综述-中子活化分析的应用

中子活化分析的应用情况
王家豪PB5061384
摘要就中子活化分析的应用情况的评述, 包括中子活化分析技术在考古学、土壤科学、地质学、环境分析、材料行业和流行病学，食品安全，法医学等领域中的应用。

关键词中子活化分析应用考古学土壤科学地质学环境科学材料流行病学
前言
中子活化分析（NAA）具有很高的的准确性和可靠性，其准确度在5％左右，相对精度通常优于0.1％[1]。

NAA可以测定多达74种元素，并且检测限很低，从1～106ng/g不等。

其还具有样本量小（1-200mg）,不必用化学试剂处理样品，对样品无损等优点。

中子活化分析的应用已经有相当长时间的历史，自从1936年被Hevesy 和Levi发明后不久就得到了广泛应用，并且相对成熟。

虽然现在已经有了ICP-AES和PIXE等方法，但是由于NAA的独特优点，其目前的全球应用仍非常广泛行分析。

因此本文对中子活化分析的应用情况进行介绍，包括考古学、土壤科学、地质学、环境分析、材料行业和流行病学，食品安全，法医学几个方面。

1.考古学
使用中子活化分析来确定文物标本（如陶器[2,3]，黑曜石[4]，燧石[5]）等的元素特征，并将其与对应文物的来源联系起来。

在过去的十数年中，考古学家通过对42,000多个标本中的大约三十种元素的分析，已经积累了大量的粘土，黑曜岩，燧石和玄武岩的化学指纹数据库。

这些数据库与强大的多元统计方法（即主成分分析，因子分析，判别分析和马氏距离概率）相结合，可以使很多考古文物的来源具有高度的可信性。

这些来源信息可以帮助考古学家重建史前人类的习惯。

在中国的考古界主要用于对陶瓷类文物的分析，具体的有对于陶瓷年代的鉴定[6]，古瓷的着色机理[7]，同一产地出产陶瓷的年代划分[8]，陶瓷起源的探究等[9,10]。

2.土壤科学
农业上需要使用大量的化学品如化学肥料，除草剂，杀虫剂等，其中难以降解的化学物质被雨水冲刷后可进入土壤或随水流移动，用稳定的示踪剂（溴化物等）来标记这些化合物，，再用NAA来分析土壤，土壤学家可以量化在各种环境和土地利用影响下的农用化学品的分布。

在1998年一项研究中，作者应用低浓度的Br作为示踪剂，研究了农业小分子化学物质渗入深层土壤的路径和这个过程中在什么深度会有最大的残留量等[11]。

3.地质学
通过中子活化分析对岩石样品中的稀土元素和其他微量元素进行分析，可以帮助地球化学家研究不同岩石的形成过程。

除了对地球化学过程进行建模之外，中子活化分析在地质学上的其他应用还包括矿床的定位和地质事件的分析。

例如，近年来我国活化分析工作者与地质学家合作, 发展了深部隐伏矿探测的“地气法”, 即通过收集和测定深部矿体金属气溶胶经地壳毛细作用, 升至地面的气体中的多种痕量元素, 推断矿体的存在。

通过NAA在意大利和丹麦发现形成于6500万年前的石灰石矿床中异常高浓度的铱，该研究结果支持这样的理论，即在大型陨石撞击地球之后不久就发生了恐龙的灭绝。

此外，通过NAA对地质样品中某些特定元素的分析, 可以为火山成因说、混合说等不同地质模型提供证据。

NAA还可广泛用于陨石学研究, 宇宙尘的研究, 宇宙成因的研究等。

4.环境分析
中子活化分析可以对环境样本中的不同污染元素进行含量测定，从而推断环境状况。

例如在水污染研究中的应用，可吸附性卤素素(AOX)是一项表征有机卤化物的国际水质指标，2013年的一项研究中[12]，作者采用中子活化技术测定了某纸浆厂污水和医院污水可吸附有机卤素的含量，结果表明，纸浆厂和医院污水中的有机卤素含量均远远超过河水自来水等对照组，以有机氯含量为例，纸浆厂造纸污水，医院废水，河水，自来水中的有机氯含量（ug/L-1）分别为157.8，357.6，7.5-88.4，8.5-62.3。

医院和造纸厂的废水污染问题不容忽视。

也可用对大气污染物颗粒的研究，在2007年的一篇论文中[13]，作者对北京周边的PM10和PM2.5颗粒进行采样测量，得到了其中元素的精确含量与相对比例，主要元素有In,Cl,Ag,Au,Hg,Zn等，从而为得知污染源，进行相应的调控提供了一定的依据。

