氧化石墨烯对铀的电离增强机制应用于痕量铀的热电离质谱同位素测量

铀是核工业的基础原料，其同位素丰度直接决定了应用领域。在军事、核能及核燃料循环、地质勘探、军备控制与核查、环境监测、核取证等国家重大科技领域中，都需要准确测量铀的同位素丰度。

热电离质谱法（Thermal ionization mass spectrometry, TIMS）凭借其高精密度和高准确度，是铀同位素比值测定最经典的方法之一。该方法基于试样在铼、钨等高功函、高熔点的金属样品带表面上，通过高温加热产生热致电离实现样品的离子化。正是由于这种原理，该方法的电离效率并不高，对于微克以下的铀，传统的热电离质谱法难以获得持续稳定的离子流信号，限制了其在痕量的试样同位素分析中的准确度和精密度。

通过对金属样品带的修饰或改性是提高热电离质谱电离效率的有效途径。目前，国际上最常用的电离增强方法是通过苯蒸气蒸镀实现铼带的渗碳，从而提升试样在铼带表面的电离效率。但这种方法需要专门的制备装置和较高的真空条件、耗时较长、操作繁琐；同时苯蒸气毒性强，具有一定的安全隐患。

近期，中国工程物理研究院材料研究所的张凌博士及其同事率先提出利用氧化石墨烯胶体作为电离增强剂，进行痕量铀的热电离质谱同位素测量。由于氧化石墨烯具有良好的单分散性、大的比表面积和良好的热学、电学性质，在铼金属带表面形成了一层均匀的二维纳米界面，伴随着初始铀的电离温度由1700 ℃降低到约1400 ℃，电离效率达0.2%，相对于传统的热电离方法提高了近两个量级。

该方法的电离增强机制在于：加热过程中形成了铼-碳化合物具有更高的表面功函数，同时生成的碳化铀具有更高的熔点，降低了蒸发带来的原子损失。基于此机制，他们建立了一套完善的痕量铀热电离质谱样品加载技术和同位素比值测量方法，并成功应用于含皮克级（10^-12 g）铀的标准样品、环境水样、固体擦拭样品等，其²³⁵U/²³⁸U的同位素比值测量精度可达1%，优于已报道的苯蒸气法。该方法在保证精密度的前提下，可减少传统双铼带法一半的铼丝用量，大幅节约实验成本，且在10 min内即可完成灯丝渗碳和铀加载，快速简便。

本方法对痕量铀的同位素分析具有很大的优势，在环境分析与核取证等研究领域具有较大的应用前景。

这一成果近期发表在Analytical Chemistry 上，文章的第一作者是中国工程物理研究院材料研究所的张凌博士，通讯作者是吴昊曦博士和秦震博士。该研究得到了国家自然科学基金和中物院材料研究所特聘基金的资助。

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Graphene Oxide Carburization Enhanced Ionization Efficiency for TIMS Isotope Ratio Analysis of Uranium at Trace Level

Ling Zhang, Penghui Xiong, Hailu Zhang, Lumin Chen, Jie Xu, Haoxi Wu,* Zhen Qin*

Anal. Chem., 2019, 91, 7215-7225, DOI: 10.1021/acs.analchem.9b00543

张凌博士简介

张凌，中国工程物理研究院材料研究所，助理研究员，特聘副研究员。2012年、2017年分别于清华大学化学系取得学士、博士学位，2017年7月起就职于中国工程物理研究院材料研究所。研究领域是无机同位素质谱技术和锕系溶液化学分析与传感。近五年于Anal. Chem.、Bioelectron. Biosens.、Chem. Sci.等SCI期刊发表论文15篇，其中第一作者5篇（3篇Anal. Chem.）。获授权发明专利2项。主持国家自然科学基金1项。

吴昊曦博士简介

吴昊曦，中国工程物理研究院材料研究所，副研究员。2014年于中国科学院大学取得理学博士学位，2014年12月起就职于中国工程物理研究院材料研究所。研究领域为新型锕系元素超痕量分析方法研究等。多年来在Adv. Mater.、Adv. Func. Mater.、 Anal. Chem.、ACS Catal. 等SCI期刊上发表论文20多篇，其中第一作者或通讯作者9篇；获得授权国家发明专利2项；已完成国家自然科学基金多项（主持1项）。

秦震博士简介

秦震，中国工程物理研究院材料研究所，副研究员，硕士生导师，2013年获得北京大学博士学位。目前主要从事锕系化学、质谱学、核军备控制等研究工作，累积发表SCI论文20余篇，获得10余项专利授权。