崔明 于川 高建政

關(guān)鍵詞：氣溶膠;7Be;210Pb;210Po;輻射劑量;天津市

目前我國(guó)是全球大氣氣溶膠污染嚴(yán)重的國(guó)家之一，且由于氣溶膠來(lái)源和成因復(fù)雜，其載帶的有毒有害組分會(huì)對(duì)人體健康造成危害，大氣氣溶膠污染依然是社會(huì)關(guān)注熱點(diǎn)。氣溶膠不僅是多環(huán)芳烴、重金屬等有害組分的載體，也是放射性核素的載體。大氣中的放射性核素分為自然源和人工合成源，核素一旦形成，迅速吸附于氣溶膠顆粒上，隨之參與大氣循環(huán)過(guò)程。7Be是宇宙射線與大氣中的氮和氧原子相互作用的產(chǎn)物，主要形成于平流層，形成后很快與氣溶膠結(jié)合在一起，隨著大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程而遷移。由于7Be有明確的來(lái)源和消耗方式，且易于監(jiān)測(cè)，常被作為對(duì)流層-平流層交換的示蹤劑[1]。氣溶膠中210Pb和210Po主要來(lái)源于大氣中222Rn的衰變。222Rn通過(guò)一系列短壽命子體最終衰變?yōu)殚L(zhǎng)壽命子體210Pb、210Bi和210Po[2]。210Pb和210Po可通過(guò)呼吸、飲水或飲食等途徑進(jìn)入人體，不易排出，是天然放射性核素中對(duì)人體劑量貢獻(xiàn)較高的核素之一[3]。有研究認(rèn)為，通過(guò)氣溶膠吸入人體的放射性核素造成的輻射劑量占總劑量的73%[4]，因此長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)分析城市大氣氣溶膠中放射性核素的放射性活度水平變化，估算人體所致的輻射劑量，對(duì)于保護(hù)人體健康具有重要意義。

本文通過(guò)對(duì)大氣顆粒物總懸浮顆粒物（TSP）進(jìn)行采樣分析，對(duì)7Be、210Pb和210Po的放射性活度水平及季節(jié)變化特點(diǎn)進(jìn)行分析，對(duì)三種核素經(jīng)吸入對(duì)公眾產(chǎn)生的輻射劑量進(jìn)行估算，對(duì)保護(hù)公眾健康及預(yù)防輻射損傷的發(fā)生具有重要意義。

1材料與方法

1.1采樣方法

考慮天津市各區(qū)人口分布密度與工業(yè)布局情況，結(jié)合地理環(huán)境氣候等因素，本次研究設(shè)計(jì)的7個(gè)采樣點(diǎn)位基本覆蓋全部建成區(qū)，包括市內(nèi)六區(qū)、環(huán)城四區(qū)、濱海新區(qū)以及郊縣，具體包括：南開(kāi)復(fù)康路站、天津津南咸水沽小學(xué)站、天津北辰西平道站、天津武清安監(jiān)局站、天津?yàn)I海新區(qū)監(jiān)測(cè)中心站、天津市寧河環(huán)保局站、天津薊州六里屯站。2018年1月—2020年12月采集氣溶膠樣品。7Be和210Pb樣品采用超大流量顆粒物采樣器（HRHA01-SFS800/A，德國(guó)）采集，流量設(shè)定為600m3/h，以玻璃纖維濾膜收集氣溶膠樣品，采樣高度均距地面2m以上，每月采集一次，采樣24h，采樣體積在10000m3以上，記錄采集的空氣樣品體積。樣品采集后，將受塵面向里沿長(zhǎng)邊均勻?qū)φ?，將折疊的濾膜塞入壓片機(jī)底部，用不少于10t的壓力壓實(shí)濾膜，保持2min以上。將壓好的氣溶膠濾膜放入樣品盒中，密封;210Po樣品采用大流量氣溶膠采樣器（JL-150HUNTER，芬蘭）采樣，稱(chēng)重，放于樣品袋保存待測(cè)。

1.2測(cè)量方法與儀器

檢查7Be和210Pb待測(cè)樣品密封性并表面去污2～3次。對(duì)于可疑樣品，先用γ劑量率儀測(cè)量，防止高活度樣品進(jìn)入低本底實(shí)驗(yàn)室。將樣品盒放在探頭正上方位置，樣品盒軸心與探頭軸心重合。使用高純鍺γ譜儀（GMX60P4，美國(guó)）檢測(cè)樣品譜，保存譜圖，解析譜圖。

