核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)用ppt課件

1、核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用3中國農(nóng)業(yè)大學(xué)中國農(nóng)業(yè)大學(xué)齊孟文齊孟文 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用 核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 技術(shù)概要技術(shù)概要 一門以粒子與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)一門以粒子與物質(zhì)的相互作用產(chǎn)生的核效應(yīng)與核譜學(xué)為根底的，由多種生的核效應(yīng)與核譜學(xué)為根底的，由多種方法構(gòu)成的分析方法。方法構(gòu)成的分析方法。 該方法普通都具有靈敏、精細(xì)、該方法普通都具有靈敏、精細(xì)、準(zhǔn)確，無需試劑空白、基體效應(yīng)小、非準(zhǔn)確，無需試劑空白、基體效應(yīng)小、非破懷、特異性、多元素分析以及良好的破懷、特異性、多元素分析以及良好的空間及能量分辯率的特點?？臻g及能量分辯率的特點。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用 核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 種類及用途分類 任務(wù)方

2、式 亞類 用途活化分析 瞬發(fā)或緩發(fā)中子、儀器中子活化(INAA) 定性、定 帶電粒子、r光子 放化中子活化(RNAA) 量和化學(xué) 純儀器或有放化 帶電粒子活化(CNAA) 種態(tài) 分別 重離子活化(HIAA) 超熱中子活化(ENAA) 快中子活化(FNAA) 分子活化(MAA) 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用 核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)分類 任務(wù)方式 亞類 用途離子束分析 彈性、非彈性 質(zhì)子激發(fā)X螢光(PIXE) 定性、半定 散射 核反響(NRA) 量及定量 有或無核激發(fā) 盧瑟福背散射(RBS) 分析，元素 常規(guī)或微束 彈性反沖(ERDA) 分布核磁共振 用或不用脈沖 磁角自旋共振 化學(xué)種態(tài) 激發(fā) (MAS-NMR

3、) 構(gòu)造 用或不用同位 磁角共振成象 定量分析 素置換 (MRI) 分布 液體或固體樣 核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)分類 任務(wù)方式 亞類 用途穆斯堡爾譜 發(fā)射或吸收法 構(gòu)造 同位素富集 化學(xué)種態(tài) 低溫 (半)定量同位素稀釋 穩(wěn)定性或放射性 定量分析 直接稀釋 逆稀釋 亞化學(xué)計量 核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)分類 任務(wù)方式 亞類 用途示蹤分析 放射性同位素 放射性自顯影 分布 天然或人工 正電子發(fā)射斷層掃描 動態(tài) 化學(xué)分析或成像 (PET) 機質(zhì) 單光子發(fā)射斷層掃描 定量分析 (SPECT) 核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 科學(xué)意義科學(xué)意義 開創(chuàng)了物質(zhì)構(gòu)造、成份和種態(tài)分析開創(chuàng)了物

4、質(zhì)構(gòu)造、成份和種態(tài)分析的全新方法，為科學(xué)研討和科學(xué)提高奠的全新方法，為科學(xué)研討和科學(xué)提高奠定堅實的根底，與許多傳統(tǒng)學(xué)構(gòu)成了新定堅實的根底，與許多傳統(tǒng)學(xué)構(gòu)成了新的交叉學(xué)科，據(jù)統(tǒng)計，的交叉學(xué)科，據(jù)統(tǒng)計，1944-1994年間，年間，該領(lǐng)域，每該領(lǐng)域，每4-5年就獲得一次諾貝爾獎，年就獲得一次諾貝爾獎，足以闡明核分析技術(shù)及其運用在科學(xué)上足以闡明核分析技術(shù)及其運用在科學(xué)上的前沿與重要性。的前沿與重要性。核分析領(lǐng)域諾貝爾獎統(tǒng)計核分析領(lǐng)域諾貝爾獎統(tǒng)計年份 獲獎?wù)?內(nèi)容 Hevesy G C 放射性示蹤分析和中子活化分析1952 Bloc F , Purcell E M 核磁共振分析法1960 Libby

