¹³¹I是核医学中用于诊断和治疗的重要放射性核素之一^[1-2]，由于其具有易挥发性，容易造成环境放射性污染^[3-4]，导致工作人员可能会因吸入¹³¹I受到内照射^[5]。人体经长时间的内照射会造成甲状腺功能的损伤、腺体组织的改变甚至诱发甲状腺癌^[6-7]。我国标准《职业性内照射个人监测规范》(GBZ 129-2016)^[8]中规定了内照射个人监测方法，包括体外直接测量、生物样品分析和空气采样分析。目前已有不少研究对核医学工作场所中¹³¹I进行了空气采样监测，但缺少对不同化学形态¹³¹I活度浓度的测量研究。因此，本研究对15家医院的核医学科工作场所进行了¹³¹I空气采样，介绍了空气采样及非均匀分布的样品中¹³¹I的活度测量方法，分析了不同工作场所中¹³¹I的化学形态，并评估了职业人员可能因吸入所致的内照射剂量。

材料与方法

1.研究对象：本研究对湖南省和山西省共15家医院的核医学科进行了¹³¹I空气采样监测，采集了核医学科工作场所空气中不同化学形态的¹³¹I，包括气溶胶碘、气态无机碘和气态有机碘。

2.仪器与材料：TFRC-2FTCDT便携式大流量空气采样器(美国Staplex公司)，其空载流量范围为(0.1~1 200)L/min。¹³¹I活度测量仪器为BE5030宽能型高纯锗(HPGe)γ能谱仪和GC3018同轴P型HPGe γ能谱仪，均为美国Canberra公司生产，相对于3"×3" NaI(Tl)晶体的探测效率分别为50.5%和30%。¹³¹I收集介质为美国HI-Q公司生产的玻璃纤维滤膜(型号FPAE-47)、活性炭滤膜(型号FPACI-47)、碘盒(型号TC-45)其内装活性炭由三乙烯二胺(triethylene diamine, TEDA)浸渍，碘盒内的活性炭净重为23.6 g，净高为2 cm，直径为5 cm。¹³¹I的效率刻度源为中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所提供的¹³¹I玻璃纤维滤膜效率校准源(ϕ47 mm)、¹³¹I活性炭滤膜效率校准源(ϕ47 mm)和¹³¹I碘盒效率校准源(¹³¹I均匀分布)，校准源编号分别为LMI24081503、LTI24081502、HXTI24081501。

3.样品采集：考虑到职业人员的工作区和¹³¹I主要污染区，主要在核医学科的服药室、分装室和病房进行采样，共计25个采样点。为了实现空气代表性监测，将空气采样器置于房间的中心位置，空气采样器距地面1.5 m，以尽量采集人体呼吸带区域的空气。每次在¹³¹I分装或给药后立即开始采样，采样器的流量设置为100 L/min，采样时长为30 min。根据标准《空气中碘-131的取样与测定》(GB/T 14584-1993)^[9]，¹³¹I的收集介质由玻璃纤维滤膜、活性炭滤膜和碘盒串联组成，分别采集空气中的气溶胶碘、无机碘和有机碘。在100 L/min的采样流量下，玻璃纤维滤膜对0.3 μm的气溶胶微粒收集效率接近100%；活性炭滤膜对无机碘的收集效率为95%~99%，对有机碘的收集效率≤6%；碘盒中的活性炭由TEDA浸渍，可增加对有机碘的吸附，对有机碘的收集效率>90%^[10-11]。每次采样记录采样日期、采样开始和结束时间，采样示意图见图 1。

4.仪器校准与刻度

(1) 流量校准：TFRC-2FTCDT型便携式大流量空气采样器由北京市计量检测科学研究院提供校准，校准证书编号为EC24S-PC101005，在校准合格期内。

(2) HPGe γ谱仪的检定：BE5030宽能型HPGe γ能谱仪和GC3018同轴P型HPGe γ能谱仪均由中国计量科学研究院检定并在检定有效期内。

(3) ¹³¹I滤膜样品的效率刻度方法：使用¹³¹I玻璃纤维滤膜效率校准源、¹³¹I活性炭滤膜效率校准源分别对BE5030 HPGe γ能谱仪和GC3018 HPGe γ能谱仪进行效率刻度，刻度时将效率校准源放置于探头中间位置进行测量。¹³¹I滤膜样品的探测效率计算公式为：

