MS分析NIST SRM612所得208Pb信號強度（I208）<1.5×105 cps，連續測量NIST SRM612直至鉛同位素比值的相對變化小于0.2%；（3）載氣吹掃至本底后，激光聚焦于樣品上表面，在點燒蝕模式下，調節激光能量密度， 使LA-MC-ICP-MS分析樣品產生的I208<3×104 cps，設置燒蝕時間為30 s，測量樣品中鉛同位素比值；（4）再次測量NIST SRM612中鉛同位素比值，以樣品測量前后NIST SRM612中鉛同位素比值測量結果的平均值外標校正樣品中鉛同位素比值的測量值。

3 結果與討論

3.1 LA-MC-ICP-MS系統206Pb， 207Pb和208Pb系統本底值的測量

按照2.3.2節的方法檢測鉛的本底值I0，結果見表4。表2和表4的結果表明： 相比于雙氣流路校正系統，無DSN的LA-MC-ICP-MS系統空白本底和扣除本底引入206Pb， 207Pb和208Pb信號強度的不確定度更低；鉛本底為天然豐度組成時，204Pb存在來自載氣的204Hg干擾（204Hg約150 cps）。由于鈾顆粒物中204Pb含量一般低于10 7，弱信號強度下扣除204Hg干擾會導致204Pb相關同位素比值測量結果精度較差，為避免儀器沾污，未測量204Pb相關同位素比值。

實驗結果表明，采用無DSN的LA-MC-ICP-MS系統，當208Pb的信號強度大于2.2×103 cps時，氣體空白本底引入206Pb， 207Pb和208Pb信號強度的相對不確定度小于0.4%，由此引入天然豐度比值206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb的不確定度（μ本底）分別小于0.0011， 0.0010和0.0005。綜上所述，聯用激光燒蝕進樣系統和質譜系統的LA-MC-ICP-MS系統比雙氣流路校正系統的LA-MC-ICP-MS系統更適合鈾顆粒物中鉛雜質和表面沾污鉛的同位素比值分析。

3.2 模擬樣品CRM124-4測量結果

以八氧化三鈾基體的顆粒物雜質標樣CRM124-4為模擬樣品評估方法的可行性。燒蝕過程中，在CCD相機下觀察到燒蝕點表面的樣品被逐層燒蝕，形成燒蝕坑（類似文獻[15]的圖5），典型的208Pb信號曲線見圖1，圖中一個點代表約1 s內信號強度的平均值。

選擇粒徑75～200 μm的CRM124-4進行6次獨立測量，優先選擇 208Pb信號高于2×103 cps的信號曲線段進行積分，信號曲線積分區間內208Pb信號強度的平均值為2.2×103～5.1×103 cps。測量結果平均值的實驗標準偏差按A類標準不確定度μA評定，按A類評定不確定度和扣除本底引入不確定度μ本底之間相關性為0評定兩者的合成實驗標準不確定度μ，206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb的校正結果見表5，以NIST SRM612為外標校正質量分餾，LA-MC-ICP-MS對CRM124-4中206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb測量結果的相對實驗標準不確定度分別小于0.48%， 0.68%和0.40%，測量結果在不確定范圍內與參考值符合。

實驗結果表明，以NIST SRM612為外標校正質量分餾，LA-MC-ICP-MS可準確測量鈾顆粒物中鉛雜質的同位素比值（206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb）。

3.3 實際樣品測量結果

為評估方法的應用能力，將四川產鈾礦顆粒物和西安產鈾氧化物碎屑（均為天然豐度鈾同位素組成的黑色顆粒物）裝載于同一雙面膠帶的不同區域，采用建立的鉛雜質同位素比值分析方法對樣品依次進行6次獨立測量，206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb的測量結果見表6。與表5中模擬樣品CRM124-4的結果相比，實際樣品中鉛雜質同位素比值的測量精密度較差，可能與實際樣品致密程度、樣品中鉛含量和含量分布等因素有關。由表6可知，在不確定度范圍內，鈾礦顆粒物和鈾材料氧化物碎屑中鉛同位素組成顯著不相同，能夠達到區別鈾同位素均為天然豐度鈾顆粒物的核取證目的。

此外，鈾顆粒物中鉛雜質的同位素比值還包含了核材料的年齡、產地和生產工藝等信息[4，5，7]，基于NIST SRM612外標校正質量分餾測量鉛雜質同位素比值的LA-MC-ICP-MS分析技術可能實現不同來源核材料的溯源分析。

4 結 論

本研究建立了外標法測量鈾顆粒物樣品中鉛雜質同位素比值的LA-MC-ICP-MS分析方法。本方法對75～200 μm的鈾顆粒物中206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb和207Pb/208Pb測量的相對實驗標準不確定度可分別小于0.48%， 0.68%和0.40%，準確反映樣品中鉛同位素組成信息，本方法可以有效區別鉛同位素比值存在一定差異的鈾顆粒物，有望為核取證領域提供技術支持。下一步將降低系統Hg本底水平，建立高精度測量204Pb同位素比值方法。

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Abstract The isotopic abundance of lead as a signature or fingerprint in uranium has played an important role in nuclear forensics analysis. In this work， a novel analytical approach is presented to determine the isotopic abundance of lead in uranium particles by laser ablation multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry （LA-MC-ICP-MS）. External standardization method is involved in correcting the mass fractionation in the process of analysis. The approach has been successfully validated by the measurement of CRM124-4 standard reference material. Spot size and ablation rate are set at 30 μm and 20 Hz， respectively. Laser energy density is under control to ensure that the 208Pb for NIST SRM612 and uranium particles are less than 1.5×105 cps and 3×104 cps， respectively. The results show that the relative uncertainty of 206Pb/208Pb， 206Pb/207Pb and 207Pb/208Pb ratios in CRM124-4 are less than 0.48%， 0.68% and 0.40%， respectively. Two kinds of uranium particles originated from different places have been analyzed by the proposed approach. The results demonstrate that the distinct lead isotope signatures can offer a number of evidence to determine whether the uranium particles have come directly from a mining operation or an ore-body， or whether it is anthropogenic.

Keywords Uranium particles； Lead； Isotope ratios； Laser ablation multiple collector inductively coupled plasma mass spectrometry