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    氘气同位素气体的应用领域

    2018-9-21 15:10:28

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      如今稳定性同位素有274种,稳定性同位素之间的质量有差异,因而其核自旋性质很不相同,核磁共振相对频率及相对灵敏度也有很大的差异,这为通过质谱法、核磁共振法等测试稳定同位素的丰度提供了技术基础。
      稳定性同位素及其化合物之间的化学性质和生物性质是相同的,只是具有不同的核物理性质。因此,可以用稳定性同位素作为示踪原子,制成含有稳定性同位素的标记化合物,利用其与相应非标记元素的不同特性,通过质谱仪、核磁共振仪等分析仪器来测定稳定同位素反应后的位置、数量及其转变量等,从而了解反应的机理、途径、效果等。
      由于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、无毒性,可直接用于动物及人体的营养学、临床医学研究及医疗诊断等等诸多领域。目前得到产业化生产并已广泛应用的主要为氘气(D2)、硼1010B)等少数几种产品。氘气重要还是通过电解重水来制取,氘气除了可以制作氘灯、氘代试剂、核磁共振、核聚变应用之外,最主要的应用还是在光纤行业,用以生产低水峰光纤。 10B用于控制核反应堆的反应速度。估计,氘气和硼10是目前用量较大的同位素气体产品,另外,碳1313C)、氮1515N2)、氧1818O2)、氖2222Ne)同位素气体和同位素化合物试剂在许多研究和分析具有广泛的应用。
      一、在医学领域,稳定性同位素产品目前已广泛应用于医学领域的临床研究、多种疾病的诊断与鉴别、病情判断、治疗效果评价、脏器功能研究和新药开发等方面,如 PET诊断、13C-尿素呼气法检测幽门螺旋杆菌、肿瘤治疗(硼中子捕获疗法)、药物研究等。
      二、在生命科学领域,核磁共振(NMR)和质谱(MS)波谱研究不同蛋白质种群的结构、功能等需要稳定性同位素整合技术,其中包括同位素编码亲和标记方法(ICATTM)、细胞培养中氨基酸稳定同位素标记技术(SILAC)、目标蛋白的绝对定量分析方法(AQUATM)等。稳定性同位素通过生物代谢引入、酶解引入或化学性引入到蛋白质等生物大分子中,通过大型仪器分析后选用分子生物学软件处理可以得到生物大分子的结构图。
      能量代谢研究集中在运动医学、儿童营养、食物营养以及减肥、宇航员饮食等方面。采用稳定性同位素示踪法是研究新陈代谢的方法之一,常用稳定同位素有2H15N13C18O等。例如采用2H18O标记的双标记水[Doubly labeled water (DLW)]技术是一种评价人体能耗量大小的新方法,此方法已初步应用于体育科学领域的实验室研究和场地研究中,是目前评价能量代谢最准确的方法。
    在农业科研领域,稳定性同位素15N13C广泛应用于植物生理生化研究、土壤与植物营养研究、植物保护研究、水稻、花卉、农产品等作物的改良研究、草地的氮素循环研究等方面。在农业上应用的稳定性同位素产品大部分为低丰度产品。低丰度的15N标记尿素、15N标记硫酸铵、15N标记硝酸铵、15N标记氯化铵等无机盐类是比较常用的肥料示踪剂。
    三、在环境科学研究中,在不同的环境条件下,稳定性同位素的组成会有一定的差异,氮同位素就是一种很好的污染物指示剂。在生态系统污染的监测中,测定的15N值还可以作为水域环境污染程度指标。通过使用稳定性同位素技术,可以使生态学家测出许多随时空变化的生态过程,同时又不会对生态系统的自然状态和元素的性质造成干扰。稳定性同位素15N能够被用来测定植物通过氮固定或吸收土壤NH4+NO3-获得氮素相对比率;确定土壤中碳和氮周转速率;判定N2O的来源(硝化细菌或反硝化细菌);确定食物链的长度;确定空气和水体污染物的来源;如何确定植物的分布区域等。
    四、在分析测试领域,食品、农药残留、兴奋剂、海洛因的检测中,稳定性同位素技术具有独特的作用。在地质学、地球化学、古生物学、生态学等研究中也有着广泛的应用。稳定同位素标记化 合物还可作为NMR和质谱仪等分析检测方法的内标物等。
    在激光领域,氖同位素20Ne22Ne3He是制备氦-氖激光器的关键材料。这种激光器可以用于激光陀螺,而激光陀螺是一种新型的惯性导航部件,它主要应用于各种型号、规格的卫星、飞机、舰船的导航及定位、定向系统。
    在核能发电领域的应用:10B用于控制核反应速度,使核反应堆安全、稳定运行;用于核反应堆的防护材料等。10B亦有代替氦3用于制作中子探测管。
      五、在半导体行业,硅的同位素28Si具有更好的晶体结构,提高了热导率,可用于半导体芯片基础材料,缓解因半导体芯片尺寸缩小,电流密度增大而带来的温度升高。ND3可用来制作氮化硅和氧氮化硅的钝化薄层。当扩散部分的氘取代失去的氧气时,有较重介子质量的氘以增加特定的晶体管寿命。
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