$ \varepsilon = \frac{{{N_0}}}{{{A_0} \times {P_{\rm{\gamma }}} \times {{\rm{e}}^{\frac{{ - \ln 2 \times t}}{T}}}}} $

(1)

式中，ε为滤膜效率校准源中¹³¹I发射的364.5 keV γ射线全能峰的探测效率；N₀为滤膜校准源中¹³¹I发射的364.5 keVγ射线的全能峰净计数率，计数/s；A₀为¹³¹I的源活度，Bq；P_γ为¹³¹I发射的364.5 keV γ射线的发射概率，81.2%；t为源活度测量日期与样品测量日期之间的差值，d；T为¹³¹I的半衰期，8.02 d。

(4) ¹³¹I碘盒样品的效率刻度方法：使用碘盒收集气态有机碘时，¹³¹I一般在碘盒内呈非均匀分布的状态，若将其简单的视为均匀体源样品进行活度分析，则会引入较大误差，因此需要建立非均匀分布样品中¹³¹I的活度分析方法^[12-13]。为了确定非均匀分布碘盒样品中¹³¹I的活度，首先需要确定¹³¹I在碘盒内不同深度的探测效率，因此，本实验将碘盒拆解后把其中的活性炭平均分为5层，然后将已知活度的¹³¹I活性炭滤膜源放置在活性炭的不同层进行测量，根据式(1)即可计算出¹³¹I在碘盒内不同深度的探测效率。

当非均匀分布的碘盒样品正向(气流入口面)测量时，¹³¹I在碘盒内的总探测效率可表示为^[14]：

$ {\varepsilon _{\rm{v}}} = \frac{{\int_0^H {{\varepsilon _{\rm{d}}}} (h) \cdot \varphi (h){\rm{d}}h}}{{\int_0^H \varphi (h){\rm{d}}h}} $

(2)

式中，ε_v为碘盒正向测量时¹³¹I的总探测效率；H为碘盒内活性炭的深度，cm；h为¹³¹I在碘盒内的深度，cm；ε_d(h)为碘盒内¹³¹I的探测效率与深度的函数；φ(h)为正向测量的概率密度分布函数。

当¹³¹I在活性炭中呈指数分布时，根据Zhao等^[15]对概率密度分布函数的定义，正向测量时φ(h)的表达式为：

$ \varphi(h)=\frac{\alpha}{1-\mathrm{e}^{-\alpha \cdot H}} \cdot \mathrm{e}^{-\alpha \cdot h} $

(3)

式中，α为¹³¹I的分布参数，cm^-1。

当非均匀分布的碘盒样品反向(气流出口面)测量时，¹³¹I在碘盒内的总探测效率可表示为：

$ \varepsilon_v^{\prime}=\frac{\int_0^H \varepsilon_{\mathrm{d}}(h) \cdot \varphi^{\prime}(h) \mathrm{d} h}{\int_0^H \varphi^{\prime}(h) \mathrm{d} h} $

(4)

式中，ε′_v为碘盒反向测量时¹³¹I的总探测效率；φ′(h)为反向测量的概率密度分布函数。

反向测量时的概率密度分布函数φ′(h)的表达式为^[15]：

$ \varphi^{\prime}(h)=\frac{\alpha \cdot \mathrm{e}^{-\alpha H}}{1-\mathrm{e}^{-\alpha H}} \cdot \mathrm{e}^{\alpha h} $

(5)

设碘盒正反向测量时的探测效率或计数率比值为K：

$ K=\frac{\varepsilon_{\mathrm{v}}}{\varepsilon^{\prime}{ }_{\mathrm{v}}}=\frac{n_{\mathrm{v}}}{n^{\prime}{ }_{\mathrm{v}}} $

(6)

式中，K为碘盒正反向测量时的探测效率或计数率比值；n_v和n′_v分别为正反向测量时的计数率，计数/s。

因此，拟合碘盒正反测量的¹³¹I探测效率比值K与分布参数α的函数关系。在分析实际碘盒样品中¹³¹I的分布时，可通过测量得到正反面计数率比值K，将其代入K-α拟合函数中，即可求得实际碘盒样品中¹³¹I的分布参数α，再将α代入式(2)或(4)中即可求得¹³¹I的总探测效率。

5.样品测量与活度计算：将采集后的¹³¹I样品用密封袋包裹、密封后进行测量，测量时¹³¹I样品与效率校准源相对HPGe γ谱仪探头的位置保持一致。则¹³¹I样品的活度可通过下式得出：

