钚是人类核活动释放到环境中的主要人工放射性元素，包括²³⁸Pu、²³⁹Pu、 ²⁴⁰Pu和²⁴²Pu等四种主要放射性同位素。不同来源的钚具有不同的同位素组成(如²⁴⁰Pu/²³⁹Pu比值)，根据样品中不同钚同位素组成这一指纹特征，可以追踪环境中放射性物质的来源，并用于与核扩散、核走私以及核恐怖等相关的核诊断研究。另外释放于环境中的钚同位素也可以用土壤侵蚀、大气颗粒物形成、传输路径和形成机理研究，以及近80年来的年代指标。传统的钚同位素测量方法为放射性衰变测量法，如阿尔法能谱、液体闪烁谱等，对于长寿命钚同位素的测量灵敏度较低、分析时间长。近年来质谱测量技术被广泛用于钚同位素的测量。但是由于土壤等环境样品中的钚含量（<10^-12g/g）较低，同时存在有大量铀，其中²³⁸U对钚同位素(²³⁹Pu，²⁴⁰Pu）的测量存在严重干扰，影响分析探测限和分析准确度。

最近，中国科学院地球环境研究所环境放射性研究组，针对高水平铀样品中痕量钚同位素的测量挑战，基于串联等离子体质谱仪(ICP-MS-MS)和碰撞反应原理，结合放射化学分离，建立了一种高铀浓度环境样品中痕量钚同位素的分析方法。通过对于不同碰撞反应气在消除²³⁸U干扰上的行为和对测量灵敏度影响的研究，发现NH₃和CO₂作为碰撞反应气体均可有效去除²³⁸U¹H和²³⁸U¹H₂对²³⁹Pu和²⁴⁰Pu测量的干扰，其中CO₂的性能更优。另外还发现He作为碰撞气体可以大幅提高钚同位素分析灵敏度（3倍）。在最佳条件下，可将²³⁸U的干扰降低至10^-8量级，比目前已报道值低2个量级以上。这主要是由于CO₂作为反应气体，可以将UH⁺和U⁺有效转化为UO⁺ 和UO₂⁺，从而极大的消除了²³⁸U¹H⁺的干扰，而Pu⁺与CO₂的反应性较低，大部分仍保留为Pu⁺, 从而极大的改善了高铀样品中超微量²³⁹Pu和²⁴⁰Pu测定，使得该方法对²³⁹Pu和²⁴⁰Pu的探测极限达到10^-16克量级。结合使用TEVA树脂的萃取色谱分离除去样品中的基体组分和主要铀，该方法可准确测定²³⁸U/²³⁹Pu > 10¹²的高铀含量样品中10^-16克量级的超微量²³⁹Pu和²⁴⁰Pu。本方法为钚同位素在土壤侵蚀、核诊断、沉积物定年和洋流循环等示踪应用提供了保障。

该项目得到科技部基础性工作专项、中国科学院国际合作局国际伙伴计划、国家自然科学基金、国家大气中污染成因与治理攻关项目等项目的资助。

详文及链接见：

1）  Shan Xing, Weichao Zhang, Jixin Qiao, Xiaolin Hou*. Determination of ultra-low level plutonium isotopes (²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu) in environmental samples with high uranium [J]. Talanta, 2018, 187: 357-364.

https://doi.org/10.1016/j.talanta.2018.05.051

2）  Xiaolin Hou*, Weichao Zhang, Yanyun Wang. Determination of Femtogram-Level Plutonium Isotopes in Environmental and Forensic Samples with High-Level Uranium Using Chemical Separation and ICP-MS/MS Measurement [J]. Analytical Chemistry, 2019, 91: 11553-11561. 

https://doi.org/10.1021/acs.analchem.9b01347

              图1 以CO₂-He作为碰撞反应气为例，ICP-MS-MS对于U⁺的去除和Pu⁺的测量