在固体污染物方面，中子活化分析也有应用，比如煤质的分析，部分原煤中含有大量的砷，铬等有害元素，在2001年发表的一项研究中[14]，作者运用中子活化分析，对云，贵，川三地产的原煤进行了分析，获知了不同产地的原煤的污染元素的含量，对于开发优质资源，减少燃煤带来的环境污染有一定的参考意义。

同样的，在2014年的一项研究中[15]，作者通过对苔藓样品的中子活化分析，对墨西哥Toluca峡谷地区的污染状况进行了评估，研究发现不同地区苔藓样品中As, Cr, Hg, 和Rb等有害元素的含量各不相同，从而可以通过这些元素的分布来评估各地区的污染状态为治理环境污染提供参考。

5.材料行业
中子活化分析可以用于测量半导体和其他高纯度材料中的杂质或者掺杂物的痕量和超痕量元素浓度。

半导体器件的质量受到在器件制造期间掺杂的B，P，As，Au等元素或残留的污染物的强烈影响。

小于1ppb的少量杂质可能对半导体器件的质量产生重大影响。

NAA 以其低样品需求量，对样品处理少，灵敏度高等优点被作为首选的元素分析方法，能够准确测出半导体器件中的各种元素含量，进而对产品工艺进行改进，提升产品质量[16]。

此外，NAA在并非要求高纯度的材料分析中也有应用，比如已经小型化的中子活化分析在线水泥质量分析仪，玻璃制品的质量分析等。

6.流行病学
在非黑素瘤皮肤癌的研究中的应用。

有证据表明，高于正常摄入量的砷可能增加患非黑色素瘤皮肤癌的风险。

达特茅斯医学院对这个假设进行验证，在新罕布什尔州人口中进行研究，他们通常在其饮用水供应中摄入较高水平的砷，这些水通常是来源于一个住宅或几个住宅的水井。

指甲中的砷浓度与饮用水砷含量直接相关，而测量指甲中砷含量则是通过NAA 来进行。

基因敲除小鼠模型囊性纤维化的研究，哥伦比亚大学的一项研究使用NAA以测量Ca，Mg，P，Na，K，F，Cl，Br和Mn来衡量基因敲除小鼠和正常小鼠的骨和牙齿矿化差异。

在国内2003年进行的一项研究中[17]，研究者运用中子活化分析，对砷中毒地区病人的头发样品中的微量元素含量进行分析，并与北京地区正常人的样品得到的结果进行对比，结果表明: As, Fe, Re, Ba,Br, Sb 在重病患者发中的质量分数最高, 轻病患者次之,正常人最低; 而Se, Ca 在健康人发中的质量分数最高。

并且头发中As质量分数越高, 病人病情越严重。

Fe,Re 和Ba 等微量元素可能加重砷的中毒, 而Se,Ca 和Co 可能拮抗砷的毒性。

这样的结果对治疗金属中毒病人有一定参考价值。

7.食品安全
近年来食品安全问题备受关注，食品中有害元素的含量可以反映食品是否被污染。

在我国部分食品的微量元素结构测定和制定食品卫生微量元素标准中，NAA技术做出了一定的贡献。

在2010年的一项报告[18]中指出，作者对来自不同地区的部分食品（包括大米、小麦、胡萝卜、芹菜、洋葱、绿茶、对虾和猪肝）进行了多元素中子活化分析。

测定的总元素有30个，其中营养元素为Cr，Cu，Fe，Mo，Rb，Se，V，Zn。

毒性元素为As，Cd，Sb，Th。

普通元素是Al，Ba，Br，Ca，Ce，Cl，Co，Cs，He，K，Mg，Mn，La，Lu，Na，Sc，Sm，Yb。

分析结果表明毒性元素分布为：As：虾>肝>大米>小麦／蔬菜；Cd仅在岳阳大米有少量，含量值接近探测限(DL)；Sb：绿茶>洋葱>芹菜>其它；Th在所分析的食物中没有差异。

国内进行的另一项研究中[19]，作者详细测量了不同品种茶叶中的氟含量，结果表明，茶叶中氟含量的高低依次为黑茶、红茶、乌龙茶、绿茶，个别黑茶氟含量高达276 mg/kg,超出国家限量标准(≤200 mg/kg)，存在饮用安全风险。

8.法医学
中子活化分析在法医学方面也有一定的应用，其历史可追溯到1956年加埃塔恩·布查德的谋杀案，尸检时，警方发现小女孩指甲上缠绕的一根头发，同通过对这根头发进行中子活化分析，并与重点嫌疑人约翰·沃莱曼的头发样品得到的结果进行对比，确认了布莱曼的作案嫌疑。