5、WF 14C定年分析技術(shù)1960 Yalow, Berson 放射性免疫分析技術(shù)1961 Calvin M 14C示蹤法光協(xié)作用研討1961 Mossbauer KL 穆斯堡爾效應(yīng) Housefield, Comark XCT分析技術(shù)1989 Dehmelt H,Paul W 離子阱技術(shù)1991 Neher E, Sakman B 膜片鉗技術(shù)1991 Ernst W 用核磁共振研討生物大分子 Charpak G 多絲正比計數(shù)技術(shù)1994 Shall c, Brookhause B 中子散射分析技術(shù) 核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 環(huán)境學(xué)運用環(huán)境學(xué)運用 包括核分析技術(shù)在內(nèi)的核技術(shù)曾包括核分析

6、技術(shù)在內(nèi)的核技術(shù)曾經(jīng)成為環(huán)境和生態(tài)學(xué)研討的重要手段和經(jīng)成為環(huán)境和生態(tài)學(xué)研討的重要手段和堅實的技術(shù)支撐。為努力推進(jìn)核分析技堅實的技術(shù)支撐。為努力推進(jìn)核分析技術(shù)的開展及其在環(huán)境與安康中的運用，術(shù)的開展及其在環(huán)境與安康中的運用，國際原子能機構(gòu)國際原子能機構(gòu)(IAEA)(IAEA)在在1984-20001984-2000年組年組織了多個相關(guān)工程的國際間協(xié)作研討?？椓硕鄠€相關(guān)工程的國際間協(xié)作研討。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)應(yīng)核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)年份 工程稱號 參與國家1984-1989 用核分析測定人發(fā)礦物質(zhì)含量研討環(huán)境污染對人的影響 141984-1990 用核與有關(guān)技術(shù)測定人體對重要營養(yǎng)元素的攝入量 14198

7、5-1990 測定食品中有毒元素的核分析技術(shù) 111987-1992 用核與有關(guān)技術(shù)研討與固體廢物有關(guān)的環(huán)境污染物 201987-1992 農(nóng)產(chǎn)品與食品監(jiān)測中的核分析技術(shù) 101990-1994 用核與有關(guān)技術(shù)判別特定人群對環(huán)境汞的暴露 101992-1996 微區(qū)核分析的參考物質(zhì) 91992=1997 用核分析技術(shù)研討大氣污染 191993-1998 用同位素示蹤技術(shù)研討骨質(zhì)疏松癥 81994-1999 用放射免疫分析和其它技術(shù)研環(huán)進(jìn)境污染物 81994-1999 亞洲參考人及膳食研討 81995-2000 二級參考物質(zhì)與環(huán)境研討1995-2000 開展中國家的環(huán)境生物監(jiān)測與標(biāo)本庫 核技術(shù)環(huán)

8、境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 1.在大氣環(huán)境研討中的運用 在地球三大生物圈中，大氣圈因流其動性，污染具有更大乃至全球尺度范圍的影響，且環(huán)境生態(tài)效應(yīng)更為復(fù)雜，和人類的安康關(guān)系更為親密，因此遭到特別關(guān)注。大氣固溶體懸浮顆粒物-氣溶膠既是污染物的載體，又是污染物環(huán)境物理化學(xué)和生物效應(yīng)過程的媒介，因此是大氣環(huán)境監(jiān)測、評價及其研討的主要對象。核分析技術(shù)在大氣環(huán)境學(xué)研討中運用的主要方面如下： 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)1氣溶膠容量樣品分析氣溶膠容量樣品分析 容量樣品指有不同粒徑或同一粒徑分級的大量粒容量樣品指有不同粒徑或同一粒徑分級的大量粒子混合而構(gòu)成的樣品。子混合而構(gòu)成的樣品。分析目的分析目的

9、 監(jiān)測污染及其程度，以及污染的來源和各種污染監(jiān)測污染及其程度，以及污染的來源和各種污染源的奉獻(xiàn)，以便為環(huán)境整治提供科學(xué)的決策根據(jù)。源的奉獻(xiàn)，以便為環(huán)境整治提供科學(xué)的決策根據(jù)。分析特點分析特點 氣溶膠濃度氣溶膠濃度gm-3-mg m-3和元素濃度和元素濃度10-3ngm-3ngm-3)低低,要求測定方法靈敏度高準(zhǔn)確度好。要求測定方法靈敏度高準(zhǔn)確度好。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 分析特點分析特點 氣溶膠是含有多種元素的復(fù)雜體系，元素氣溶膠是含有多種元素的復(fù)雜體系，元素間的相關(guān)關(guān)系常用于鑒別物染來源和利用分擔(dān)間的相關(guān)關(guān)系常用于鑒別物染來源和利用分擔(dān)方程計各污染源的奉獻(xiàn)方程計各污染源的奉獻(xiàn)

