天然铀由²³⁸U、²³⁵U和²³⁴U 3种同位素组成，具有放射性和化学毒性，长期摄入高剂量的铀可能会造成肾脏损伤等健康问题^[1]。尿铀监测是职业人员或核应急情况下公众铀摄入量及其内照射剂量估算的重要手段之一，精确地分析人尿中总铀含量及其同位素丰度比，对于分析污染源以及进行健康危害评价具有重要意义。我国现行的国家标准中分析尿中总铀的方法主要是液体荧光法^[2]，但总铀分析无法区分天然铀、贫铀以及浓缩铀等。电感耦合等离子体质谱 (ICP-MS) 技术能够快速测量铀及其同位素比值，近年来成为国际上分析尿中铀及其同位素的推荐方法之一^[3-4]。本研究通过对尿中有机物氧化处理，磷酸三丁酯 (TBP) 萃淋树脂分离纯化铀，ICP-MS检测手段，建立了快速、高效分析尿中总铀及其同位素丰度比的方法，同时对测量结果进行了不确定度评价。

材料与方法

1.仪器与试剂：高分辨电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS，Finnigan Element 2，德国)；玻璃色层柱，内径5 mm，高度80 mm，北京玻璃仪器厂；硝酸，BV-Ⅲ级；碳酸钠及其他化学试剂均为分析纯，购自北京化学试剂研究所。实验中所用水均为MilliQ (美国，Milli-Q Direct) 制得的超纯水。天然铀标准溶液选用美国SPEX公司进口多元素标准溶液配制，铀同位素比值标准溶液选用IRMM-184(欧盟标准物质与测量研究所)。

2.尿样采集方法：采集杯使用前用蒸馏水淋洗并烘干。采集本实验室5位工作人员24 h的尿样，共约10 L，加入200 ml浓硝酸，充分搅拌混匀。放入样品冷藏箱中4℃以下保存。

3.总铀分析样品制备：取5 ml尿样至聚四氟乙烯密闭罐中，加入3 ml H₂O₂，静置过夜。加入3 ml HNO₃，密闭，将样品在电热板上150℃加热10 h，冷却至室温，所有样品均变为澄清溶液。转移至试管中，称重，记录。取1 ml待测样品，称重，用超纯水稀释至10 ml，充分摇匀，ICP-MS测量。

4.铀的分离与纯化：量取100 ml尿样，用上述方法消解，蒸至近干，用5 mol/L HNO₃定容至5 ml，待上柱。选择磷酸三丁酯 (TBP) 萃淋树脂分离铀，将树脂用去离子水浸泡过夜，湿法装柱，15 ml 5 mol/L的硝酸溶液平衡柱子，用上述5 ml尿样上柱，用20 ml 5 mol/L的硝酸溶液淋洗干扰杂质，最后用10 ml超纯水洗脱铀并收集于样品管中，使用ICP-MS测量²³⁵U/²³⁸U比值。

5.样品测量：测量前使用仪器自带标准对灵敏度和分辨率进行调谐。依次测定浓度为0.02、0.2、0.6、6和10 μg/L的铀标准溶液，建立校准曲线，测量样品中总铀的含量。在²³⁵U/²³⁸U比值的测量中，通过测定铀同位素比值标准溶液获得质量偏倚系数，对待测样品中²³⁵U/²³⁸U比值的测量值进行校正，即得校准值。

6.方法加标回收率和检出限：平行取5份尿样，分别加入已知量的铀标准溶液，按总铀分析流程，计算得到实验方法的回收率。以10份空白样品测量值标准偏差的3倍相对应的浓度值作为分析方法的检出限。

7.尿中总铀含量和²³⁵U/²³⁸U比值数学模型：尿中总铀含量不确定度评估数学模型见式 (1)：

$\omega = \frac{{\rho \times {V_2}}}{{{V_1}}} \times f$

(1)

式中，ω为尿样中总铀的质量浓度，μg/L；ρ为测定尿样稀释液中总铀的质量浓度 (扣除空白后)，μg/L；V₁为尿样取样体积，ml；V₂为尿样稀释液定容体积，ml；f为稀释倍数。

根据²³⁵U/²³⁸U比值的计算公式，其不确定度评估的数学模型见式 (2)：

$R = \frac{{{R_{{\rm{sc}}}}}}{{{R_{{\rm{sm}}}}}} \times {R_{\rm{m}}}$

(2)

式中，R_sc和R_sm分别为铀同位素比值标准溶液的标准值和测定值；R_m为样品溶液中²³⁵U/²³⁸U比值的测定值；R为经过校准后尿样中²³⁵U/²³⁸U比值。

8.不确定度的来源和分析：从测量方法和数学模型可以看出，本实验的不确定度主要来源于重复性测量、标准溶液、标准曲线拟合、定容、稀释和样品前处理等的不确定度。消解过程可通过加标回收率实验来评估。分别根据测量方法和数学模型对尿中总铀含量和²³⁵U/²³⁸U同位素比率的结果进行不确定度的A类评定和B类评定^[5]。