$ A=\frac{N}{\varepsilon \times P_\gamma \times f_1 \times f_2} $

(7)

式中，A为¹³¹I的活度，Bq；N为¹³¹I发射的364.5 keV γ射线全能峰净计数率，计数/s；${f_1} = {{\rm{e}}^{\frac{{ - \ln 2 \times {t_1}}}{{{T_{1/2}}}}}}$，T_1/2为¹³¹I的半衰期，8.02 d，t₁为样品采集到样品开始测量的时间差，d；${f_2} = \frac{{{T_{1/2}}}}{{\ln 2 \times {t_2}}} \times (1 - {{\rm{e}}^{\frac{{ - \ln 2 \times {t_2}}}{{{T_{1/2}}}}}})$，t₂为样品测量的总时间，d。

6.内照射剂量估算：根据标准《放射性核素摄入量及内照射剂量估算规范》(GB/T 16148-2009)^[16]，采用空气采样法估算人体摄入不同化学态¹³¹I所致待积有效剂量可用式(8)计算：

$ E=C \cdot B \cdot T \cdot e(\tau) $

(8)

式中，C为空气中¹³¹I的活度浓度，Bq/m³，由¹³¹I的活度除以采样体积(m³)得出；B为职业人员的呼吸率，0.83 m³/h^[8]；T为1个监测周期内在工作场所停留的总有效时间，h；e(τ)为每单位摄入量引起的待积有效剂量，Sv/Bq；对于无机碘的e(τ)=1.7×10^-8，对于有机碘的e(τ)=1.2×10^-8，对于气溶胶态¹³¹I，假设其活度中值空气动力学直径(AMAD)为5 μm，e(τ)=1.1×10^-8[17]。

结果

1.非均匀分布碘盒中¹³¹I的效率刻度因子计算结果：¹³¹I在碘盒内不同深度处探测效率的拟合函数，如图 2所示。

假设分布参数α∈(0~10)，当α取不同值时，根据式(2)，(4)可分别求出碘盒正反向测量时¹³¹I的总探测效率。因此，拟合碘盒正反测量的¹³¹I探测效率比值K与分布参数α的函数关系如图 3所示。在分析实际碘盒样品中¹³¹I的分布时，可测量得到正反面计数率比值K，将其代入K-α拟合函数中，即可求得实际碘盒样品中¹³¹I的分布参数。

为了验证K-α拟合函数的准确性，选取了6个¹³¹I碘盒样品进行拆解并搅拌均匀后回填再次测量，拆解前后测量¹³¹I的正反面计数率比值K。接着，使用K-α拟合函数计算拆解前碘盒内¹³¹I的分布参数α，并利用式(2)计算¹³¹I的总探测效率。¹³¹I碘盒效率校准源的效率刻度因子为0.044 7，利用该值对搅拌后均匀分布的6个碘盒样品进行活度计算，两种方法分别计算的¹³¹I活度结果如表 1所示。

从表 1可见α的范围为4.21~34.41 cm^-1，α越大表明¹³¹I几乎分布在活性炭表层。两种¹³¹I活度分析方法计算的结果相对偏差为0.82%~3.73%。另外，利用建立的K-α拟合函数计算了碘盒效率校准源的¹³¹I分布参数、探测效率及活度，并与证书活度值(14 790 Bq)进行了比较，其相对偏差为-0.20%，验证了建立的K-α拟合函数的准确性。

2.核医学科工作场所空气中不同化学态的¹³¹I活度浓度分析结果：采集的空气样品中不同化学态的¹³¹I活度浓度如图 4所示。气溶胶碘的活度浓度范围为0.19~206.67 Bq/m³，算术平均值为22.04 Bq/m³；无机碘的活度浓度范围为0.27~138.45 Bq/m³，算术平均值为12.79 Bq/m³；有机碘的活度浓度范围为2.35~3 821.11 Bq/m³，算术平均值为365.08 Bq/m³。各采样点的气溶胶碘、无机碘和有机碘的¹³¹I活度浓度百分比如图 5所示。各工作场所空气中¹³¹I的主要存在形式为有机碘，约占90%以上；气溶胶碘和无机碘所占比例非常小，分别为7%和4%。

