核聚变、放射性元素衰变和电子束等产生电离辐射。在 α、 β、 γ三种射线中, γ射线具有高能量性和强穿透性等特点,广泛应用于医学、农业、化学加工等众多行业。电离辐射中的 γ射线破坏性强,诱导染色体突变,严重危害人体健康,成为了备受关注的环境放射性污染物,关于 γ射线检测新方法的研究与应用也成为了热点研究对象。

用于辐射剂量检测的技术主要有热释光法、固体径迹法、量热法、胶片法等。在放射化学领域中, γ射线可引发单体聚合、高分子降解、辐射接枝共聚等化学变化。当电离辐射通过物质时,与原子相互作用,辐射可提供物质反应的能量,产生电离效应,改变并形成化学键,使物质的结构和含量发生改变。根据这个特点,紫罗兰、溴甲酚紫、麝香草酚蓝、亮绿等化学物质被用于辐射剂量的指示剂,通过测定它们受辐射前后吸光值的改变,反映辐射吸收剂量的大小。Terenetskaya等利用维生素D受辐射作用后,以分光光度法测得的含量改变,将维生素D研究作为剂量计用于指示紫外辐射的剂量。

陈云棠等对蔬菜水果辐射保鲜中抗坏血酸受辐射后含量的变化进行了总结,认为辐射对抗坏血酸产生的影响受到果蔬中本身化学成分、抗坏血酸氧化酶、辐照剂量与环境、水果蔬菜生理代谢等种因素的影响,但研究表明抗坏血酸对辐射具有敏感性。抗坏血酸是己糖醛基酸,环状结构,化学名为L-2,3,5,6四羟基-2-己烯酸- γ-内酯。水溶性强,分为还原型和脱氢型两种。由于结构中含有较多羟基,受到氧化剂作用时,易被氧化,导致还原型抗坏血酸含量下降。对于抗坏血酸的含量测定,有荧光法、高效液相色谱法、氧化还原滴定法等。高效液相色谱法以其方法稳定,灵敏度高,重复性好的特点,用于测定抗坏血酸含量被广泛研究和应用,故本实验应用高效液相色谱法进行分析定量。

Dionex P680高效液相色谱仪（美国Dionex公司）；LCQ-ADVANTAGE MAX质谱仪（美国Finnigan公司）；INOVA磁共振仪（美国Varian公司）；KQ2200超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）；PB-20（PB-S）酸度计（德国Sartorius公司）。甲醇（色谱纯）；抗坏血酸（Aladdin试剂,含量99.99%）,草酸,醋酸和醋酸铵均为分析纯。 ⁶⁰Co放射源,源强度5.5×10 ¹⁵Bq（湖南省辐射技术应用研究中心）。

精密称取50mg抗坏血酸,转移到100ml棕色容量瓶中,用水稀释至刻度,摇匀,配成0.5mg/ml抗坏血酸溶液。同样方法配制1.0mg/ml抗坏血酸溶液。分装于EP管中,弱光保存,置于 γ射线场进行一定剂量辐射。研究用 ⁶⁰Co源剂量率为1kGy/h,辐射剂量范围0～20kGy,对抗坏血酸溶液进行辐射处理,并设定未辐射的对照组。辐射处理后弱光保存,每毫升抗坏血酸溶液加入100mg/ml草酸溶液50微升,可对样品中抗坏血酸含量起稳定作用,防止其自然降解。

选用Agilent TC- ¹⁸C直径5μm色谱柱,规格4.6×150mm色谱柱；流动相为0.1mol/L醋酸铵-醋酸缓冲液,pH 4.5；流速1.0ml/min；进样量20μl；柱温20℃；紫外检测波长262nm。辐射后测得抗坏血酸的色谱图谱如图3-1所示。在Rt=2.3分钟处,抗坏血酸的峰面积 A随辐射剂量的升高而显著下降。

辐射剂量（ D）与0.05mg/ml抗坏血酸溶液色谱峰面积（ A）呈线性定量关系（图3-2）, D=11.57-0.026 A,相关系数 r=0.996。经测得在10kGy辐射剂量范围内线性关系依然较好。辐射后的1mg/ml抗坏血酸经色谱分离后,含量随辐射剂量的增大而减小。经线性拟合后,含量和辐射剂量在14kGy范围的线性关系为 D=17.83-0.017 A, r=0.996。

