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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(duì)頻率及相對(duì)靈敏度也有很大的差異，這為通過(guò)質(zhì)譜法、核磁共振法等測(cè)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(xué)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(biāo)記化合物，利用其與相應(yīng)非標(biāo)記元素的不同特性，通過(guò)質(zhì)譜儀、核磁共振儀等分析儀器來(lái)測(cè)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(jī)理、途徑、效果等。

由于穩(wěn)定性同位素不具有放射性，無(wú)論在分離、標(biāo)記化合物合成及應(yīng)用過(guò)程中均無(wú)特殊防護(hù)要求，操作簡(jiǎn)便、使用安全、無(wú)毒性，可直接用于動(dòng)物及人體的營(yíng)養(yǎng)學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)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(guò)電解重水來(lái)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(jì)，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(xué)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(xué)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(píng)價(jià)、臟器功能研究和新藥開(kāi)發(fā)等方面，如 PET診斷、13C-尿素呼氣法檢測(cè)幽門(mén)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(xué)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(biāo)記方法（ICATTM）、細(xì)胞培養(yǎng)中氨基酸穩(wěn)定同位素標(biāo)記技術(shù)（SILAC）、目標(biāo)蛋白的絕對(duì)定量分析方法（AQUATM）等。穩(wěn)定性同位素通過(guò)生物代謝引入、酶解引入或化學(xué)性引入到蛋白質(zhì)等生物大分子中，通過(guò)大型儀器分析后選用分子生物學(xué)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(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、兒童營(yíng)養(yǎng)、食物營(yíng)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(biāo)記的雙標(biāo)記水［Doubly labeled water (DLW)］技術(shù)是一種評(píng)價(jià)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(xué)領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)室研究和場(chǎng)地研究中，是目前評(píng)價(jià)能量代謝最準(zhǔn)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(yíng)養(yǎng)研究、植物保護(hù)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(biāo)記尿素、15N標(biāo)記硫酸銨、15N標(biāo)記硝酸銨、15N標(biāo)記氯化銨等無(wú)機(jī)鹽類(lèi)是比較常用的肥料示蹤劑。

三、在環(huán)境科學(xué)研究中，在不同的環(huán)境條件下，穩(wěn)定性同位素的組成會(huì)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(cè)中，測(cè)定的15N值還可以作為水域環(huán)境污染程度指標(biāo)。通過(guò)使用穩(wěn)定性同位素技術(shù)，可以使生態(tài)學(xué)家測(cè)出許多隨時(shí)空變化的生態(tài)過(guò)程，同時(shí)又不會(huì)對(duì)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(lái)測(cè)定植物通過(guò)氮固定或吸收土壤NH4+及NO3-獲得氮素相對(duì)比率；確定土壤中碳和氮周轉(zhuǎn)速率；判定N2O的來(lái)源（硝化細(xì)菌或反硝化細(xì)菌）；確定食物鏈的長(zhǎng)度；確定空氣和水體污染物的來(lái)源；如何確定植物的分布區(qū)域等。

四、在分析測(cè)試領(lǐng)域，食品、農(nóng)藥殘留、興奮劑、海洛因的檢測(cè)中，穩(wěn)定性同位素技術(shù)具有獨(dú)特的作用。在地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)、古生物學(xué)、生態(tài)學(xué)等研究中也有著廣泛的應(yīng)用。穩(wěn)定同位素標(biāo)記化合物還可作為NMR和質(zhì)譜儀等分析檢測(cè)方法的內(nèi)標(biāo)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(dǎo)航部件，它主要應(yīng)用于各種型號(hào)、規(guī)格的衛(wèi)星、飛機(jī)、艦船的導(dǎo)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(yùn)行；用于核反應(yīng)堆的防護(hù)材料等。10B亦有代替氦3用于制作中子探測(cè)管。

五、在半導(dǎo)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(dǎo)率，可用于半導(dǎo)體芯片基礎(chǔ)材料，緩解因半導(dǎo)體芯片尺寸縮小，電流密度增大而帶來(lái)的溫度升高。ND3可用來(lái)制作氮化硅和氧氮化硅的鈍化薄層。當(dāng)擴(kuò)散部分的氘取代失去的氧氣時(shí)，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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