10、 ，這需求能多元素同時，這需求能多元素同時測定且基體效應(yīng)小的分析方法。測定且基體效應(yīng)小的分析方法。 氣溶膠常含有不溶性物質(zhì)或易揮發(fā)元素，氣溶膠常含有不溶性物質(zhì)或易揮發(fā)元素，因此需非破壞的方法。因此需非破壞的方法。 為滿足所述要求，中子活化為滿足所述要求，中子活化NAA)與與質(zhì)子激發(fā)質(zhì)子激發(fā)X熒光熒光(PIXE)及同步輻射及同步輻射X熒光熒光SR-XRF)分析常用于氣溶膠的分析。分析常用于氣溶膠的分析。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué) 2)氣溶膠顆粒分析氣溶膠顆粒分析 同一排放源的單顆粒氣溶膠其化學(xué)組成具有均一同一排放源的單顆粒氣溶膠其化學(xué)組成具有均一性，在遷移過程較少改動，因此攜有污染源

11、排放物的性，在遷移過程較少改動，因此攜有污染源排放物的信息，可更準(zhǔn)確的了解污染來源及特征；同時由單顆信息，可更準(zhǔn)確的了解污染來源及特征；同時由單顆粒分析還可獲得顆粒形貌、元素分布、外表富集及濃粒分析還可獲得顆粒形貌、元素分布、外表富集及濃度變化等信息，為顆粒的構(gòu)成機制、來源識別和生態(tài)度變化等信息，為顆粒的構(gòu)成機制、來源識別和生態(tài)效應(yīng)提供更準(zhǔn)確更靈敏的分析方法。效應(yīng)提供更準(zhǔn)確更靈敏的分析方法。 最新的單顆粒氣溶膠分析法是掃描質(zhì)子微探針技術(shù)最新的單顆粒氣溶膠分析法是掃描質(zhì)子微探針技術(shù)SPM)，它是將粒子微束流技術(shù)與質(zhì)子，它是將粒子微束流技術(shù)與質(zhì)子X螢光相結(jié)合螢光相結(jié)合的用于物質(zhì)成份分析的技術(shù)，其具

12、有的用于物質(zhì)成份分析的技術(shù)，其具有m級的空間分級的空間分辨率和辨率和g/g程度的靈敏度，可對常量或微量元素進(jìn)展程度的靈敏度，可對常量或微量元素進(jìn)展多元素分析。多元素分析。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)2.2.在環(huán)境有害物質(zhì)研討中的運用在環(huán)境有害物質(zhì)研討中的運用1 1環(huán)境有害重金屬環(huán)境有害重金屬 生物有毒重生物有毒重屬屬,Cd,Pb,Hg,Zn,Cu,Co,Ni,Sn,Ba ,Cd,Pb,Hg,Zn,Cu,Co,Ni,Sn,Ba 和和SbSb等。等。目前最關(guān)注的是目前最關(guān)注的是Cd,PbCd,Pb和和HgHg，它們是人體非，它們是人體非必需的，但可在體內(nèi)富集，影響代謝和酶必需的，但可在體

13、內(nèi)富集，影響代謝和酶系統(tǒng)，對人體危害極大。系統(tǒng)，對人體危害極大。NAANAA不僅是監(jiān)測環(huán)不僅是監(jiān)測環(huán)境境Cd,PbCd,Pb和和HgHg最靈敏的方法，而且是研討其最靈敏的方法，而且是研討其分布、遷移、轉(zhuǎn)化和富集規(guī)律的有效方法。分布、遷移、轉(zhuǎn)化和富集規(guī)律的有效方法。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)2 有機鹵素污染物有機鹵素污染物 環(huán)境激素污染物中，有機鹵素污染物占很大環(huán)境激素污染物中，有機鹵素污染物占很大比列，由于其比列，由于其三致三致作用和環(huán)境去除慢的特性，作用和環(huán)境去除慢的特性，對環(huán)境生態(tài)和人類安康危害極大。有機鹵素污染對環(huán)境生態(tài)和人類安康危害極大。有機鹵素污染物種類多，含量低，樣品基

