自上世纪40年代以来，人类核活动向环境中释放了大量的人工放射性核素，并在局部地区造成严重污染。其中，钚和镎的同位素（^{238,239,240,241}Pu和²³⁷Np）因其具有强的 放射性、高化学毒性和环境持久性等特性是核环境安全的重点关注对象，并且由于这些锕系核素的同位素比值（²⁴⁰Pu/²³⁹Pu、²³⁸Pu/^239+240Pu、²⁴¹Pu/^239+240Pu和²³⁷Np/²³⁹Pu）所携带的源项信息，使其作为特征指纹信息广泛地应用于核环境安全、核取证、地球环境过程的示踪以及人类世界限划定等研究中。但是目前环境中这些核素的分析方法检出限高、分析流程复杂费时和抗干扰能力差，难以快速、准确分析环境样品中这些核素的含量和比值。地球环境研究所侯小琳教授研究团队基于三重四级杆电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS/MS）开发了环境样品中^{238,239,240,241}Pu和²³⁷Np的系列快速分离分析方法。

　　方法一建立了高铀样品中超低水平²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu的快速同步分析方法，解决了长期困扰业界的因²³⁸U同质异位素强烈干扰，而无法使用质谱技术测量²³⁸Pu的难题和钚同位素分析需要使用三个不同测量方法完成的困境。通过在化学分离步骤串联两个TK200树脂柱，和仪器测量时使用质量转移模式和碰撞反应气体，使得²³⁸U产生的干扰得到了极其高效地去除，实现了高铀样品（铀含量达到mg/g）中超低水平（10-15 g/g）²³⁸Pu、²³⁹Pu、²⁴⁰Pu、²⁴¹Pu的快速同步分析。仪器探测时间仅为5–10 min，较之前同步分析探测时间缩短了50–200倍，极大地提高了分析测试效率，很好地满足了核应急情况下快速分析的需求。

　　图1. 高铀样品中^{238, 239, 240, 241}Pu的ICP-MS/MS快速同步分析方法示意图

　　方法二基于ICP-MS/MS和固液萃取树脂，开发了一种可用于同步分析环境样品中²³⁷Np、²³⁹Pu和²⁴⁰Pu的方法，针对²³⁷Np没有合适的化学回收率示踪剂的问题，通过严格控制化学分离过程中Np和Pu有高度相似的化学行为，使得²⁴²Pu作为同步分析²³⁷Np和^239,240Pu的化学回收率示踪剂稳定可靠。方法对于²³⁷Np、²³⁹Pu和²⁴⁰Pu的检出限达到了10-15g/g的水平，可用于各类环境固体中该几种核素的准确分析，并且有极强的抗干扰能力。

　　图2. 环境固体中超低水平²³⁷Np、²³⁹Pu和²⁴⁰Pu的同步分析方法示意图

　　该系列成果分别发表在分析化学权威期刊Analytical Chemistry和Talanta上，侯小琳教授为通讯作者，博士研究生黄钊为第一作者。该工作受国家自然科学基金No. 11875261、中国科学院战略性先导专项No. XDB40020104、中国科学院重点部署项目No. ZDBS-SSW-DQC003和中国科学院国际合作项目No. 132B61KYSB20180003的共同资助。

　　文章详情：

1. Huang, Z., Hou, X., & Zhao, X. (2023). Rapid and Simultaneous Determination of ²³⁸Pu, ²³⁹Pu, ²⁴⁰Pu, and ²⁴¹Pu in Samples with High-Level Uranium Using ICP-MS/MS and Extraction Chromatography. Analytical Chemistry, 95(34), 12931–12939.

　2. Huang, Z., Hou, X., Qiao, J., & Zhao, X. (2023). Simultaneous determination of femtogram levels of ²³⁷Np, ²³⁹Pu, and ²⁴⁰Pu in environmental solid samples using extraction chromatography and ICP-MS/MS. Talanta, 265, 124798.

　　https://doi.org/10.1021/acs.analchem.3c02526

　　https://doi.org/10.1016/j.talanta.2023.124798