为了防止抗坏血酸的氧化,在检测抗坏血酸含量时,要向标准溶液和样品溶液中加入稳定剂。草酸（OA）是一种较好的稳定剂,此外抗坏血酸在醋酸（HAc）溶液中可保持稳定,故选择了醋酸和草酸溶液进行稳定作用对比。配制20%醋酸溶液,向辐射后抗坏血酸溶液中按照每毫升加入50μl醋酸溶液,使体系中醋酸含量约1%。对HAc-AA、OA-AA体系进行分析,结果如图3-3所示。可以看出受辐射前后,HAc-AA体系中抗坏血酸含量都较OA-AA体系中低,表明醋酸溶液对于抗坏血酸的稳定作用较草酸相比,后者效果更好。

在辐射强度计量研究中,考查了草酸对抗坏血酸溶液的稳定性作用。通过测定0小时、24小时和48小时抗坏血酸水溶液的色谱峰面积,获得了抗坏血酸含量的变化情况,结果如表3-1所示。草酸对未经辐射抗坏血酸溶液稳定性的影响结果如表3-2所示。

结果表明,不使用草酸作为稳定剂时,抗坏血酸溶液不稳定,初始浓度越小,放置后含量下降率越大；加入草酸后,抗坏血酸溶液的稳定性大大提高,48小时的下降率明显降低,可以长时间保存。

辐射实验中设置了辐射后不加草酸组和加草酸组的对比实验,液相色谱对照检测抗坏血酸峰面积与辐射剂量的关系如图3-4所示。比较证明,加入草酸可有效防止抗坏血酸含量下降,体系可较好反映辐射剂量。

按照实验方法配制两组抗坏血酸溶液,浓度为0.5mg/ml。取其中一组用高纯氮气进行通氮除氧处理,由氧含量测定仪测得样品溶液中氧气含量由11.1mg/L下降到1.1mg/L；除氧后立即密封；另一组为对照组,不作除氧处理。将两组溶液在完全相同的条件下进行辐射,并测定其辐射后各溶液中抗坏血酸的量。辐射剂量与其含量的关系如图3-5所示。多次实验结果结果表明,经过相同剂量辐射后,通氮除氧样品中抗坏血酸的含量更低,线性关系较差。而对照组剂量反映关系较好,因此选用含氧体系做为剂量计,实验过程中选择不作通氮除氧处理,为了防止样品污染和溶剂挥发,只需进行一般的加盖密封处理。

分别研究了抗坏血酸溶液在不同温度条件下的辐射效应,在5℃和25℃条件下,抗坏血酸含量与辐射剂量之间的相关性都比较好（图3-6）,但效应关系有所差异。0.5mg/ml与1mg/ml抗坏血酸溶液分别在剂量范围10kGy和14kGy以内有较好线性。在35℃条件下辐射,样品经色谱柱分离发现,有较多降解产物生成,抗坏血酸含量下降更多。实验测得温度在30℃以下, A-D都可保持较好线性关系。由此可见,在室温条件下,抗坏血酸是一种较好的辐射剂量计,但不宜在温度过高条件使用。

使用三种浓度抗坏血酸溶液进行比较实验发现,0.5mg/ml组和1mg/ml组分别在0～10kGy和0～14kGy范围内有较好线性,随着剂量增高抗坏血酸含量基本被破坏,准确度下降。使用较高浓度的3.0mg/ml抗坏血酸溶液,受辐射后降幅较缓,指示辐射的灵敏性下降,不宜选用。由以上实验得出结论,抗坏血酸溶液受辐射后,含量与辐射剂量可在相应范围内保持较好线性关系。

由图3-1可见,抗坏血酸受辐射后,色谱柱分离后成分中出现降解产物。受较大剂量辐射后,在1.7分钟、1.9分钟处出现降解产物。进一步实验发现,随着辐射剂量的增强,在2.66分钟处也出现了降解产物。