(1) 不确定度A类评定u_A：A类不确定度的典型来源是样品多次测量的标准偏差。对被测量样品进行独立重复观测，通过一系列测得值，用统计分析方法获得实验标准偏差s(x)，用算术平均值x作为被测量估计值时，A类不确定度可根据式 (3) 计算。

${u_{{\rm{A}},{\rm{m}}}} = s\left( {\bar x} \right) = \frac{{s\left( {{x_i}} \right)}}{{\sqrt n }}$

(3)

式中，s(x) 为测量平均值的标准偏差，s (x_i)为单次测量结果的标准偏差，n为测量次数。

(2) 不确定度B类评定u_B：B类不确定度主要包括标准物质引入的不确定度、样品处理过程引入的不确定度和标准曲线引入的不确定度等。

标准物质引入的不确定度可用式 (4) 计算：

${u_{{\rm{B}},s}}{\rm{ = }}\frac{{{\Delta _i}}}{{\sqrt 3 }}$

(4)

式中，u_{B, s}为标准物质引入的不确定度，Δ_i为第i种标准物质由稳定性及定值过程引进的参考值标准差的半宽度。

样品处理过程引入的不确定度μ_{B, t}来源于样品、空白样和试剂定容引入的不确定度和样品处理过程回收率引入的不确定度等。

标准曲线引入的不确定度可用式 (5) 计算：

${u_{{\rm{B}},c}}{\rm{ = }}\frac{s}{b}\sqrt {1 + \frac{1}{n} + \frac{{{{\left( {x - \bar x} \right)}^2}}}{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left( {{x_i} - \bar x} \right)}^2}} }}} $

(5)

式中，u_{B, c}标准曲线引入的不确定度，s为回归的标准偏差，n为测量次数，x样品液测量值，x_i为标准溶液第i次测量值，x为绘制标准曲线所用全部值的平均值。

其中回归的标准偏差s计算见式 (6)：

$s = \sqrt {\frac{{\sum\limits_{i = 1}^n {{{\left[ {{y_i} - \left( {b + a{x_i}} \right)} \right]}^2}} }}{{n - 2}}} $

(6)

式中，假设拟合标准曲线为y=b+ax，其中b为截距，a为斜率。

(3) 合成标准不确定度可用式 (7) 计算：

${u_{\rm{c}}} = \sqrt {u_{\rm{A}}^2 + \sum\limits_i {u_{{\rm{B}},i}^2} } $

(7)

式中，u_c为合成不确定度；u_A为A类不确定度，u_{B, i}是第i种影响因素引入的B类不确定度。

其扩展不确定度见式 (8)：

$U = k{u_{\rm{c}}} = k\sqrt {u_{\rm{A}}^2 + \sum\limits_i {u_{{\rm{B}},i}^2} } $

(8)

U 为扩展不确定度，k为扩展不确定度的包含因子，一般取k=2。

结果

1.总铀分析方法精密度和检出限：分析10份空白样品中总铀浓度，计算得到该方法相对标准偏差 (RSD) 为0.07，该方法具有良好的精密度，检出限为0.002 μg/L。

2.尿中总铀的加标回收率：尿样的加标测定值分别为0.498、0.494、0.496、0.512和0.492 μg/L，平均值为0.498 μg/L；总铀加标回收率分别为99.6%、98.8%、99.2%、102.4%和98.4%，平均值为99.68%。方法的准确度较高，可满足相关检测要求。

3.实际尿样中总铀分析的不确定度评价结果：

(1) A类不确定度：平行取6份尿样，按总铀分析流程制备，总铀含量的测量结果分别为0.08、0.08、0.14、0.11、0.16和0.09 μg/L，平均值为0.11 μg/L。根据贝塞尔公式，计算分析结果的标准偏差为0.034 μg/L，根据式 (3)，平均值的标准不确定度为u_{A, m}为0.014 μg/L，则样品分析中多次测量引入的相对不确定度u_A为0.127。

(2) B类不确定度

① 天然铀标准溶液:标准物质证书给出的相对不确定度为1.4%，扩展因子k=2，则由标准物质引入的不确定度u_{B, s}≈0.007 0。

② 样品处理过程引入的不确定度：样品消解液稀释倍数通过称重方式计算，电子天平检定证书上最大允许误差为±0.1 mg，按均匀分布，称量不确定度估计为0.058 mg，尿样取样量为1.000 g，则相对不确定度为0.000 058；样品消解液用10 ml容量瓶 (A级) 定容，容量瓶允许误差为0.050 ml，按均匀分布计算，10 ml容量瓶引入的不确定度为0.029/10=0.002 9。用加标回收率平均值的标准偏差表示样品处理过程引入的标准不确定度，则相对不确定度为0.007 0。故样品处理过程引入的相对不确定度为u_{B, t}=0.007 5。

