水文地质工程中示踪技术应用

水文地质工程中示踪技术应用

卢胜护

卢胜护

广西壮族自治区第一地质队541199

摘要:在示踪技术中，放射性核素用于跟踪化学和其他过程中元素或化学物质的行为。这是通过放射性测量来实现的。随着各种放射性核素变得人为可用，该技术已广泛用于化学平衡和反应以及化学分析的研究。它也是生化、生物、医学、地质和环境研究的基本技术。医疗诊断和水文地质工程是其最重要的实际应用领域。本文主要探究了示踪技术在水文地质工程中的应用。

关键词:水文地质；示踪技术；放射性元素；应用

1.示踪技术原理

示踪技术的基本原理是放射性同位素在任何化学过程中的化学行为与其稳定同位素的化学行为相同。严格地说，放射性和稳定同位素的原子质量的差异导致化学反应速率和平衡常数两者略有差异。这是同位素效应，它构成了同位素分离的基础。但是，除了非常轻的元素外，同位素效应可以忽略不计。这使得同位素分离非常繁重，需要多次重复某个过程。在普通的示踪实验中，同位素效应只在氚3H的情况下才成问题，它的原子质量比主稳定同位素1H的大三倍。然而，即使在3H中，当放射性核素掺入大分子中时，同位素效应变得微不足道，因为分子的行为取决于整个分子的质量。

放射性示踪剂对化学或生物系统放射的辐射的影响通常也可忽略不计。实验所需的放射性示踪剂的量通常非常小，以致在系统中不会发生可检测的放射分解。然而，在长期储存辐射敏感化合物时，必须谨慎对待辐射的影响。

2.常用的示踪剂类型

2.1非同位素示踪剂

在水文地质工程的示踪技术中，有时使用放射性核素与待跟踪元素。在无机化学研究中，这种非同位素示踪剂只有在它们的化学行为与被追踪元素的化学行为相似时才能得到保证，就像一对镧系元素一样。另一方面，非同位素核素通常用于标记大的有机或生物化学分子，因为在许多情况下，向这些分子引入不同元素并不会显着影响其行为。但是，建议在每个实验中检查标记对分子化学或生物学行为的影响。例如，已知用放射性碘标记的不饱和脂肪酸不一定显示对不饱和脂肪酸预期的化学性质。当追踪比分子大得多的质量的运动时，放射性示踪剂的化学性质不重要，唯一的要求是它牢固地束缚在质量上。例如，红细胞很容易被51CrO2-451CrO42-标记，并且该标记被用于确定人体中红细胞的寿命。在水文地质工程中，经常使用标有放射性核素的颗粒和气溶胶来追踪质量流量。这种示踪剂通常被称为物理示踪剂。

2.2可激活示踪剂

示踪剂技术的一种类型是可激活的示踪剂。在此，将稳定元素作为示踪剂添加到研究中的系统中，随后借助在激活元素时产生的放射性核素发射的辐射来确定示踪元素的移动或分隔。激活通常由反应堆中的热中子完成。用作可激活示踪剂的元素的基本要求是它具有对于（n，γ）反应具有高活化截面的同位素，其在原研究系统中的浓度可忽略不计。Br，Sm，Eu，Gd和Dy常常用作活性示踪剂。可激活示踪剂特别适用于水文环境研究。

2.3稳定同位素作为示踪剂

稳定同位素也被用作示踪剂，尽管它们的灵敏度远低于放射性同位素。丰富的2H，13C，15N和18O被广泛用作稳定同位素示踪剂。它们的测量通常通过质谱来完成，但也可以使用发射光谱分析（15N）和核磁共振（13C）。

3.示踪技术的优点

首先，示踪技术的优点在于其高灵敏度。当使用适当的无载体示踪剂时，用传统的检测器可以容易地检测到皮克（10-12g）或更少的元素。事实上，激素和其他生物分子在放射免疫测定中常规测定至皮克或更小。因此，无载体示踪剂对活体代谢系统的化学和生物学效应是微不足道的。有毒元素（如砷和汞）或有毒化合物（如HCN）的示踪剂可用于无有害影响。

