辐射剂量计是用来检测物质受到放射的吸收剂量测定装置,常用于测定物体受到辐射大小的量度。辐射剂量的研究方法很多,化学法是其中重要的组成部分。由于射线的电离作用可引发物质发生化学反应或者结构改变,因此辐射对不同物质的影响一直是研究者们感兴趣的课题。同样,采用受辐射后物质的含量或者结构改变来反应辐射剂量,也有较好的可行性和较多的研究方法,人们最早采用的硫酸亚铁剂量计,利用Fe ²⁺在辐射作用下被氧化成Fe ³⁺,以吸光值的改变来测定辐射剂量的强度；近年来,报道使用甲基红、二甲酚橙、碱性品红等作为辐射剂量计体系的组成部分,采用分光光度法测定辐射后的吸光值,利用吸光值的减弱来反映辐射剂量的大小,以上剂量计多数属于染料类,辐射后受光照影响较大,稳定性较差。

硫胺素又称之为维生素B ₁,是日常生活中常见的物质,广泛用于药品和食品的研究。孟祥晨等对于食品中维生素受到辐射后的效应进行了研究,结果表明,受到辐射的后维生素类均有不同程度的改变,含量下降,其中对辐射敏感度最高的是硫胺素和抗坏血酸。Juanchi等研究了维生素B ₁₂在溶液和固体状态下受辐射后含量的变化,结果表明溶液状态下较固体含量下降明显,Maged等利用维生素B ₁₂的辐射特性,将其开发作为辐射剂量计,取得了较好的效果。Chuaqui-Offermanns等研究了加热和辐射对硫胺素溶液的影响,结果表明硫胺素受辐射剂量强度影响较大,含量下降。由于硫胺素在酸性环境中有较好稳定性,因此本实验选用盐酸硫胺溶液,在不同剂量的电离辐射下,样品经分离检测,研究了它的辐射特性,将其开发作为新型的 γ辐射剂量计。

SPD-M 20A二极管阵列高效液相色谱仪（日本Shimadzu公司）；质谱仪（LCQ-ADVANTAGE MAX美国Finnigan质谱公司）；INOVA磁共振分析仪（美国Varian公司）；PB-20（PB-S）酸度计（德国Starious公司）；KQ 2200超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。盐酸硫胺（含量99%,日本TCI公司）；醋酸钠,醋酸为分析纯；甲醇为色谱纯。

放射源： ⁶⁰Co放射源,源强度5.5×10 ¹⁵Bq（湖南省辐射技术应用研究中心）。

盐酸硫胺是B族维生素的一种,为白色针状结晶粉末,具有辅助性治疗神经炎的作用。分子由一个嘧啶环和噻唑环构成,熔点246～250℃。易溶于水,微溶于乙醇,难溶于苯和乙醚。分子式为C ₁₂H ₁₇ClN ₄OS·HCl,化学名氯化3-[（4-氨基-2-甲基-5-嘧啶基）-甲基]-5-（2-羟基乙基）-4-甲基噻唑,其化学结构图3-11所示。

利用盐酸硫胺良好的水溶性,以水作为溶剂,配制不同浓度的盐酸硫胺溶液。精密称取盐酸硫胺30mg,加水溶解后转移至100ml容量瓶,定容,浓度为0.3mg/ml。以同样方法配制2mg/ml盐酸硫胺溶液。将不同浓度的盐酸硫胺溶液分装在EP管中,密封、常温保存,带至辐射现场。

将分装有盐酸硫胺溶液的EP管放在一定辐射强度处,接受一定时间的辐射,从而形成一定的辐射剂量。本实验采用1kGy/h剂量率 ⁶⁰Co辐射,样品辐射强度0.1～20kGy。

目前,检测盐酸硫胺的方法有荧光光度法、紫外分光光度法、共振瑞利散射法、示波极谱法、高效液相色谱法等。在确立的检测方法中,高效液相色谱法以其准确、组分可较好分离、测定快速易于自动化的特点,成为了盐酸硫胺的主要定性定量测定法。本实验采用二极管阵列高效液相色谱检测,270nm作为检测波长用于测定辐射前后盐酸硫胺溶液的色谱特征。

色谱柱选择Agilent TC- ¹⁸C（μm,4.6mm×150mm）,使用0.05moL/L醋酸钠缓冲液（pH 4.5）-甲醇（65∶35,v/v）作为流动相,柱温30℃,流速1ml/min。

辐射后盐酸硫胺经色谱分离后,分别对色谱结果进行分析,从图可以看出,随着辐射剂量的增强,盐酸硫胺的含量呈下降趋势。0.3mg/ml与2mg/ml盐酸硫胺溶液峰面积A与吸收剂量D的关系如图3-13所示。