3.内照射剂量估算：根据对职业人员在各工作场所的停留时间调查数据，职业人员在各工作场所的年总有效时间在100 h(1年50周，1周操作2次¹³¹I，每次1 h)以内。因此，根据在职业人员操作¹³¹I时，以各工作场所的年总有效时间为100 h，通过空气采样得到的不同化学态¹³¹I的活度浓度测量结果，使用式(8)分别估算了职业人员因吸入不同形态¹³¹I所致的年待积有效剂量，然后加和计算不同形态¹³¹I所致职业人员的年总待积有效剂量。得到由气溶胶碘、无机碘和有机碘所致的年待积有效剂量分别为0.17 μSv~0.19 mSv、0.38 μSv~0.19 mSv和2.34 μSv~3.81 mSv，由¹³¹I所致职业人员的年总待积有效剂量为2.89 μSv~4.13 mSv。

讨论

在大气环境中，放射性碘主要来源于核事故及医用同位素生产设施释放，通常以气溶胶和气态两种形式存在，气溶胶多以CsI、NaI的形式存在，气态碘化物主要包括元素碘或无机碘(I₂、HOI、HI)、有机碘(CH₃I、C₂H₅I)^[18-19]。人体吸入不同化学态的¹³¹I在器官内的沉积和吸收分数不同，从而造成较大的内照射剂量差异，因此，了解核医学科工作场所内不同化学态的¹³¹I活度浓度可以更为准确的估算职业人员所受内照射剂量。

对于核医学科工作场所中¹³¹I的化学形态，Gründel等^[20]对甲癌患者服用¹³¹I后呼出的空气测量结果显示，¹³¹I的主要存在形态为有机碘，随着时间的增加，有机碘的比例逐渐下降，无机碘的比例逐渐增加，而气溶胶碘的比例非常小(< 5%)且几乎恒定。王所富等^[21]对病房和服药室中¹³¹I化学形态分布调查中，不同时段的微粒¹³¹I为气态¹³¹I的0.9%~6.3%，本研究结果与之相似。通过本研究不同采样点的¹³¹I活度浓度百分比可知，分装室、服药室和病房空气中¹³¹I的主要存在形式为有机碘，约占90%以上，而气态无机碘和气溶胶碘 < 10%。病房中有机碘的百分比最高，服药室的气溶胶碘百分比相比较分装室和病房较高，而无机碘比例最低。分析有机碘的来源，相关研究表明其源自于服用¹³¹I患者的直接呼出，在给予患者的¹³¹I活度中，大约有(50~100)× 10^-6的量被呼出，并且呼出碘的化学形态与甲状腺疾病的类型无关^[22-23]。在患者服用¹³¹I后的8 h左右，病房中¹³¹I的活度浓度达到最高，随时间¹³¹I活度浓度呈指数下降，3 d后患者¹³¹I呼出量则 < 100 Bq^[24]。因此，应加强对核医学工作人员的放射防护管理，减少在控制区的停留时间。此外，放射卫生技术机构在进行工作场所监测时，应考虑采集不同形态的¹³¹I，若只用玻璃纤维滤膜采集气溶胶，则会很大程度上低估场所内¹³¹I的活度浓度。

空气中¹³¹I的活度浓度受通风条件、药物操作量、分装方式、给药方式等多种因素的影响。本研究在¹³¹I操作后分别对分装室、服药室和病房进行空气采样，发现¹³¹I活度浓度最大值是服药室的3 821.11 Bq/m³(气态有机碘)，采样当天服药室的患者总服药量为3.29×10¹⁰ Bq。本研究在现场采样时发现，大部分医院核医学科的服药室和病房是相通的，中间连接患者走廊，部分患者在服药后会在走廊中散步，这可能是导致控制区内¹³¹I化学形态分布相似的原因。15家医院核医学科工作环境中¹³¹I活度分布差异较大，气态¹³¹I的活度显著高于气溶胶态¹³¹I，职业人员因吸入¹³¹I所致的内照射剂量最高为4.13 mSv，其中吸入气态有机碘是内照射剂量的主要来源。通过本研究对不同形态¹³¹I活度浓度的调查，建议职业人员应注重对气态有机碘的防护，可佩戴专业的防护口罩。由于条件限制，未来可进一步探究不同形态¹³¹I随时间的变化规律。

利益冲突  无

志谢 感谢湖南省职业病防治院和山西省疾病预防控制中心的协助调查，感谢中国计量科学研究院电离辐射计量科学研究所的技术指导

作者贡献声明  王硕负责设计实验、现场采样、数据处理和论文撰写；拓飞负责研究思路和论文指导；张建峰、李小亮负责空气采样和信息采集；杨宝路、周强负责实验指导和论文修改