將210Po濾膜樣品剪碎后放入燒杯中，加入209Po示蹤劑，再加入1mL濃硫酸和10mL濃硝酸，水浴加熱攪拌至濃硝酸蒸干再加入5mL濃硝酸，不斷攪拌，重復(fù)兩次。濾膜樣品蒸發(fā)至膨松后移出，冷卻，加入5mL高氯酸，控制溫度在100～120℃，不斷攪拌，加熱蒸發(fā)直至不冒白煙，冷卻，加入5mL濃鹽酸，加熱并不斷攪拌，直至濃鹽酸蒸發(fā)至干，重復(fù)兩次。向?yàn)V膜殘?jiān)屑尤?0mL0.5mol/L鹽酸，水浴浸取，再用20mL0.5mol/L鹽酸浸取2次，收集濾液及濾渣等的洗滌液，濾液的體積控制在60～75mL。加入100mg抗壞血酸、攪拌磁子、支架、表面皿及銀片，置入結(jié)晶皿中加滿水加熱攪拌，自沉積2～3h。取出銀片用去離子水沖洗，置入盛有無(wú)水乙醇的燒杯中浸泡30min，取出，用離子水沖洗，自然晾干，在涂有噴漆或貼膠帶的銀面上作好樣品標(biāo)記，置于100～105℃恒溫干燥箱中烘1h。取出銀片，自然冷卻，自沉積銀面朝上置于α能譜儀（AlphaEnSemble，美國(guó)）上測(cè)量48h。

1.3質(zhì)量保證與質(zhì)量控制

本次研究所使用的儀器設(shè)備，包括輔助測(cè)量?jī)x器等，均制訂量值溯源計(jì)劃并定期實(shí)施，確保在有效期內(nèi)使用。高純鍺γ能譜儀每月至少測(cè)定一次本底，測(cè)量時(shí)長(zhǎng)大于24小時(shí)，并使用測(cè)定的全譜本底計(jì)數(shù)，繪制本底質(zhì)控圖;高純鍺γ能譜儀每季度測(cè)定一次檢驗(yàn)源，α譜儀每道探頭每月至少測(cè)定一次檢驗(yàn)源，繪制效率質(zhì)控圖。本研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)室空白、平行樣品來(lái)保證數(shù)據(jù)的有效性。依據(jù)全國(guó)輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)質(zhì)量保證方案，每六個(gè)月測(cè)定一次實(shí)驗(yàn)室空白和平行樣品，平行樣品的相對(duì)平均偏差小于20%。

2結(jié)果與結(jié)論

2.1氣溶膠中7Be、210Pb和210Po活度濃度水平

圖1為2018—2020年期間天津地區(qū)大氣氣溶膠中7Be、210Pb和210Po的活度濃度水平。7Be的活度濃度范圍為0.74～15.0mBq/m3，平均值為（6.74±2.28）mBq/m3;210Pb的活度濃度范圍為0.21～2.5mBq/m3，平均值為（1.06±0.53）mBq/m3;210Po的活度濃度范圍為0.17～0.74mBq/m3，平均值為（0.38±0.18）mBq/m3。210Pb和210Po的活度濃度均高于聯(lián)合國(guó)原子輻射影響科學(xué)委員會(huì)（UNSCEAR）的推薦值0.5mBq/m3和0.05mBq/m3[5]。

表1為我國(guó)不同地區(qū)7Be活度濃度水平。由表中可以看出，天津地區(qū)大氣氣溶膠中7Be的平均活度濃度水平明顯高于廣州、廈門(mén)、深圳、四川綿陽(yáng)、湖北、合肥等較低地區(qū)，與北京、青島、西安等緯度地區(qū)相近，明顯低于蘭州和瓦里關(guān)等高緯度地區(qū)，與GaiNan等[6]緯度越高7Be的活度濃度水平越高的結(jié)論相一致。

表2為我國(guó)不同地區(qū)210Pb和210Po活度濃度水平。通過(guò)與國(guó)內(nèi)其它地區(qū)研究結(jié)果對(duì)比，天津地區(qū)210Pb的活度濃度水平處于中間水平，210Po的活度濃度水平處于較高水平。這可能與天津地處華北，工業(yè)及冬季取暖能源結(jié)構(gòu)仍以煤炭為主有關(guān)[22]。根據(jù)天津市2021年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2020年天津市煤炭消費(fèi)量約占總能源消費(fèi)量的46%左右。

2.2氣溶膠中7Be、210Pb和210Po活度濃度季節(jié)變化特點(diǎn)