③ 标准曲线引入的不确定度：不确定度评定中，已经将多次测量结果的不确定度单独评定，由标准曲线引入的不确定度以单次测量结果的不确定度评定。采用6个不同浓度的铀标准溶液，分别测3次，得到相应的计数率平均值，拟合直线方程y =21 813x+121.16，则根据式 (3)、(4)，斜率a=21 813，截距b=121.6；样品测量次数P=1；标准曲线浓度点测量次数n=18；回归曲线标准偏差s=59.681 7；标准溶液平均值x为0.503 μg/L，样品浓度x为0.403 μg/L；标准不确定度u_{B, c1}为0.002 97 μg/L，相对标准不确定度为u_{B, c}=0.005 9。

④ 标准曲线配制：采用十万分之一电子天平称重，多次逐级稀释。电子天平检定证书上最大允许误差为±0.01 mg，取1 g标准液稀释100倍作为储备液，分别取1、0.6、0.2、0.06、0.02和0.002 g的储备液稀释10倍，则标准溶液配制过程引入的相对不确定度u_{B, w}为0.002 9。

(3) 尿中总铀不确定的合成和计算结果表达：根据式 (7)、(8)，计算合成不确定度u_c≈0.13；k=2时，相对扩展不确定度U_rel为0.26，绝对扩展不确定度表示为：U≈0.029 μg/L，测量结果表达为：(0.11±0.03)μg/L (k=2)。

4.尿中²³⁵U/²³⁸U比值的不确定度评定结果及计算结果表达

(1) 重复多次测量引入的不确定度主要由尿样和铀同位素标准物质中²³⁵U/²³⁸U比值多次测量引入。对人尿中²³⁵U/²³⁸U比值平行测量了6次，其校正结果分别为0.007 211、0.007 224、0.007 229、0.007 208、0.007 211和0.007 213，平均值为0.007 216。使用铀同位素标准物质校正质谱仪的质量歧视，6次测量结果分别为：0.007 160、0.007 167、0.007 168、0.007 171、0.007 163和0.007 165，平均值为0.007 167。根据贝塞尔公式，尿中²³⁵U/²³⁸U比值测量的标准偏差为8.44×10^-6，多次测量的引入的标准不确定度u_{A, m1}=3.44×10^-6，以相对不确定度表示为0.048 %。同理，铀同位素标准物质中²³⁵U/²³⁸U比值多次测量引入的标准不确定度u_{A, m2}=1.58×10^-6，以相对标准不确定度表示为0.022%，则A类不确定度u_A≈0.000 53。

(2) 准物质证书给出的相对不确定度为0.03%，扩展因子k=2，则u_{B, s}≈0.000 15，则B类不确定度u_B=u_{B, s}=0.000 15。

(3) 根据式 (7)、(8)，合成不确定度u_c≈0.000 5，k=2时，相对扩展不确定度U_rel为0.001 1绝对扩展不确定度U=0.000 01，测量结果表示为 (0.007 22±0.000 01)(k=2)。

讨论

为估算吸入或食入铀对人体造成的危害，尿铀分析是一种简便易行的方法，是铀常规监测中的重要手段^[6]。世界卫生组织 (WHO) 等将尿铀分析作为放射性职业危害的主要评价方法^[7]。但是由于尿样基体复杂，铀的含量非常低，且²³⁵U/²³⁸U天然丰度比为0.72%，贫铀仅为0.2%~0.3%，因此准确测量铀同位素丰度比值一般需要对样品进行前处理与分离浓缩。目前测定尿中铀常用的分析方法主要有荧光法、α谱法、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS)^{[2, 8-10]}等。α谱测量特点是能够测定总铀浓度和同位素比值，但是测量时间较长24 h或更长，并且干扰去污要求高。荧光法只能测量总铀浓度, 不能够测定铀同位素比值^[11]。本研究采用ICP-MS技术，具有测量时间短 (几十秒到几分钟)、灵敏度高、可测量同位素丰度比值等优点，近年来在分析尿样中低水平铀的应用中受到了广泛关注^[11-14]。文献报道的正常人尿样中含铀为检出限~0.97 μg/L^[14-15]，本研究中总铀的分析方法检出限较低，能够满足公众及职业工作人员尿中总铀测定的需要。

萃淋树脂是目前国内外分离尿中微量铀应用较为广泛的方法，国际上常用的树脂U/TEVA和TRU价格昂贵，本实验室选用国产TBP萃淋树脂分离尿中铀，通过选择不同酸度的淋洗液和洗脱液，研究了其对杂质的去除和铀的洗脱效果，优化了分离过程，取得良好效果^[16]。该分析流程既避免了在ICP-MS测量时可能造成的无机盐基体抑制效应，又可以保证总铀及²³⁵U/²³⁸U比值测量结果的准确性和精密度。在结果的不确定度评定中，针对化学分析过程的特殊和复杂性，本研究详细分析了尿样分析过程中不确定度的来源，对各不确定度分量进行了科学评定，为我国相关分析方法的标准制定提供技术参考。

利益冲突 本文设计内容和其他个人及组织无任何利益冲突
作者贡献声明 尹亮亮负责实验测量、数据分析和论文撰写；田青、黄微、邵宪章负责样品采集和实验测量；吉艳琴负责组织实验研究、方案设计、数据分析及论文修改