2020-09-26 18:22:51

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同位素实验室,泛指以同位素为主要研究对象的实验室,主要包括稳定同位素实验室和放射性同位素实验室两大类。前者以稳定同位素为主要研究载体,常见的示踪物如氧-18,、氢-2(即氘)、碳-13、氮-15等;后者以放射性同位素为主要载体,常见的示踪物如铯-137、钴-60、钠-22、镅-241、钚-239等。国内外开展此项研究工作的实验室较多。

基本信息

  • 中文名称

    同位素实验室

  • 解释

    同位素为主要研究对象的实验室

折叠 编辑本段 研究原理

折叠 稳定同位素

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。

在医学领域,稳定性同位素产品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。

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。

在农业科研领域,稳定性同位素15N、13C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。

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+及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。

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,20Ne、22Ne和3He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。

在半导体行业,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。

折叠 放射性同位素

放射性同位素示踪法在生物化学和分子生物学领域应用极为广泛,它为揭示体内和细胞内理化过程的秘密,阐明生命活动的物质基础起了极其重要的作用。同位素示踪技术在原基础上又有许多新发展,如双标记和多标记技术,稳定性同位素示踪技术,活化分析,电子显微镜技术,同位素技术与其它新技术相结合等。由于这些技术的发展,使生物化学从静态进入动态,从细胞水平进入分子水平,阐明了一系列重大问题,如遗传密码、细胞膜受体、RNA-DNA逆转录等,使人类对生命基本现象的认识开辟了一条新的途径。

折叠 编辑本段 中国实验室举例

中国境内可进行同位素分析的实验室至少有数百个,举例如下:

中国科学院同位素年代学和地球化学重点实验室。该实验室成立于2004年,其前身是奠定我国元素和同位素地球化学研究基础的第一个稀有元素矿物化学实验室(1956年)和第一个同位素绝对年龄实验室(1960年)。实验室依托"地球化学"、"矿物学、岩石学、矿床学"、"构造地质学"和"环境科学"等4个具有博士学位授予权的二级学科,定位于基础研究,致力于发展同位素和元素地球化学理论和技术方法,揭示地球内部和浅表地质体的物质组成及演变规律,深化对地球形成演化、地球各层圈相互作用以及各种地质过程的认识,阐明其对矿产资源形成和环境变化的制约,为解决资源环境领域重大科学问题提供理论依据。

中国科学院地质与地球物理研究所环境同位素实验室。该实验室具有MAT 253气体同位素比值质谱,并配备有Flash EA 1112型元素分析仪、TC/EA高温裂解转化装置、Trace GC 2000型气相色谱仪和GasBench II型碳酸盐反应装置。这些外设可以与MAT 253气体同位素比值质谱联机工作,从而实现在线测定固体或液体样品中C、N、H、O等稳定同位素比值,有机单化合物的C、N、H、O同位素比值和碳酸盐中的C、N同位素比值。

中国农业科学院农业环境稳定同位素实验室。该实验室主要从事环境稳定同位素的方面的研究工作,包括水体硝酸盐污染物溯源研究;温室气体CH4、CO2、 N2O同位素特征;有机食品同位素规律;硝化与反硝化作用 N2O的 α、β同位素特征等。开发针对不同研究的同位素测定技术研究,例如水体反硝化作用氮氧同位素的测定技术、水体DIC同位素测定方法、土壤硝态氮与铵态氮的同位素测定技术。同时开展一些同位素测定服务工作,可以分析的元素包括H、C、N、O和S的稳定同位素。

国土资源部同位素地质重点实验室。该实验室由中国地质科学院地质研究所和矿产资源研究所共建而成,该实验室的前身为中国地质科学院同位素地质实验室,成立于1958年,是国内最早建立的同位素地质实验室之一。1990年成为原地质矿产部同位素地质开放实验室,2003年改名为国土资源部同位素地质重点实验室。

折叠 编辑本段 安全管理规定

以下主要介绍放射性同位素实验室的主要安全要求。

从事放射工作的人员必须具备相应的专业及防护知识和健康条件,并提供相应的证明材料及工作人员健康档案。工作人员配备专用的工作服、鞋、帽、口罩、套袖、手套、防毒面具等个人防护用品。

放射性同位素不得与易燃、易爆、腐蚀性物品放在一起,其贮存场所必须采取有效的防火、防盗、防泄漏的安全防护措施,并指定专人负责保管。贮存、领取、使用、归还放射性同位素时必须进行登记、检查,做到帐物相符。

实验室内避免使用易割破皮肤的容器和器皿。凡脸部、手部有伤口或患病的工作人员,应停止进行放射性的工作。

放射性工作台面及易被污染的处所应铺设易清除污染的材料(如瓷砖、塑料布、橡皮板、玻璃等)。放射性实验室应备有放射性同位素的有效清洗剂(如肥皂、碳酸钠等去污剂),并备有污物桶、废物贮存瓶和必要的防护用具。

大量同位素分装应在专用的房间内进行,并设有相应的防护屏蔽,设置计量检测仪器及必要的应急工具。放射性实验室处理粉末或易挥发的放射性物质时,必须在通风橱内(或手套箱内)进行,身体受到意外沾污时,应立即洗净并及时到医院检查。

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