14、體效應(yīng)大，用常用的物種類多，含量低，樣品基體效應(yīng)大，用常用的色譜及色質(zhì)聯(lián)用，因要預(yù)處置，漏檢嚴(yán)重，能檢色譜及色質(zhì)聯(lián)用，因要預(yù)處置，漏檢嚴(yán)重，能檢出的僅占出的僅占NAA檢出的一小部分，因此不能客觀平檢出的一小部分，因此不能客觀平價其實踐污染程度。價其實踐污染程度。 鹵素因同位素鹵素因同位素37Cl,39Br和和123I具有豐度高，具有豐度高，熱中子截大，生成核的半衰期適中，熱中子截大，生成核的半衰期適中，r譜易丈量，譜易丈量，特別適宜采用特別適宜采用NAA進(jìn)展分析。進(jìn)展分析。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)主要環(huán)境激素有機鹵素和重金屬污染物主要環(huán)境激素有機鹵素和重金屬污染物注：注： PCD

15、D/Fs(二惡英二惡英)，PCBs(多氯聯(lián)多氯聯(lián)苯苯),DDT(滴滴涕滴滴涕).類別 稱號農(nóng)藥及降解物 DDD 、DDE、 DDT、 HCH 、氯丹、殺毒酚、狄氏劑等工業(yè)原料和制廢品 PCHs 、PBBs等渣滓及廢物熄滅 PCDD/Fs等重金屬 Cd、 Pb 、Hg 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)鹵素同位素鹵素同位素37Cl,39Br和和123I的性質(zhì)的性質(zhì)特性 37Cl 39Br 123I核素的豐度(%) 24.23 50.69 100熱中子截面(b) 0.428 8.5 6.2新核的半衰期(min) 37.24 17.68 24.99新核r射線能量(MeV) 1.642 0.617

16、0.443 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)3.在稀土元素環(huán)境行為研討中的運用在稀土元素環(huán)境行為研討中的運用 稀土元素稀土元素(REE=Lalu和和Y,共共16種種是一較特殊的元素族，在生物圈含量低，是一較特殊的元素族，在生物圈含量低，且常相伴依存。我國稀土資源豐富，因其且常相伴依存。我國稀土資源豐富，因其的增產(chǎn)作用，已在農(nóng)業(yè)消費中大量施用，的增產(chǎn)作用，已在農(nóng)業(yè)消費中大量施用，因此其環(huán)境學(xué)行為遭到極大關(guān)注，成為環(huán)因此其環(huán)境學(xué)行為遭到極大關(guān)注，成為環(huán)境生態(tài)研討的熱點。目前其分析方法有：境生態(tài)研討的熱點。目前其分析方法有：傳統(tǒng)法如分光光度法，等離子光譜法；核傳統(tǒng)法如分光光度法，等離子光譜法；核

17、分析方法，如射線熒光分析，同位素稀釋分析方法，如射線熒光分析，同位素稀釋質(zhì)譜和中子活化分析等，但首推的方法為質(zhì)譜和中子活化分析等，但首推的方法為中子活化法。中子活化法。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)4.在元素種態(tài)與環(huán)境效應(yīng)研討中的運用 元素種態(tài)是指其化學(xué)賦存形狀，即在樣品中的化學(xué)形狀、在組分中的分布和結(jié)合及作用形狀。元素的種態(tài)不同，其環(huán)境與生物作用也常不同，如六價鉻較三價鉻的毒性大;而三價砷較五價砷的毒性大；有機汞(如甲基汞的毒性遠(yuǎn)超越無雞汞。各元素的毒理作用除與其含量有關(guān)外，更主要的是取決于其化學(xué)形狀。微量元素種態(tài)及其環(huán)境和生物效應(yīng)是環(huán)境學(xué)研討中最緊逼的課題，為應(yīng)對這一挑戰(zhàn)，相關(guān)核分

18、析技術(shù)將發(fā)揚其宏大作用。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)1 1分子活化分析技術(shù)分子活化分析技術(shù) 分子活化分析分子活化分析(Molecular Activation (Molecular Activation Analysis,MAA)Analysis,MAA) 是指將元素形狀分別，如化學(xué)的、色譜的、是指將元素形狀分別，如化學(xué)的、色譜的、物化的等分別，與高靈敏的物化的等分別，與高靈敏的NAANAA、PIXEPIXE等核分析等核分析相結(jié)合，從分子或細(xì)胞程度實現(xiàn)元素化學(xué)分析的相結(jié)合，從分子或細(xì)胞程度實現(xiàn)元素化學(xué)分析的一種現(xiàn)代核分析技術(shù)。其能給出元素在樣品組分，一種現(xiàn)代核分析技術(shù)。其能給出元素在