结果表明,两个浓度在一定辐射范围内均具有较好线性关系。0.3mg/ml盐酸硫胺在辐射剂量10kGy范围内线性良好,10kGy以上,从色谱图中（图3-2A）可以看出辐射后色谱峰形改变,说明盐酸硫胺成分产生了较大改变,用于定量分析准确度下降。在此范围内辐射色谱面积与浓度关系曲线为 D=22.24-2.31 A, R=0.996。2mg/ml盐酸硫胺辐射色谱面积与浓度关系曲线为 D=53.16-0.69 A,R=0.996。可用于0.1～20kGy范围内辐射剂量的分析。

作为辐射剂量计,在采样期间应当满足一定的稳定性。因此实验中研究了不同浓度盐酸硫胺溶液的稳定性。结果如表3-5所示。

盐酸硫胺的稳定性实验表明,放置近50小时内,0.005～0.1mg/ml的盐酸硫胺溶液浓度均比较稳定；浓度在0.03mg/ml以上的其含量更加稳定,适用于采样和辐射后测量,能够在采集辐射前后避免降解。

用于辐射剂量研究的化学物质,常需要避光,如麝香草酚蓝、亮绿等,受到光照时会引起含量的改变,影响剂量结果,因此对避光的要求较为严格。本实验对盐酸硫胺进行了光照实验,将样品溶液置于室内接受散射自然光和日光灯照射20小时,观察光照条件下是否对其含量有较大影响。经色谱测试,光照前后待测液中盐酸硫胺含量稳定；接受散射自然光13天的照射后,盐酸硫胺的含量仍保持稳定。因此用于现场采样时,耐受光照条件,为了防止样品污染与溶剂挥发,只需进行一般的加盖密封。

将盐酸硫胺溶液置于100℃水浴2小时,实验结果表明样品含量不发生改变,盐酸硫胺对高温条件的稳定性较好,可适用于常见温度条件下辐射剂量的测量。

综上所述,盐酸硫胺溶液对时间、温度、光照性质稳定,适用于常规条件下的辐射剂量测定,是一种较为理想的剂量计研究材料。

关于盐酸硫胺溶液辐射降解的化学机制,有的学者认为是电离辐射产生的自由基作用,硫胺素分子降解产生噻唑和嘧啶,导致自身含量减少。从辐射后色谱分离峰可以看到,硫胺素分子被较高剂量的射线破坏后,其色谱峰产生分裂。且硫胺素溶液浓度越低、辐射剂量越大,色谱峰的分裂越大；反之则改变较小。色谱峰的分裂与辐射剂量呈正相关,与硫胺素浓度呈负相关。图3-14所示硫胺素辐射图谱,随着辐射剂量的增高,色谱峰的演变过程。

对于影响硫胺素色谱峰的因素进行了探讨,首先用化学法研究了其降解机制。吸取5.00ml的0.3mg/ml盐酸硫胺溶液4份。按照每毫升样品溶液加入0.1ml的比例,依次加入硫酸（1mol/L）、氢氧化钠（1mol/L）和双氧水（3%）溶液。另取2ml盐酸硫胺溶液至称量瓶,敞口进行紫外照射。处理后测得盐酸硫胺的结果如表3-6所示。

可见,在以上几种影响因素中,硫酸溶液处理后的盐酸硫胺色谱峰改变情况与辐射的最为相似；因此进一步考察了加入浓硫酸对盐酸硫胺色谱峰的影响,减弱硫酸的加入量后（按每毫升盐酸硫胺溶液加入0.01ml）结果如图3-15所示。

与图3-15a比较可见,浓硫酸的加入使盐酸硫胺含量下降,峰值减低且色谱峰出现和辐射相同的分裂效果（图3-15b）。因为浓硫酸本身为强氧化性物质,故推测浓硫酸对分子结构中的氨基和羟基产生氧化作用,同时可能出现嘧啶和噻唑的分离导致色谱峰的改变。

