碳-14，既是天然放射性核素，又是人工放射性核素，半衰期5 730年^[1-2]，为纯β放射性衰变，发射的β粒子最大能量为156.5 keV，平均能量为49.5 keV，穿透能力弱，外照射影响可忽略不计。但碳-14广泛分布于生物圈内，碳元素是生物体的主要组成之一，以¹⁴CO₂形态存在的¹⁴C会和环境中非放射性CO₂混合，通过大气循环和动植物代谢过程，进入到环境介质和生物体中，并在体内聚集^[3]。碳-14不仅具有长寿期的特性，还有很高的同位素交换率、易被活机体吸收同化，会对人体组织器官产生持续较大的内照射危害^[4]。开展生物中碳-14的分析测量方法研究，具有重要意义。

生物样品中碳-14的测量方法主要有苯合成法、加速器质谱法、二氧化碳吸收法等。苯合成法是通过一系列反应使生物样品氧化燃烧生成的二氧化碳合成苯，最后用液体闪烁能谱仪测量的方法^[5]，具有较高的检测精度，但制备流程长，成本高；加速质谱法采取索氏提取经酸碱洗涤、真空氧化、催化合成后用质谱仪测量^[6]，具有灵敏度高、所需样品用量少、测量时间短的优点，但由于加速器质谱仪测量方法价格昂贵，难以普遍应用^[7]；二氧化碳吸收法是将生物样品干燥、氧化燃烧，生成的二氧化碳用碱液吸收后、经处理生成碳酸钙沉淀，最后用液体闪烁能谱仪测量，分析流程简单、成本低。本文通过使用水分测定仪和元素分析仪，优化了二氧化碳吸收法，建立了一种生物中碳-14的分析测量方法。

1 材料与方法 1.1 设备和材料

超低本底液体闪烁能谱仪（Quantulus 1220型，PerkinElmer公司生产），水分测定仪（MA150型，Sartorius公司生产），元素分析仪（SJQTY-5000型，鹤壁市三杰仪器仪表有限公司生产），管式氧化炉（RS120型，Nabertherm公司生产），分析天平（BSA224S-CW型，Sartorius公司生产），烘箱，氯化铵、氯化钙、无水碳酸钙、氢氧化钠、闪烁液、低钾玻璃计数瓶、碳-14标准粉末、高纯氧气、高纯氮气等。

1.2 原理

水分测定仪测量生物样品的含水率的同时将样品干燥，干燥样品经催化与氧气反应生成的二氧化碳，经氢氧化钠溶液吸收后与氯化钙溶液反应，生成碳酸钙沉淀，液体闪烁能谱仪和元素分析仪分别测试碳酸钙沉淀中碳-14的活度浓度和干燥样品的碳元素含量，经计算得生物样品中碳-14的活度浓度。

1.3 步骤 1.3.1 样品处理

取15～20 g混匀的生物样品放入水分测定仪样品盘内，设定水分测定仪温度为105℃，测量生物样品的含水率ω₁，并将样品干燥。准确称取研磨成粉末的干燥样品50 mg，用元素分析仪测试干燥样品的碳元素含量ω₂。

将干燥样品粉末装入管式氧化炉，检查气密性后，接通氧气，升高管式氧化炉温度，让生物干样在催化剂的作用下氧化燃烧，并用50 mL 6.0 mol/L的氢氧化钠吸收液吸收反应生产的二氧化碳。

用氯化铵调节吸收液的pH至10～11，缓慢加入饱和氯化钙溶液至碳酸钙沉淀完全析出，抽滤，并依次用蒸馏水和无水乙醇分别清洗碳酸钙沉淀3次，再次沉淀并置于105℃烘箱内烘干至恒重^[8-9]。

1.3.2 样品测量

准确称取2.000 g碳酸钙沉淀于20 mL低钾玻璃计数瓶，加入4.00 mL去离子水和14.0 mL闪烁液，震荡摇匀、用酒精棉球擦拭外壁、避光12 h后，用液体闪烁能谱仪测量300 min。

按上述方法准确称取无水碳酸钙粉末和碳-14标准粉末，分别制备并测量本底样品和标准样品。

1.4 公式

仪器探测效率计算见公式 1）：

$ E = \frac{{{N_B} - {N_0}}}{{60 \times {A_0}}} \times 100\% $

(1)

式中：N_B是标准样品计数率，min⁻¹；N₀是本底样品计数率，min⁻¹；A₀是碳-14标准粉末活度浓度，Bq。

生物中碳-14的活度浓度计算见公式 2）：

$ A = \frac{{(N - {N_0}) \times {\omega _2} \times \left( {1 - {\omega _1}} \right)}}{{60 \times E \times m \times 12.0\% }} \times1\;000 $

(2)

