南非姆普马兰加省核法医样本中铅同位素比值的测定

《Radiation Physics and Chemistry》：Determination of lead isotopic ratios for nuclear forensic signatures from Mpumalanga Province, South Africa

南非七个铀矿省的铅同位素分析研究表明，利用ICP-MS技术可确定铀矿石的来源，为核材料追踪提供指纹依据，支持NNFL建设

　　

Murorunkwere Beatrice | Noxolo Manyoba | Manny Mathuthu

应用辐射科学技术中心（CARST），西北大学（NWU），P. Bag X2046，Mmabatho，2735，南非

摘要

南非拥有分布在不同省份的七个铀矿区，这些矿区含有不同的矿石沉积物。作为《佩林达巴核不扩散条约》的签署国，该国根据国际原子能机构（IAEA）的要求，必须建立自己的国家核法医图书馆（NNFL）。核法医学为检测核材料及其他放射性物质提供了重要工具，并能证明这些物质已脱离监管范围并被非法交易。一旦查获核材料或放射性物质，对其来源的鉴定就变得至关重要。核法医学中的一个关键方法是铅（Pb）的同位素分析，这可以视为核材料的“指纹”。由于地质条件的不同，不同矿区的铅同位素组成也存在差异。本研究从姆普马兰加省的多个矿山采集了样品，并使用珀金埃尔默（PerkinElmer）NexION 2000型电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定了铀矿石中的铅同位素比值。根据铅-铅（Pb-Pb）地球化学分析结果，发现碎屑黄铁矿是铀矿石矿化的主要成分。不同矿体之间的同位素比值存在差异，这可以作为它们的独特“指纹”。此外，该研究还揭示了BT和ET样品之间的区别，以及BT和WT样品之间的差异；而对于ET-WT样品对，结果表明它们很可能来自同一个矿井。

引言

核材料及放射性物质在工业、医学、农业和研究领域有着广泛的应用（Singh等人，2013；Rao等人，2022）。尽管这些材料通常受到严格的物理控制和持续监测，但仍不能排除其被恶意使用的可能性（Aggarwal，2016）。放射性、核能及爆炸事件的威胁日益增加，构成了严重的全球挑战（Barry等人，2022）。这些物质即使以极低浓度进入人体，也会对人体健康造成伤害。因此，监测它们在各种生物和环境样本中的存在至关重要（Aggarwal，2016）。

核法医学是一门多学科科学，旨在调查被截获核材料的来源和用途（Guide，2015）。该领域基于这样一个事实：某些可测量参数（如同位素组成、化学杂质、年龄、形态、微量元素和稀土元素）对特定样本具有代表性（Mayer等人，2011）。

每个核样本都携带着其制造材料或所经历工艺的“特征”。这些特征可能与提取、离子交换、沉淀等化学过程有关，也可能源于物理过程（L'Annunziata，2012）。所谓“特征”指的是材料的独特属性，包括同位素比值、元素浓度、物理和化学形态以及尺寸属性。这些特性可以将核材料或放射性物质与特定个人、地点、制造过程、生产日期或预期用途联系起来（Madzunya等人，2021）。

在过去三十年中，核法医学已成为核安全策略的重要组成部分，为预防、检测和应对涉及核材料及放射性物质的恶意行为做出了重要贡献（Kristo和Tumey，2013）。铅（Pb）天然存在多种同位素形式，其中一些是原始存在的（例如²⁰⁴Pb），而另一些则是铀和钍衰变的产物（²⁰⁶Pb、²⁰⁷Pb和²⁰⁸Pb）（Liu等人，2018；Brugam等人，2012）。在核法医学中，这些同位素的比值是构成材料“核指纹”的参数之一，从而有助于推断材料的地质历史和生产过程（Reimann等人，2012）。

世界各地的核材料及其他放射性材料的样本已通过同位素比值得到了成功的研究和表征。例如，在（Kupi等人，2020）的研究中，使用电感耦合等离子体质谱仪分析了纳米比亚的四种天然铀矿石样本。研究结果表明，不同矿区的²³²Th、²³⁸U、²³⁵U和²³⁴U的同位素浓度存在显著差异，形成了这些样本的独特同位素谱型。Heike Wanke（2022）的研究利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）测定了铀矿石样本中的铅同位素比值，并通过Microsoft ISOPLOT地质年代学工具估算了矿石的年龄，从而辅助核法医学调查中的来源鉴定。其他多项研究也采用了多种技术分析了核法医学中的不同元素同位素比值（John等人，2022；Apostol和Maliuk等人，2016；Kristo等人，2016；Varga等人，2020）。然而，在像南非这样铀矿开采和加工规模庞大的资源丰富国家，缺乏全面的国家级核法医数据库是一个重大缺陷，这阻碍了追踪被截获核材料或放射性物质来源的工作。因此，各国建立和维护完善的核法医数据库至关重要，以便当局能够有效应对核安全事件。

核法医学调查采用了多种分析技术，包括放射性测量、质谱分析、显微观察、物理测量和计算机模拟（Mayer等人，2015）。本研究利用ICP-MS同位素比值分析来确定核法医学特征中的铅同位素比值，旨在建立一个基于矿山来源的铅同位素数据库，以帮助追踪被截获核材料的来源。法医学技术有助于追踪没收材料的来源，并防止其被用于未经授权的活动，包括核扩散或恐怖主义目的。

研究区域

采矿业是南非经济的重要组成部分，推动了该国的大部分经济发展（Bellucci等人，2013）。南非的矿产资源位居世界前列，拥有丰富的黄金、铂金、钛、铬、锰和钒储量，锆储量位居世界第二，同时还有大量的磷酸盐、锑、煤炭和镍储量（Mutemeri和Petersen，2002）。本研究在……

材料与方法

采用随机采样方法从姆普马兰加省的矿渣中收集了约20个土壤样本（每份1.0公斤）。为防止污染，样本用密封塑料袋包装后送往应用辐射科学技术中心实验室进行进一步分析。可用于检测核材料的分析技术包括激光烧蚀（LA-ICP-MS）和激光烧蚀微采样（LAM-ICP-MS）等（本研究使用了……）

结果与讨论

通过ICP-MS分析测定了不同矿渣中的铅同位素比值。CS1和WC1为对照样本，分别取自距矿区10公里和500米处的位置；BT、ET和WT则代表自矿山运营开始以来产生的三种矿渣。结果列于表2至表4中，所有比值均以²⁰⁶Pb为基准进行比较（这些表格将样本的平均值与该机构的NIST SRM 981测量结果进行了对比）

结论

本研究利用ICP-MS技术分析了铀矿渣中的铅同位素比值，目的是寻找可用于核法医数据库的参考数据。研究了三个矿区的铀矿石样本，发现^204/206Pb、^207/206Pb和^208/206Pb的比值在各矿区之间存在显著差异，这些比值可作为区分不同矿区的依据

作者贡献声明

Manny Mathuthu：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、调查实施、概念构建。 Murorunkwere Beatrice：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、调查实施、概念构建。 Noxolo Manyoba：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、数据可视化、方法论设计、调查实施、概念构建

未引用的参考文献

Barry等人，2022；Bellucci等人，2013；Brugam等人，2012；Gourgiotis等人，2019；Heike Wanke等人，2022；Keegan等人，2008；Kupi等人，2020；Liu等人，2018；Madzunya等人，2021；Mayer等人，2011；Mayer等人，2015；Ogana等人，2019；Poujol等人，1999；Rao等人，2022；Reimann等人，2012；Singh等人，2013；Varga等人，2009；Vecchia等人，2017；Wanke等人，

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢西北大学自然科学与农业科学学院的财政支持。