7Be、210Pb和210Po活度濃度水平的季節(jié)變化如圖2所示。7Be活度濃度季節(jié)均值分別為（6.81±3.1）mBq/m3（春季）、（6.85±1.9）mBq/m3（夏季）、（6.03±2.6）mBq/m3（秋季）、（7.46±1.2）mBq/m3（冬季），呈冬季>夏季>春季>秋季，但與其它研究中冬春高夏季最低的趨勢(shì)[7，11]存在一定差異;210Pb和210Po活度濃度季節(jié)均值分別為（0.88±0.65）mBq/m3和（0.28±0.13）mBq/m3（春季）、（0.87±0.24）mBq/m3和（0.37±0.23）mBq/m3（夏季）、（1.08±0.49）mBq/m3和（0.42±0.16）mBq/m3（秋季）、（1.43±0.58）mBq/m3和（0.46±0.16）mBq/m3（冬季），均為冬季最高，春夏季較低，由于二者同源性因此具有相同的季節(jié)變化特征。該季節(jié)變化特征與我國(guó)深圳地區(qū)[20]、瓦力關(guān)山[23]、杭州地區(qū)[22]及廣州地區(qū)[7]相似。

7Be、210Pb、210Po的這種季節(jié)變化趨勢(shì)是污染排放和氣象條件共同作用的結(jié)果。吳家堡[7]、劉國(guó)卿等[24]研究發(fā)現(xiàn)大氣7Be含量與PM2.5含量呈正相關(guān)關(guān)系;李少婷等[25]對(duì)210Pb、210Po與PM2.5、PM10之間的相關(guān)性進(jìn)行研究，結(jié)果顯示空氣污染程度越高，210Pb、210Po的活度越高。在冬季，天津地區(qū)取暖季污染物排放增加，且擴(kuò)散條件差，PM2.5質(zhì)量濃度為全年最高[26]。天津地區(qū)受暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候影響，冬季受蒙古冷高壓控制，盛行西北風(fēng)，因此受緯度氣流影響較大，也會(huì)增加7Be濃度水平。本研究中發(fā)現(xiàn)，冬季氣溶膠中7Be、210Pb、210Po的活度水平均最高，說(shuō)明冬季三種核素具有同源性，大氣輸送以水平方向?yàn)橹鳎芨呔暥壤淇諝庥绊戄^大。

2.3輻射劑量評(píng)估

大氣中的放射性核素經(jīng)呼吸進(jìn)入人體對(duì)人體會(huì)帶來(lái)一定的輻射劑量，當(dāng)輻射劑量達(dá)到足夠水平時(shí)則會(huì)威脅到人體健康。本研究利用天津市2018—2020年氣溶膠中7Be、210Pb和210Po的活度濃度監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)成人（年齡>17歲）暴露于三種放射性核素的待積有效劑量進(jìn)行計(jì)算，并對(duì)天津市公眾輻射劑量進(jìn)行評(píng)估。

空氣中放射性核素被人體吸入的有效劑量計(jì)算方法及參數(shù)參照GB18871—2002[27]，計(jì)算公式如公式（1）所示，參數(shù)如表3所示。

式中，Ej，inh為是放射性核素j的有效劑量，Sv;e（g）j，inh為g年齡組吸入單位放射性核素j攝入量所致的待積有效劑量，Sv/Bq;Ij，inh為同一時(shí)間段內(nèi)放射性核素j的攝入量，m3，是放射性核素平均活度濃度與每年空氣呼吸量（本文取14.5m3/d[28]×365d=5292.5m3）之積。

天津市居民每年受到7Be、210Pb和210Po產(chǎn)生的總有效待積劑量，在F類(lèi)（快速）吸收情況下為6.28μSv/a，M類(lèi)（中速）吸收情況下為12.8μSv/a，S類(lèi)（慢速）吸收情況下為40.1μSv/a，均遠(yuǎn)低于GB18871—2002附錄B中對(duì)公眾照射規(guī)定的劑量限值（年有效劑量不超過(guò)1mSv）。因此目前大氣氣溶膠中的7Be、210Pb和210Po對(duì)人體產(chǎn)生的輻射影響不足以威脅人體健康。

3結(jié)論

（1）天津市2018—2020年大氣TSP中7Be、210Pb和210Po的活度濃度水平分別為0.74～15.0mBq/m3（平均值6.74±2.28mBq/m3）、0.21～2.5mBq/m3（平均值1.06±0.53mBq/m3）和0.17～0.74mBq/m3（平均值0.38±0.18mBq/m3）。

（2）7Be、210Pb和210Po的平均活度濃度均為冬季最高，具有同源性，這是冬季高緯度冷空氣和取暖季較高污染排放共同作用的結(jié)果。

（3）天津市成年居民通過(guò)呼吸攝入7Be、210Pb和210Po所致人體的年均有效待積劑量分別為（1.78～1.96）×10-3μSv/a、5.05～31.4μSv/a和1.23～8.65μSv/a，總年均有效待積劑量為6.28～40.1μSv/a，低于公眾照射規(guī)定的劑量限值（1mSv/a），不足以威脅人體健康。