知识科普 | 稳定性同位素的应用

1897年，英国物理学家汤姆逊发现了电子，在之后的1910年，英国化学家索迪第一个提出著名的“同位素”的假说。1912年，汤姆逊改良了测电子的仪器，制成了磁分离器，这便是质谱仪的前身。当他使用此仪器测量氖气时，第一次发现了稳定同位素22氖。
到21世纪的今天，同位素技术已被应用在各个领域，与我们的生活息息相关。 1、什么是同位素？其应用在哪些方面？
同位素是同一元素的不同原子，其原子具有相同数目的质子，但中子数目却不同。例如13C和14C，18O等。根据结构稳定性，同位素可分为放射性同位素和稳定性同位素，放射性同位素在核衰变时可放出α、β、γ等射线，从而产生辐射；稳定性同位素则不发生或极不易放射性衰变。
放射性同位素虽能对人体产生损伤，但历史学家能利用放射性同位素的半衰期，推测出古生物年龄；在医学上，可利用放射性同位素的杀伤力治疗癌症、灭菌消毒等。稳定性同位素不具有放射性，无论在分离、标记化合物合成及应用过程中均无特殊防护要求，操作简便、使用安全，可直接用于动物及人体的营养学、临床医学研究及生物医学、药物研发、营养代谢等等诸多领域。例如临床医学中，13C-尿素可以测定胃部幽门螺杆菌含量；军事方面，氘、氚可用于制作氢弹等。 1912年，汤姆逊第一次发现稳定同位素22Ne，1919年，英国物理学家阿斯顿发明世界上第一台质谱仪，他使用此仪器测定了几乎所有的元素，发现了202种同位素，并提出著名的原子整数法则，因此获得1922年的诺贝尔奖。随后几十年间，渐渐发现了18O、2H等稳定同位素。直到20世纪50年代，稳定同位素的分离技术迅速发展，我国对于稳定同位素的研究也起步于此时，60年代在农业方面获得应用，随后在医学方面初步应用。 3.1 农业
可利用同位素示踪技术测定作物中的肥料吸收和畜牧业中动物的肌肉生长和蛋白质合成。
将稳定同位素标记的肥料施于作物土壤中，可以测定作物体内来自肥料中的营养成分，再与施肥和不施肥条件下养分的吸收差值比较肥料养分利用率，可以真实反映肥料利用情况。
在畜牧业中，可以利用稳定同位素如13C，15N或2H等标记的氨基酸，通过饲养或注射等方式，测定该示踪剂在肌肉中的量从而得出肌肉蛋白的合成速率和增长率。^[1] 3.2 医学
除上文提到的13C测定幽门螺杆菌外，稳定同位素在医学方面如各种代谢研究（蛋白质、糖、脂肪）、能量消耗测定、体重观察控制、药物研发生产和质量控制中均有应用。
在代谢研究中，应用最多的便是15N，同样是利用被标记的氨基酸来实施；低氘水中氘丰度在25×10^-4~135×10^-4atom%有活化免疫细胞、改善机体基础代谢水平、抗细胞突变和延缓衰老等功能；18O被应用在核医学显影药物上，用作PET检测的重要试剂。PET影像术适用于诊断疾病及发现亚临床病变，在肿瘤、冠心病和脑部疾病三大类疾病的诊断中具有重要价值。^[2]
3.3地质
地球的各个圈层具有各自的稳定同位素组成特征，故可利用稳定同位素地球化学示踪各圈层物质的来源及相互作用。
如利用氢、氧、碳同位素地慢不均-性及地幔去气作用，利用氢氧同位素示踪岩浆热液浊变和水岩相互作用，利用氢氧、碳同位素示踪变质作用过程，用氢、氧同位素示踪成矿热液来源，用碳、硫同位素示踪热液矿床成矿的物理化学环境，用氧、碳同位素示踪古气候和古环境变迁，用地层碳、氢、氧、硫同位素组成变化进行地层对比。^[1]
3.4 生态
稳定性同位素可应用于动物的食性信息研究。大气中的13C和15N通过植物的光合作用进入生态食物链。动物食用植物后，在代谢的过程中较重的同位素得以保留，因此，捕食者体内稳定性同位素比率比它们的猎物要高，可以作为食性信息的参考指标。例如，有研究者利用陆生和水生食物网的13C和15N值的不同特点，研究了亚历山大群岛狼群的食性；利用羽毛的13C和15N组成，来评价管鼻藿食性的季节变化和普通鸬鹚的摄食生态学。
稳定性同位素在生态中还可应用于营养关系研究。因为稳定同位素比值随营养级的升高而逐渐富集，顶端食物种群的13C和15N含量是最高的。因此，测定种群中的同位素，就可推断它们的食物信息及在生态系统中的营养级。^[3]
除提到的这几个方面外，稳定同位素在海洋、航空航天、工业等方面都有应用，未来还会发展用于更多领域。 参考文献：
[1]齐齐文库. 稳定同位素技术的应用