基于加速器质谱技术的14C的快速测量方法与流程

本公开涉及一种¹⁴c的测量方法，尤其涉及一种基于加速器质谱技术的¹⁴c的快速测量方法。

背景技术：

呼气试验是指通过呼气成分的直接测定或测定摄入特定化合物后呼气中的标志性气体，实现对机体生理、病理状态的非侵入性判断。因其简单无创、灵敏度高、特异性强，备受研究者的关注，临床应用主要集中在消化系统，包括胃幽门螺杆菌感染诊断、胃排空测定、肝功能评估等，¹⁴c是目前国际上进行生物代谢试验使用最广泛、最理想的长寿命放射性示踪核素，它的准确测定是开展co2呼气试验的前提。目前，co2呼气试验分析手段存在灵敏度低、统计性差、辐射剂量高等缺点。

呼气¹³co2主要用气体同位素质谱仪或红外光谱仪测定¹³co2/¹²co2丰度比来实现定量，由于仪器灵敏度低，本底干扰强，要求¹³c标记的丰度比大于99％，价格较贵；而呼气¹⁴co2通过液闪测量气样¹⁴co2的放射性强度，由于¹⁴c核素半衰期长(5730年)，衰变计数少，所以口服标记¹⁴c的尿素药丸放射性活度(0.75--1μci)较高，具有辐射危害，不能用于敏感人群孕妇和儿童的检查。对于胃排空测定^99mtc胃闪烁显像法是目前的金标准，但辐射剂量大(3--5mci)、设备昂贵和成本高等因素限制了它在临床上广泛的推广。

技术实现要素：

为了解决至少一个上述技术问题，本公开提供一种新型的基于加速器质谱技术的¹⁴c的快速测量方法，由于本公开的测量方法极大的提高了测量的灵敏度和测量速度，因此使得病人口服标记¹⁴c的药丸的放射性活度大幅降低，避免病人尤其是孕妇和儿童等敏感人群接受大剂量的放射性危害。

本公开通过以下技术方案实现。

一种¹⁴c的测量方法，包括：将含有¹⁴c的样品中的¹⁴c转化为碳酸盐；获取碳酸盐的沉淀物；将碳酸盐的沉淀物与金属粉均匀混合，制成靶；使用离子源对靶进行溅射，产生负离子束流并将负离子束流引出；对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子；将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子；从正离子中筛选出¹⁴c的正离子；以及对¹⁴c的正离子进行探测。

根据本公开的至少一个实施方式，从正离子中筛选出¹⁴c的正离子，包括：通过磁刚度筛选和电刚度筛选，从正离子中筛选出¹⁴c的正离子。

根据本公开的至少一个实施方式，金属粉为铁粉。

根据本公开的至少一个实施方式，在将碳酸盐的沉淀物与铁粉均匀混合之前，包括铁粉活化步骤：在大于等于800摄氏度的温度下，进行真空烘干。

根据本公开的至少一个实施方式，碳酸盐为碳酸钙。

根据本公开的至少一个实施方式，在将碳酸盐的沉淀物与金属粉均匀混合时，使得沉淀物的粒度与金属粉的粒度基本相同。

根据本公开的至少一个实施方式，在将碳酸盐的沉淀物与金属粉均匀混合时，碳酸盐的沉淀物与金属粉的质量比约为1∶3。

根据本公开的至少一个实施方式，使用加速器质谱系统对¹⁴c进行测量，加速器质谱系统包括依次配置的离子源、预加速装置、注入磁铁、主加速装置、剥离器、分析磁铁、静电分析器和探测器。

根据本公开的至少一个实施方式，使用预加速装置对引出的负离子负离子束流进行预加速，使用注入磁铁对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子，使用主加速装置对筛选出的质量数为14的离子进行加速，使用剥离器将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子，使用分析磁铁进行磁刚度筛选，使用静电分析器进行电刚度筛选，使用探测器对¹⁴c的正离子进行探测。

根据本公开的至少一个实施方式，含有¹⁴c的样品为呼气样品，将呼气样品中的¹⁴c转化为碳酸盐的步骤为：将饱和氢氧化钙溶液置于离心管中，将呼气样品注入到饱和氢氧化钙溶液中，在将呼气样品注入饱和氢氧化钙溶液的过程中不断鼓泡，静置，离心所述离心管，用纯水洗涤沉淀并分离烘干，获取碳酸盐的沉淀物。