对于抗坏血酸受辐射产生的化学反应进行了机制研究。抗坏血酸在酸性环境中稳定,由于自身含有较多羟基,碱性条件和氧化条件下,容易被破坏。依据其性质进行了如下试验（表3-3）。分别移取0.5mg/ml、1.0mg/ml的抗坏血酸溶液5ml至若干比色管,以硫酸、氢氧化钠溶液、水浴、双氧水处理,并设置对照组。对处理后抗坏血酸溶液进行高效液相色谱分离,观察色谱峰形状、出峰顺序（保留时间）等色谱信息,与对照组、辐射组进行对比分析,考察不同影响因素对抗坏血酸溶液氧化过程的影响。色谱分离定性试验表明,抗坏血酸经双氧水氧化后产物的色谱图形与辐射降解后产物的一致：在1.7分钟、1.9分钟和2.66分钟三处出现了色谱峰,其中AA的峰面积减小,表明AA辐射降解符合双氧水氧化模型,辐射作用为氧化过程,氧化产物为去氢抗坏血酸、2,3-二酮古罗糖醛、L-丁糖酸,图3-7为抗坏血酸氧化的过程。

在相同条件下,分别对未辐射和受辐射后的抗坏血酸样品进行了负离子模式质谱分析,结果如图3-8所示,a为辐射前质谱图,b为辐射后质谱图。质谱实验表明,抗坏血酸受辐射后,产生了很多降解产物,碎片离子峰大量增加。图a中主要峰的分布为,m/z 173.4为抗坏血酸失去质子后的准分子离子峰,m/z 181,m/z 189,m/z 195分别是抗坏血酸分子离子结合碎片结构形成的碎片峰。图b中样品降解产物脱氢抗坏血酸碎片峰、2,3-二酮古罗糖醛和L-丁糖酸离子峰分别出现在m/z 174、m/z 192和m/z 136处。辐射后质谱图中增加了许多碎片离子峰,这是由于抗坏血酸含有内酯键,易于形成含丰富羟基、羰基、羧酸结构分子。因此降解产物在质谱中离子化时,脱去H ₂O、CO、CO ₂、中性片段、烷链,在多效离子阱质谱中碰撞裂解形成较多的碎片离子峰。

实验对辐射前后抗坏血酸样品进行了 ¹H核磁共振光谱NMR（300MHz,D ₂O）的测试（图3-9）。A图中H-1（δ 4.85）和H-2（δ 4.84）分别是抗坏血酸环状内酯结构上羟基的氢信号；H-3和H-4分别是支链上羟基的氢,H-5是内酯环上的氢信号,出现在δ 3.96～3.93范围内；H-6（δ 3.65）和H-7（δ 3.63）分别是支链结构上的氢信号。辐射后从B图中可以看出氢质子的化学位移值向高场移动,共振信号数目有所增加,在δ 3.6～δ 4.1处出现丰富的质子共振峰,为—CH ₃和—CH ₂—产生的信号峰,使氢的屏蔽效应增加。表明辐射后存在甲基和亚甲基这类处于高场信号的直链结构物质。同时环状不饱和结构受到了破坏,取代基对质子产生的诱导效应减少,大量的羟基信号出现在δ 4.75处,证实了抗坏血酸分子由环状内酯结构降解形成了含氢丰富的短链产物。与常规降解过程产物特征一致。

受辐射后,抗坏血酸溶液的稳定性研究结果如图3-10所示。由图中可以看出,辐射后的溶液体系能够保持较好的稳定性。“0.5mg/ml抗坏血酸+草酸”溶液体系在25小时内稳定性最佳,适于测量。“1.0mg/ml抗坏血酸辐射后加入草酸”系列辐射后较为稳定,适于较长时间保存并测定剂量。

用研制的采样装置和新建的检测方法进行现场辐射吸收剂量检测,并与辐射吸收剂量国家检测标准方法进行对比实验。实验中进行了0.5mg/ml和1.0mg/ml抗坏血酸溶液辐射后加入草酸溶液的采样点设计,结果如表3-4所示。

抗坏血酸受 γ辐射后,其高效液相色谱信息（ A）改变,并与辐射剂量（ D）之间具有良好的线性定量关系,据此本文研制了 γ辐射的抗坏血酸色谱辐射剂量计。

辐射后加入草酸可以明显提高抗坏血酸色谱辐射剂量计的稳定性。

抗坏血酸受 γ辐照的降解反应符合双氧水氧化模型,辐射作用为氧化过程。

抗坏血酸用于辐射测量时所需方法简单,成本低,无须除氧等处理,是一种较为理想的辐射剂量检测材料。