神奇的稳定同位素

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一提到“同位素”,很多人自然就会联想到“放射性”,不免有点担心:它会危害我们的身体健康吗?

这其实是对它的误会。同位素是指质子数相同而中子数不同的元素,在元素周期表中处在同一个格子中,可以说它们是“孪生兄弟”。

迄今为止,人类已经发现的118种元素有3000 多种同位素,其中不具有放射性的稳定同位素有274种,这些稳定同位素大多数存在于自然界,与宇宙共生,与生命和谐共存。

几乎所有的化合物、水、大气中都有稳定同位素存在,因而稳定同位素也就自然地存在于动植物和人体中,并在相关的科学研究中,发挥着独特的作用。


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稳定同位素为什么稳定?


让我们从原子的结构来解释这个问题。从物理学角度看,元素的放射性取决于原子核的稳定性。原子核中存在两种力,即核力和电磁力。当这两种作用力势均力敌的时候,原子核就能够稳定存在。


迄今为止,已知有81种元素有稳定同位素。原子序数在84以上的元素的同位素都具有放射性。已应用的稳定同位素有34种,已实现规模生产的稳定同位素有氢-2(2H)、锂-6(6Li)、硼-10(10B)、碳-13(13C)、氮-15(15N)、氧-18(18O)等。

常用的稳定同位素及其在自然界的天然丰度:



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稳定同位素——亘古不变


早在1912年,科学家就发现了稳定同位素,它比放射性同位素更早地应用在科学研究中。

但得到高纯度的稳定同位素很困难,测试仪器价格昂贵,检测技术尚待开发,限制了稳定同位素的推广与应用。20世纪40年代起放射性同位素的作用开始凸显,并优先应用于核武器、核电站等。与同期放射性同位素的欣欣向荣相比,稳定同位素则不温不火。

20世纪60年代,稳定同位素生产方法有了重大的改进,产量不断增加,价格大幅度下降。同时,分析仪器和稳定同位素的检测技术日益发展,推动了稳定同位素在各领域中的应用。

顾名思义,稳定同位素的特点在于稳定,没有放射性。元素的稳定同位素具有相似的物理化学性质和不同的核内性质。与放射性同位素相比,稳定同位素具有的特点:



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稳定同位素的多元应用


利用其物理化学性质与普通元素几乎相同,制备出的各种稳定同位素标记试剂应用于农业、水文地质、地球化学、生态环境、生物医学、分析检测等诸多科学领域。

近年来,在新兴的基因工程、蛋白质组学、代谢组学和代谢工程等前沿领域,稳定同位素示踪也已成为一种应用广泛、独特高效甚至必不可少的技术。


# 农业领域

稳定同位素最早应用在农业科研领域。

稳定同位素15N在农业科学中的应用研究十分广泛,包括合理施用化肥、提高氮肥效率、改良品种、作物营养代谢、生物固氮、饲料配方、植物药材等。

▲ 同位素示踪法简单直接,试验条件均在施肥的状态下,更接近自然环境下植物生长的发育状态,从而可以真实反映植物对肥料的吸收和利用等情况。

# 水文地质领域/地球化学领域

环境中的2H、18O 同位素可以用来有效地指示水循环,如水的源头、年龄、补给、渗漏、地下水停留的时间等,从而为认知水的形成、运动及成分变化机制提供重要的依据,为合理利用水资源奠定基础。

相应地,它所能做出的贡献也不仅仅是限于地表水领域,还包括地下以及地热水等普遍的水循环和水资源。

我们可以利用该规律来追溯各圈层之间物质的起源和相互作用。例如,用氧、碳同位素示踪古代气候和古代环境的变迁,用碳、氢、氧、硫同位素组成的变化进行地层的对比。

# 生态环境领域

21世纪初,稳定同位素氢-2(2H或D)在示踪动物食物信息、分析食物链结构以及研究动物迁徙生态学中起到举足轻重的作用。

近年来,动物生态学家们还将稳定同位素技术应用到动- 植物相互关系研究中。

# 生物医学领域

稳定同位素产品目前已广泛应用于生物医学领域的临床研究、疾病的诊断与鉴别、病情分期、治疗效果评估和新药开发等领域。

▲ 胃幽门螺旋杆菌检测流程

▲ 125I 粒子植入术治疗癌症

# 能量代谢领域

双标记水法(doubly labeled water,DLW)是一种经典的精确测量能量消耗的方法。

在国际原子能机构发布的“国际原子能机构人体健康系列第三部分”中指出,双标记水法是准确测量一个人在正常的日常生活条件下每天消耗能量的唯一办法。目前,该方法已广泛应用到特定人群的能量消耗测量中,如航天员在航天飞行过程中的能量消耗数据、授乳母亲在哺乳期的能量消耗等。通过这一方法测得的能量消耗数据,对人体健康状态的检测、食物的准确配给有重要的指导意义。

# 分析检测领域

近年来,稳定同位素检测技术在生态环境、食品安全、司法检验等领域的环境监测、农兽药残留检测、食品非法添加剂检测、兴奋剂检测及毒品检测等应用中飞速发展,发挥着不可替代的作用。

国际上利用稳定同位素检测技术对植物源产品,如葡萄酒、饮料的地域溯源进行研究;对动物源产品,如乳品、肉的溯源研究也日益增加。体育竞赛中通过对尿液中的13C 的检测来判别运动员是否服用了兴奋剂。利用稳定同位素检测技术还可以快速识别毒品、炸药、伪钞的产地和来源。


不仅仅是以上列举到的这些,在地质、医学、营养学、生命科学、食品安全、现代农业、生态环境等领域都有稳定同位素技术的身影。

稳定同位素因为无放射性、元素的化学性质基本相同而被用作示踪原子帮助人们认识未知世界的科学规律。

一个多世纪以来,稳定同位素的应用也是随着仪器的发展而在广度和深度方面不断拓展,在许多科研与生产领域发挥着越来越多、甚至是不可替代的重要作用。

同时,我们也希望能有越来越多的人,能够走进稳定同位素这个神奇的领域,消除人们对稳定同位素的恐惧感,了解到稳定同位素的基本知识以及稳定同位素的广泛应用。



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