本公开的有益效果

建立了¹⁴c的高灵敏ams测量方法，¹⁴c/¹²c的测量灵敏度达到10^-15。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是本公开一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法的流程示意图。

图2是本公开一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法的流程示意图。

图3是本公开一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法的流程示意图。

图4是本公开一个实施方式的执行¹⁴c的快速测量方法的装置的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

如图1所示，本公开的一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法，包括：将含有¹⁴c的样品中的¹⁴c转化为碳酸盐，获取碳酸盐的沉淀物；将碳酸盐的沉淀物与金属粉均匀混合，制成靶；使用离子源对靶进行溅射，产生负离子束流并将负离子束流引出；对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子；将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子；从正离子中筛选出¹⁴c的正离子；以及对¹⁴c的正离子进行探测。

如图2所示，本公开的一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法，包括：将含有¹⁴c的样品中的¹⁴c转化为碳酸盐，获取碳酸盐的沉淀物；将碳酸盐的沉淀物与金属粉均匀混合，制成靶；使用离子源对靶进行溅射，产生负离子束流并将负离子束流引出；对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子；将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子；对正离子进行磁刚度筛选，再对磁刚度筛选后的正离子进行电刚度筛选，筛选出¹⁴c的正离子；以及对¹⁴c的正离子进行探测。

如图3所示，本公开的一个实施方式的¹⁴c的快速测量方法，包括：将含有¹⁴c的样品中的¹⁴c转化为碳酸盐，获取碳酸盐的沉淀物；铁粉活化：在大于等于800摄氏度的温度下，进行真空烘干；将碳酸盐的沉淀物与铁粉均匀混合，制成靶；使用离子源对靶进行溅射，产生负离子束流并将负离子束流引出；对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子；将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子；从正离子中筛选出¹⁴c的正离子；以及对¹⁴c的正离子进行探测。

其中，上述金属粉在靶中一方面起到导电作用，使得沉淀物均匀的在电场中被电离和引出，另一方面使得沉淀物能够散发热量和使得沉淀物均匀受热，避免在对靶进行溅射时局部温度过高发生化学反应而消耗沉淀物的样品量。根据经验，靶中金属粉的掺入比例越高，引出的负离子束流强度越大。然而经过多次对比实验，沉淀物的质量和金属粉的质量比例在1∶3至1∶4之间时，引出的负离子束流强度较大，尤其在1∶3左右时，负离子束流强度最大，参见下表。

并且发现，铁粉在作为金属粉时，引出的负离子束流强度优于其他类型的金属粉(银粉、钛粉、铜粉等)引出的负离子束流强度。因此，铁粉作为金属粉的最优选择。

为了达到较大而且稳定的束流，需要将铁粉进行活化(850℃，真空烘干)。

在本公开的一个实施方式中，碳酸盐为碳酸钙。

在本公开的一个实施方式中，含有¹⁴c的样品为呼气样品，将呼气样品中的¹⁴c转化为碳酸盐的步骤为：将饱和氢氧化钙溶液置于离心管中，将呼气样品注入到饱和氢氧化钙溶液中，在将呼气样品注入饱和氢氧化钙溶液的过程中不断鼓泡，静置，离心所述离心管，用纯水洗涤沉淀并分离烘干，获取碳酸盐即碳酸钙的沉淀物。

在本公开的一个实施方式中，将所制备的碳酸钙沉淀物置于蒸发皿中，例如使用电热板在100摄氏度下烘干4小时，降至室温后，将沉淀物从蒸发皿上刮到测量纸上，电子天平称重然后转移到玛瑙研钵，用研磨棒充分研磨碳酸钙沉淀物，过筛(300目)，与铁粉的过筛目数一致，保证稳定的束流供ams(加速器质谱系统)分析测试，按照碳酸钙和铁粉的重量比例1∶3充分均匀混合，用压靶器将混合物压到内径为1毫米的靶锥中，真空密封保存待测。

图4为本公开一个实施方式的执行¹⁴c的快速测量方法的装置的结构示意图。图4中的装置为加速器质谱系统，加速器质谱系统包括依次配置的离子源、预加速装置、注入磁铁、主加速装置、剥离器、分析磁铁、静电分析器和探测器。

