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    氘氣、15N、13C、18O等穩定同位素各領域應用

     

      穩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學、臨床醫學研究及醫療診斷等等諸多領域。目前得到產業化生產并已廣泛應用的主要為氘氣(D2)、硼10(10B)等少數幾種產品。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、核聚變應用之外,最主要的應用還是在光纖行業,用以生產低水峰光纖。 10B用于控制核反應堆的反應速度。估計,氘氣和硼10是目前用量較大的同位素氣體產品,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用。


    一、在醫學領域,穩定性同位素產品目前已廣泛應用于醫學領域的臨床研究、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、在生命科學領域,核磁共振(NMR)和質譜(MS)波譜研究不同蛋白質種群的結構、功能等需要穩定性同位素整合技術,其中包括同位素編碼親和標記方法(ICATTM)、細胞培養中氨基酸穩定同位素標記技術(SILAC)、目標蛋白的絕對定量分析方法(AQUATM)等。穩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構圖。


    能量代謝研究集中在運動醫學、兒童營養、食物營養以及減肥、宇航員飲食等方面。采用穩定性同位素示蹤法是研究新陳代謝的方法之一,常用穩定同位素有2H、15N、13C、18O等。例如采用2H和18O標記的雙標記水[Doubly labeled water (DLW)]技術是一種評價人體能耗量大小的新方法,此方法已初步應用于體育科學領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。


    在農業科研領域,穩定性同位素15N、13C廣泛應用于植物生理生化研究、土壤與植物營養研究、植物保護研究、水稻、花卉、農產品等作物的改良研究、草地的氮素循環研究等方面。在農業上應用的穩定性同位素產品大部分為低豐度產品。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、在環境科學研究中,在不同的環境條件下,穩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。在生態系統污染的監測中,測定的15N值還可以作為水域環境污染程度指標。通過使用穩定性同位素技術,可以使生態學家測出許多隨時空變化的生態過程,同時又不會對生態系統的自然狀態和元素的性質造成干擾。穩定性同位素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域等。



    四、在分析測試領域,食品、農藥殘留、興奮劑、海洛因的檢測中,穩定性同位

    素技術具有獨特的作用。在地質學、地球化學、古生物學、生態學等研究中也有著廣泛的應用。穩定同位素標記化 合物還可作為NMR和質譜儀等分析檢測方法的內標物等。


    在激光領域,氖同位素20Ne、22Ne和3He是制備氦-氖激光器的關鍵材料。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,它主要應用于各種型號、規格的衛星、飛機、艦船的導航及定位、定向系統。

    在核能發電領域的應用:10B用于控制核反應速度,使核反應堆安全、穩定運行;用于核反應堆的防護材料等。10B亦有代替氦3用于制作中子探測管。



    五、在半導體行業,硅的同位素28Si具有更好的晶體結構,提高了熱導率,可用于半導體芯片基礎材料,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,有較重介子質量的氘以增加特定的晶體管壽命。


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