相同测定条件下,盐酸硫胺辐射前后的质谱信息如图3-16所示,A为辐射前质谱图,m/z 265处为盐酸硫胺失去2个盐酸形成分子离子峰。m/z 143处和m/z 122处为主要碎片离子峰,分别为3位氮原子旁断裂的噻唑和嘧啶部分,断裂方式如图3-17A所示。图3-16B所示为辐射后形成的质谱图,辐射对盐酸硫胺的作用如图3-17B所示。依据质谱信息和色谱分析结果,辐射产物的m/z 175推测为盐酸硫胺在辐射的作用下结合水分子形成的产物。硫胺素的分子离子峰m/z 265处丰度下降,表明硫胺素分子的含量明显减小,图谱中还可以看到辐射后离子碎片明显增多,为硫胺素辐射降解产物碎片峰。辐射后硫胺素分子离子峰减低的同时,噻唑峰即m/z 143处相对丰度明显增大,表明硫胺素辐射后,噻唑结构与分子的结合力减弱使之更易形成稳定的碎片或者硫胺素分子中的噻唑环辐射后产生了分离。结合液相色谱信息,辐射后有新物质生成,推测噻唑环与嘧啶环在辐射作用下产生断裂分离。

为了进一步研究辐射产物和降解机制,本文对盐酸硫胺溶液还进行了 ¹H核磁共振分析,溶剂使用D ₂O（δ=4.7）。图3-18所示,噻唑和嘧啶环上的氢信号产生于δ _a9.6和δ _b7.9处；δ _c5.5为羟基和氨基上的氢；δ _d3.8和δ _e3.1由噻唑上亚甲基的氢信号产生；δ 2.5,2.6由结构中的甲基和亚甲基的质子信号产生。辐射后的TH溶液先由旋转蒸发仪去除水分,经D ₂O溶解后测定。辐射后磁共振谱图中的信号发生较大改变,高场区信号强度相对增大,说明氢原子所受的电子屏蔽作用增大,降解产物受电性效应的影响降低。而杂环分子的稳定性好,不易破坏,因此推测为化学键能较低的亚甲基键处断开导致。

实验中选取了4个不同浓度的盐酸硫胺溶液,测得经8kGy剂量辐射后的色谱图。

实验结果图3-19所示,较低浓度的0.005mg/ml、0.05mg/ml盐酸硫胺接受辐射后,会发生很大的改变,产生分裂和严重变形的峰,表明辐射会对盐酸硫胺产生较大的化学作用。浓度0.3mg/ml和2mg/ml经辐射后,含量下降且峰形良好,更适用于色谱定量分析。

硫胺素在酸性环境中稳定,碱性环境中分子遭到破坏（经碱处理后色谱图中可观察到降解产物的产生）。盐酸硫胺由于含有盐酸分子,可使其具有较好稳定性。辐射后盐酸硫胺分子含量减少、结构改变。为观察受辐射后加入盐酸是否对盐酸硫胺溶液具有稳定作用、改善线性关系,设计了0.05mg/ml盐酸硫胺溶液辐射后加入盐酸组和直接辐照组,观察加入酸的效果。所用盐酸浓度为0.1mol/L,按照每毫升盐酸硫胺溶液加入100μl盐酸溶液,结果如图3-20所示。

通过比较辐射后溶液盐酸硫胺的含量变化可见,辐射后加酸,不能起到使盐酸硫胺的含量与剂量间线性关系改善的作用,直接辐照组效果更好。

在3种温度条件下,盐酸硫胺辐射后的含量有所不同。低温（5℃）和常温（20℃）状态下,辐射线性较好,随着温度升高（30℃）,盐酸硫胺含量经辐射后有所减小,线性关系变差。因此使用时为获得较为准确的测定值应在辐射测量时避免高温环境或加入降温装置。

为研究溶液中氧气对辐射体系的影响,使用充氮除氧法进行了测试。使用高纯氮气（99.99%）对样品溶液进行除氧处理,由溶氧测定仪测得溶液中的氧含量由7.2mg/mL下降到1.1mg/L。以封口膜密封处理后的管口,可以防止外部空气的干扰,同时设置未做除氧的对照组。相同条件下样品接受辐射,分析后结果如图3-22所示,由两组的对比实验可以得出,水溶液中的氧气对TH的辐射特性不产生影响。

实验中对盐酸硫胺溶液辐射后的稳定性进行了分析,由图3-23中可以看出,0.3mg/ml盐酸硫胺溶液,辐射后稳定好,能够短期保存和使用。2mg/ml盐酸硫胺溶在25小时内稳定性最好,用于剂量值的测定。

盐酸硫胺作为剂量计不需要特殊处理,原料简单易得,无毒性,用于辐射场采样时,不受温度和光照影响,使用更加方便。

使用高效液相色谱法进行辐射剂量检测,具有准确直观的特点,不需要昂贵测试设备,可连续性、规模性进行辐射剂量检测。

受辐射后盐酸硫胺逐步被分解为噻唑和嘧啶部分,盐酸硫胺以及降解产物均可保持稳定,且降解物经液相系统分离不产生干扰。因此,盐酸硫胺是一种较好的用于指示辐射剂量的物质。