在本公开的一个实施方式中，使用预加速装置对引出的负离子负离子束流进行预加速，使用注入磁铁对负离子束流进行质量选择，筛选出质量数为14的离子，使用主加速装置对筛选出的质量数为14的离子进行加速，使用剥离器将筛选出的质量数为14的离子转换为单原子离子，并将负离子转化为正离子，使用分析磁铁进行磁刚度筛选，使用静电分析器进行电刚度筛选，使用探测器对¹⁴c的正离子进行探测。

在注入磁铁和主加速装置之间还可以配置四极透镜，用于对负离子束流进行聚焦。

下面结合具体的参数更详细地说明本公开的基于加速器质谱技术的14c的快速测量方法。采用cs⁺离子源溅射待测样品(即靶)产生负离子，通过引出电极将产生的负离子经过约40kv预加速后，利用注入磁铁选择质量数为14的离子(包括¹⁴c^-、¹³ch^-、¹²ch2^-、⁷li2^-等)注入最高电压为200kv的主加速装置，加速后的负离子经过氦气剥离使得其中的分子离子瓦解为单原子离子，同时将负离子剥离成不同电荷态的正离子，然后利用高能分析磁铁选择磁刚度me/q²相同的离子，为进一步排除同位素造成的干扰，利用静电分析器选择电刚度e/q相同的离子，最后利用探测器系统测量m/q相同的离子即¹⁴c⁺。下面对本公开一个实施方式的¹⁴c-ams装置关键组件工作原理及其参数进行说明。

cs溅射负离子源：其工作基本原理是：铯蒸气通过灼热的钨游离器被离解成铯离子流，铯离子被高压加速和聚焦后轰击靶锥中心的样品，经铯束轰击后的样品可以溅射出各种负离子，再用引出电极把负离子引出。铯束的部分铯离子失去能量后被吸附在靶锥表面，形成铯覆盖层，可以降低靶元素的逸出功，以获得较大的负离子流。

预加速装置：采用预加速管。由于离子源引出的离子具有一定的能量离散，需要将离子源引出的离子加速到一定能量以降低离子之间的相对能量离散，从而有利于注入磁铁对待测离子的选择，预加速电压优选约为40kv。

注入磁铁：注入磁铁位于加速器质谱系统的低能端，利用注入磁铁将质量数为14的离子(包括¹⁴c^-、¹³ch^-、¹²ch^2-、⁷li2^-)注入主加速装置(例如主加速管)。注入磁铁在磁场强度一定的情况下可以将具有一定磁刚度的离子偏转到既定的轨道。基本关系式为：

其中b为磁场强度，q为离子的电荷态绝对值，r为轨道的曲率半径，m和e分别代表离子的质量和动能。br为磁刚度，它表征磁场对带电粒子的偏转能力。由于通过低能静电分析器后的离子能量是一定的，因此通过注入磁铁便可对离子进行质量选择。

主加速装置：采用200kv加速管将离子加速到约180kev。主加速管作为加速离子束的关键部件，必须满足高的束流传输效率、稳定可靠运行这两个条件。

剥离器：为了提高剥离效率，采用气体剥离器，常见的剥离气体有n2、he、ar等。加速管加速后的高能离子经过气体剥离器时与剥离气体进行相互作用将分子离子¹³ch^-、¹²ch2^-、⁷li2^-等瓦解成单原子离子¹²c^-、¹³c^-、⁷li^-等，同时将负离子剥离成不同电荷态的正离子。本实施方式的剥离器长度为40cm，内径1cm，采用大流量差分泵以排除剥离气体分子，以保持仪器管道高真空度，采用低压强的流量控制器对剥离气体(n2，he，ar等)压力进行控制，实现分子离子的瓦解和高效率正电荷转换效率。

分析磁铁：分析磁铁位于加速器质谱系统的高能端，利用分析磁铁将经过剥离器后的离子进行动量分析，对磁刚度相同的离子进行选择；

静电分析器：将经过分析磁铁后的离子进行能量分析，选择电刚度e/q相同的离子进一步排除同位素本底。

探测器系统：由于已经排除了同量异位素的干扰，采用金硅面垒半导体探测器和气体电离室对¹⁴c离子进行测量。该探测器系统除探测器外还包括核电子学插件和计算机数据获取终端。核电子学插件用于成型探测器得到的信号，压低噪声并送入到计算机获取系统。核电子学包括前置放大器，主放大器，快电流放大器，时间甄别器，时间幅度转换器，时间延迟器，高低压电源和机柜等。计算机数据获取包括计算机多道，多路adc，显示屏和数据获取软件等。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。