示踪技术的另一个优点是易于检测和确定。示踪物的辐射特性完全不受样品的物理和化学条件，即温度、压力、化学物质的存在和浓度等的影响。这样可以免除测量前费力的准备和样品处理。在测量发射γ射线的核素时，只需将样品放置在检测器附近并按下按钮即可操作电子系统。示踪技术也适用于连续流量检测，其中一些还用于成像。

4.示踪技术在水文地质工程中的应用

4.1载体

示踪剂通常伴随着一定量的稳定同位素。当稳定同位素的数量在普通化学的意义上或为了实验的特定目的而显着时，它们被称为“载体”。载体的量由其重量或以示踪剂的元素比活性表示，即活性除以目标元素的质量（Bq/g元素）。

载体可以源于示踪剂的制备程序。当在（n，γ）和（d，p）反应中用于产生示踪核素的目标核素是其同位素时，产物核素不可避免地会有相当数量的载体。载体也可能来自目标材料中的杂质，产生稳定同位素的核反应，以及用于处理目标的试剂和容器的污染。因此，即使使用改变（n，p），（p，n），（γ，n）等原子序数的核反应，示踪物也不完全没有稳定的同位素。

鉴于示踪剂的敏感性，其载体的量应尽量保持在最小限度。然而，在许多水文地质工程中存在一定量的载体是有利的甚至是必需的。例如，在通过沉淀和过滤微溶盐来分离金属离子示踪剂时，载体的量必须足够大以超过溶解度产物。溶液中的无载体示踪剂有时会吸附在容器表面或溶液中的粉尘胶体颗粒上，或可能与溶液中的微小杂质物质特异性反应。此外，无载体示踪剂的行为可能不同于普通化学中相同物种的行为。因此，通常希望在不影响实验的情况下向示踪剂中加入载体。添加的载体必须与示踪剂具有相同的化学形式并与其完全混合。在Fe，As，Se，Sb，I等两种以上的氧化态稳定的元素的情况下，可以进行氧化还原扫描，即将载体氧化为示踪剂最高的氧化态，然后优选重复地降至最低可能状态。

4.2交换反应

示踪剂有时会与不同化学形式的稳定同位素进行交换反应。结果，示踪剂的化学形式部分地改变，进而影响示踪剂实验。因此，当要研究的系统含有与示踪剂具有相同元素的另一种化学物质时，必须谨慎对待。

4.3纯度

必须考虑放射性示踪剂的两种“纯度”，这在水文地质工程实践中是必不可少的。

第一，核素纯度。核素纯度是由于所述放射性核素而引起的总活性的一部分。即使是同一元素的另一种放射性核素也会降低核素的纯度，并会干扰活动的测量。然而，如果使用Ge检测器在γ射线光谱测量中能够区分不同的核素，则核素纯度不是必需的。

商业放射性核素通常具有超过98％的核素纯度。但是，当污染核素的半衰期比所述的更长时，纯度逐渐降低。

第二，放射化学纯度。放射化学纯度是所述化学形式中存在的所述放射性核素的分数。对于稳定在两种或多种氧化态的元素示踪剂，有必要通过它们的化学行为，例如离子交换来检查它们的氧化态。在用放射性核素标记的有机化合物中，放射性核素标记的数量和位置是独特的。然而，当化合物中核素的数量和位置基本上不影响其化学行为时，如在氚标记的情况下经常出现的情况，使用用不同数目的所述核素标记或在不同标记的化合物。一些标记化合物的纯度由于氧化、长时间储存期间的自发或放射分解而逐渐降低。这种标记的化合物在使用前应根据需要进行分析和纯化。

5.结语

综上所述，示踪技术在水文地质工程中的应用具有重要的意义，它能够有效揭示一些复杂水质的位移运动，从而提高水文地质环境的质量。本文对非同位素示踪剂、可激活示踪剂、稳定同位素等作为示踪剂在水文地质工程中的应用进行了研究，希望促进示踪技术的进一步发展以及水文地质环境的改善。

参考文献:

[1]张玺.223/224Ra示踪技术在地表水—地下水循环研究中的应用[D].南开大学,2014.

[2]汤振权.稀土元素示踪技术在三峡库区模拟小流域泥沙来源研究中的应用[D].三峡大学,2013.

[3]刘桂元.基于荧光示踪技术的微流速测量系统设计与开发[D].华中科技大学,2016.