19、樣品組分，如細(xì)胞、亞細(xì)胞、大分子等組分中的分布及化學(xué)如細(xì)胞、亞細(xì)胞、大分子等組分中的分布及化學(xué)形狀。形狀。 核10技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)2 2核微探針分析技術(shù)核微探針分析技術(shù) 核微探針分析核微探針分析Nuclear Microprobe)Nuclear Microprobe)是將是將射線微束技術(shù)，即將粒子加速器產(chǎn)生的高能離子射線微束技術(shù)，即將粒子加速器產(chǎn)生的高能離子束準(zhǔn)直、聚焦成微束用于對樣品進(jìn)展掃描的技術(shù)，束準(zhǔn)直、聚焦成微束用于對樣品進(jìn)展掃描的技術(shù)，與與PIXEPIXE、XAS(X-ray absorption XAS(X-ray absorption spectroscope

20、)spectroscope )、NRANRA、NBSNBS、ERDAERDA及溝道效應(yīng)等及溝道效應(yīng)等核分析技術(shù)相結(jié)合，對諸如氣溶膠單顆粒、單細(xì)核分析技術(shù)相結(jié)合，對諸如氣溶膠單顆粒、單細(xì)胞等微小樣品或樣品上的微區(qū)進(jìn)展高空間分辯率胞等微小樣品或樣品上的微區(qū)進(jìn)展高空間分辯率的多元素?zé)o損分析的技術(shù)，其空間分辯達(dá)微米級，的多元素?zé)o損分析的技術(shù)，其空間分辯達(dá)微米級，最常見的最常見的PIXEPIXE微探針分析靈敏度優(yōu)于微探針分析靈敏度優(yōu)于1 1 10-6.10-6.一一次分析能同時獲得微區(qū)元素分布和內(nèi)部構(gòu)造的多次分析能同時獲得微區(qū)元素分布和內(nèi)部構(gòu)造的多種信息。種信息。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)3

21、x射線吸收近邊譜分析技術(shù) 元素對軟x射線的具有吸收邊特性階躍對應(yīng)于殼電子的束縛能，同步輻射單色光的近邊吸收譜X-ray absorption near edge structure,XANES,邊前30eV到邊后50eV)的能量分辯率可做到小于eV的程度，以呼應(yīng)元素因化學(xué)環(huán)境變化的邊能量吸收的改動，因此可由價電子態(tài)和邊吸收位移的關(guān)系的XANES測定，確定元素的化學(xué)價態(tài)或配位情況。 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)在環(huán)境學(xué)研討中的幾個熱點領(lǐng)域1污染物的種態(tài)及毒理研討 污染物的種態(tài)是決議其環(huán)境毒理學(xué)行為的重要因子，因此成為研討的熱點領(lǐng)域，分子活化技術(shù)為其重要手段。有關(guān)研討如下：元素 主要研討內(nèi)

22、容Hg 汞在母子體的轉(zhuǎn)移及遺傳毒性I 海藻I種態(tài)及人肝亞細(xì)胞中分布REE 天然植物中稀土元素大分子Cr 在鼠器官中的亞細(xì)胞分布Se 在人肝中的亞細(xì)胞分布Ar 在天然水樣中的化學(xué)種態(tài)及毒性PEG 在堆積環(huán)境中的種態(tài)及富集機制 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)2單顆粒氣溶膠的分析 單顆粒氣溶膠污染物的測定，是識別污染源、研討其構(gòu)成和遷移及生態(tài)效應(yīng)最靈敏的方法，該研討以核微探針為根本手段。3遺傳毒性污染物的分析 許多具有遺傳毒性的有機污染物，其特征是與DNA構(gòu)成加合物，由于外來物的含量很低，其測普通要依賴加速質(zhì)譜Accelerator Mass Spectrometry,AMS),靈敏度可達(dá)1DNA個加合物/1011DNA. 核技術(shù)環(huán)境學(xué)運用核分析技術(shù)與環(huán)境科學(xué)4)環(huán)境分析質(zhì)量控制 用于環(huán)境分析質(zhì)量控制的參考物標(biāo)定，核分析方法，尤其是中子活化法占很大的比重。5) 環(huán)境污染生物監(jiān)測 用敏感生物作為指示物監(jiān)測環(huán)境污染情況，具有大范圍、長期監(jiān)測、無人監(jiān)守、方便價廉