中子活化分析可以检验出1英寸长的头发中的14种元素，而100万人中，据估计只有两人能达到九种元素的含量接近。

在著名的1976年John Norman Collins案件中[20]，同样运用到了中子活化分析，对头发样品进行分析，以确定样品是否来自同一个个体。

此外，中子活化分析还可以检测出使用枪械射击后在身体上残留的痕量S，NO2等的存在，以推测被检测者是否在近期使用过枪械。

总结
中子活化分析的应用已经相当成熟并被应用于很多的领域。

但是，其他非核技术如ICP 和ICP-MS的发展已经导致NAA使用量的下降，特别是在人类中和其他生物样本中。

不过，在一些领域中NAA仍然是不可替代的，例如难以溶解的固体材料的分析；在痕量元素的分析中，由于被其它物质污染的可能性非常大的分析，NAA也无法被替代；对精确度要求很高的分析中NAA也无法被替代。

而且，与很多其他技术相比，NAA一般不需要进行任何特殊的样品预处理，并且对样品是无损的，在进行NAA后还可以进行其它的分析，在许多情况下，这是非常重要的，可以预见NAA在将来仍将拥有广泛的应用。

参考文献
1.Pollard, A. M., Heron, C., 1996, Archaeological Chemistry. Cambridge, Royal Society of
Chemistry.
2.Descantes C H , et al. J Radioanal Nucl Chem, 2004,262(1): 83- 91
3.McClure S B, et al. Journal of Archaeological Science, 2006. 33: 671- 680
4.Meloni S. J Radioanal Nucl Chem, 2007, 271(3): 533- 539
5.Glascock M D, et al. J Radioanal Nucl Chem, 2004, 262(1): 97- 102
6.龙泉窑古陶瓷年代断定的中子活化分析和Bayes判别
谢国喜, 冯松林, 冯向前, 朱继浩, 闫灵通, 李丽《原子能科学技术》2009年6期
7.古汝瓷着色机理和烧制技术的研究
李国霞, 杨雷, 赵维娟, 高正耀, 谢建忠, 张斌, 李融武, 孙新民, 冯松林, 贾秀琴, 韩松, 黄忠祥，2002 - 02古陶瓷科学技术国际讨论会
8.江西湖田窑青白釉瓷的中子活化分析
程琳, 冯松林, 樊昌生, 张文江- 《硅酸盐学报》2004年9期
9.古耀州瓷釉起源的中子活化分析
李国霞, 胥爱军, 李融武, 谢建忠, 冯松林, 范东宇, 张颖, 柴之芳, 禚振西, 高正耀, 赵维娟- 《原子能科学技术》2003年4期
10.黄冶窑唐三彩和耀州窑唐三彩起源关系的中子活化分析
李国霞, 赵维娟, 李融武, 谢建忠, 郭敏, 冯松林, 高正耀, 禚振西，2006 - 第十三届全国核电子学与核探测技术学术年会
11.Kazemi, H.V., Morris, J.S., Anderson, S.H. et al. J Radioanal Nucl Chem (1998) 235: 249.
https:///10.1007/BF02385970
12.污水中可吸附有机卤素(AOX)的中子活化分析刘国卿，罗奇，张鸿，童永彭，孙慧斌
核化学与放射化学2013年6月第35卷第3期
13.大气颗粒物PM10和PM2.5元素组成的中子活化分析杨伟涛，倪邦发，王平生，田伟之，
孙爱华，沈立等原子能科学技术2007年3月第41卷第2期
14.中子活化分析在煤质分析中的应用侯新生马莫杰方方邱元穗周蓉生
核技术2001年月第24卷第4期
15.Application of Neutron Activation Analysis for Determination of As, Cr, Hg, and Se in Mosses
in the Metropolitan Area of the Valley of Toluca, MexicoR.Mejía-Cuero, G.García-Rosales, L.C.Longoria-Gándara, M.C.López-Reyes, andP.Ávila-Pérez
Journal of Chemistry Volume 2015, Article ID 278326
16./HPM.html
17.中子活化法研究砷中毒病区人发中微量元素的分布杨瑞瑛，张智勇，朱旭萍
核化学与放射化学2003年11月第25卷第4期
18.中子活化分析用于我国部分食品的微量元素结构研究张贵英，刘存兄，肖才锦等《第十
二届全国活化分析学术交流会论文摘要汇编》2010年
20. Keyes, Edward (1976). The Michigan Murders. Reader's Digest Press. ISBN 978-0-472-03446-8.。