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氘氣同位素氣體的應(yīng)用領(lǐng)域

2019-7-18 14:22:54

如今穩(wěn)定性同位素有274種，穩(wěn)定性同位素之間的質(zhì)量有差異，因而其核自旋性質(zhì)很不相同，核磁共振相對頻率及相對靈敏度也有很大的差異，這為通過質(zhì)譜法、核磁共振法等測試穩(wěn)定同位素的豐度提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

穩(wěn)定性同位素及其化合物之間的化學性質(zhì)和生物性質(zhì)是相同的，只是具有不同的核物理性質(zhì)。因此，可以用穩(wěn)定性同位素作為示蹤原子，制成含有穩(wěn)定性同位素的標記化合物，利用其與相應(yīng)非標記元素的不同特性，通過質(zhì)譜儀、核磁共振儀等分析儀器來測定穩(wěn)定同位素反應(yīng)后的位置、數(shù)量及其轉(zhuǎn)變量等，從而了解反應(yīng)的機理、途徑、效果等。

由于穩(wěn)定性同位素不具有放射性，無論在分離、標記化合物合成及應(yīng)用過程中均無特殊防護要求，操作簡便、使用安全、無毒性，可直接用于動物及人體的營養(yǎng)學、臨床醫(yī)學研究及醫(yī)療診斷等等諸多領(lǐng)域。目前得到產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)并已廣泛應(yīng)用的主要為氘氣（D2）、硼10（10B）等少數(shù)幾種產(chǎn)品。氘氣重要還是通過電解重水來制取，氘氣除了可以制作氘燈、氘代試劑、核磁共振、核聚變應(yīng)用之外，最主要的應(yīng)用還是在光纖行業(yè)，用以生產(chǎn)低水峰光纖。 10B用于控制核反應(yīng)堆的反應(yīng)速度。估計，氘氣和硼10是目前用量較大的同位素氣體產(chǎn)品，另外，碳13（13C）、氮15（15N2）、氧18（18O2）、氖22（22Ne）同位素氣體和同位素化合物試劑在許多研究和分析具有廣泛的應(yīng)用。

一、在醫(yī)學領(lǐng)域，穩(wěn)定性同位素產(chǎn)品目前已廣泛應(yīng)用于醫(yī)學領(lǐng)域的臨床研究、多種疾病的診斷與鑒別、病情判斷、治療效果評價、臟器功能研究和新藥開發(fā)等方面，如 PET診斷、13C-尿素呼氣法檢測幽門螺旋桿菌、腫瘤治療（硼中子捕獲療法）、藥物研究等。

二、在生命科學領(lǐng)域，核磁共振（NMR）和質(zhì)譜（MS）波譜研究不同蛋白質(zhì)種群的結(jié)構(gòu)、功能等需要穩(wěn)定性同位素整合技術(shù)，其中包括同位素編碼親和標記方法（ICATTM）、細胞培養(yǎng)中氨基酸穩(wěn)定同位素標記技術(shù)（SILAC）、目標蛋白的絕對定量分析方法（AQUATM）等。穩(wěn)定性同位素通過生物代謝引入、酶解引入或化學性引入到蛋白質(zhì)等生物大分子中，通過大型儀器分析后選用分子生物學軟件處理可以得到生物大分子的結(jié)構(gòu)圖。

能量代謝研究集中在運動醫(yī)學、兒童營養(yǎng)、食物營養(yǎng)以及減肥、宇航員飲食等方面。采用穩(wěn)定性同位素示蹤法是研究新陳代謝的方法之一，常用穩(wěn)定同位素有2H、15N、13C、18O等。例如采用2H和18O標記的雙標記水［Doubly labeled water (DLW)］技術(shù)是一種評價人體能耗量大小的新方法，此方法已初步應(yīng)用于體育科學領(lǐng)域的實驗室研究和場地研究中，是目前評價能量代謝最準確的方法。

在農(nóng)業(yè)科研領(lǐng)域，穩(wěn)定性同位素15N、13C廣泛應(yīng)用于植物生理生化研究、土壤與植物營養(yǎng)研究、植物保護研究、水稻、花卉、農(nóng)產(chǎn)品等作物的改良研究、草地的氮素循環(huán)研究等方面。在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用的穩(wěn)定性同位素產(chǎn)品大部分為低豐度產(chǎn)品。低豐度的15N標記尿素、15N標記硫酸銨、15N標記硝酸銨、15N標記氯化銨等無機鹽類是比較常用的肥料示蹤劑。

三、在環(huán)境科學研究中，在不同的環(huán)境條件下，穩(wěn)定性同位素的組成會有一定的差異，氮同位素就是一種很好的污染物指示劑。在生態(tài)系統(tǒng)污染的監(jiān)測中，測定的15N值還可以作為水域環(huán)境污染程度指標。通過使用穩(wěn)定性同位素技術(shù)，可以使生態(tài)學家測出許多隨時空變化的生態(tài)過程，同時又不會對生態(tài)系統(tǒng)的自然狀態(tài)和元素的性質(zhì)造成干擾。穩(wěn)定性同位素15N能夠被用來測定植物通過氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對比率；確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率；判定N2O的來源（硝化細菌或反硝化細菌）；確定食物鏈的長度；確定空氣和水體污染物的來源；如何確定植物的分布區(qū)域等。

四、在分析測試領(lǐng)域，食品、農(nóng)藥殘留、興奮劑、海洛因的檢測中，穩(wěn)定性同位素技術(shù)具有獨特的作用。在地質(zhì)學、地球化學、古生物學、生態(tài)學等研究中也有著廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定同位素標記化合物還可作為NMR和質(zhì)譜儀等分析檢測方法的內(nèi)標物等。

在激光領(lǐng)域，氖同位素20Ne、22Ne和3He是制備氦-氖激光器的關(guān)鍵材料。這種激光器可以用于激光陀螺，而激光陀螺是一種新型的慣性導航部件，它主要應(yīng)用于各種型號、規(guī)格的衛(wèi)星、飛機、艦船的導航及定位、定向系統(tǒng)。

在核能發(fā)電領(lǐng)域的應(yīng)用：10B用于控制核反應(yīng)速度，使核反應(yīng)堆安全、穩(wěn)定運行；用于核反應(yīng)堆的防護材料等。10B亦有代替氦3用于制作中子探測管。

五、在半導體行業(yè)，硅的同位素28Si具有更好的晶體結(jié)構(gòu)，提高了熱導率，可用于半導體芯片基礎(chǔ)材料，緩解因半導體芯片尺寸縮小，電流密度增大而帶來的溫度升高。ND3可用來制作氮化硅和氧氮化硅的鈍化薄層。當擴散部分的氘取代失去的氧氣時，有較重介子質(zhì)量的氘以增加特定的晶體管壽命。

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