式中：A是生物中碳-14的活度浓度，Bq/kg；N 是样品计数率，min⁻¹；12.0%是碳元素占碳酸钙的质量分数；E是仪器对碳-14的探测效率，%；m是测量碳酸钙样品的质量，g；ω₂是干燥样品的碳元素含量，%；ω₁是生物样品含水率，%。

探测下限计算见公式 3）：

$ MDL = \frac{{4.65 \times \sqrt {{N_0}/{t_0}} \times {\omega _2} \times \left( {1 - {\omega _1}} \right)}}{{60 \times E \times m \times 12.0\% }} \times1\;000 $

(3)

式中：MDL是生物中碳-14的探测下限，Bq/kg；t₀是本底样品计数时间，300 min。

1.5 不确定度

该方法的不确定度来源主要包括生物样品含水率测量不确定度、干燥样品碳元素含量测量不确定度、放射性测量计数不确定度等方面。

1.5.1 生物样品含水率、干燥样品碳元素含量测量不确定度

对同一生物样品的含水率ω₁进行10次重复测量，其相对标准偏差即生物样品含水率测量不确定度；对同一干燥样品碳元素含量ω₂重复10次测量，其相对标准偏差为干燥样品碳元素含量测量不确定度。

1.5.2 样品的放射性测量计数不确定度计算

见公式 4）：

$ \mu =\frac{\sqrt{N/t+{N}_{0}/{t}_{0}}}{N-{N}_{0}} $

(4)

式中：μ是样品放射性测量计数不确定度。

1.5.3 测量结果的扩展不确定度计算

见公式 5）：

$ U = k\sqrt {\mu _A^2 + \mu _B^2} $

(5)

式中：U是扩展不确定度；k是包含因子，一般取2，相应置信度约为95 %；μ_A是A类不确定度；μ_B是B类不确定度。A类不确定度是通过对观测列进行统计分析的方法来评定的标准不确定度，如由统计计数引入的不确定度等。B类不确定度是通过不同于对观测列进行统计分析的方法来评定的标准不确定度，如液体闪烁能谱仪、水分测定仪、元素分析仪等设备校准引入的不确定度。

2 结　果 2.1 方法验证内容

参考《环境监测分析方法标准制修订技术导则》^[10]，4个实验室对方法的精密度、准确度、探测下限等进行验证。为确保实验数据准确可靠，根据《辐射环境监测技术规范》^[11]中相关规定对验证过程实施质量控制。其中，液体闪烁能谱仪、电子天平等仪器设备均经计量部门检定合格或校准，且在有效期内。

2.2 精密度

4个实验室分别对含碳-14活度浓度约为7.45 Bq/kg和34.4 Bq/kg的统一生物样品进行6次重复测试，实验室内相对标准偏差分别为6%～17%，6%～13 %；实验室间相对标准偏差分别为14%，7.8%，测试结果见表1。

2.3 准确度

4个实验室分别对已知含碳-14活度浓度为34.4 Bq/kg的统一生物样品进行6次重复测试，实验室内相对误差最大值为19%，测试结果见表2。

2.4 探测下限

制备碳-14本底样品并进行测量，并将各测量结果换算为生物样品的探测下限，以7次测量结果的平均值作为实验室的探测下限，以各实验室探测下限的最大值为该方法的探测下限。经测量，样品1生物样品含水率约90%，干燥样品碳元素含量约40%时，探测下限为2.62 Bq/kg，样品2生物样品含水率约70%，干燥样品碳元素含量约50%时，探测下限为13.2 Bq/kg，测量结果见表3。

3 讨　论

该方法测试结果表明，该方法的精密度、正确度分别满足《辐射环境监测技术规范》^[11]中相对标准偏差不大于30%、相对误差不大于20%的要求，探测下限满足全国辐射环境监测质量保证方案要求。

精密度测试结果表明，活度浓度较大的样品实验内相对标准偏差和实验室间相对标准偏差较小，这与该方法测试结果的不确定度主要来源于样品的放射性测量计数不确定度有关。已知活度浓度样品的实验室内相对误差测试结果表明，实验室a、b的测试结果误差较大，实验室c、d的测试结果误差较小，可能与不同实验室刻度液闪效率引入的系统偏差有关。探测下限受仪器设备、样品含水率、样品碳元素含量影响较大，探测下限随测试仪器本底、样品碳元素含量的降低而降低，随仪器探测效率、样品含水率的降低而增大。

本研究使用水分测定仪测试生物样品的含水率的同时制备生物干样，使用元素分析仪测试干燥样品碳元素含量，提高样品含水率和干燥样品碳元素含量测量的精密度和准确度，简化了样品真空冷冻干燥和氧化炉回收率等操作流程，分析测量结果更多地依靠仪器设备，降低了实验人员操作差异对测试结果的影响。