前景广阔的稳定性同位素产品李良君　　稳定性同位素（Stable Isotope,SI）是指质子数相同而中子数不同的元素，它们在元素周期表中处于同一位置，无放射性。　　稳定性同位素主要包括2H、13C、15N、17O、18O、34S等元素，尽管这些同位素的发现早于人工放射性同位素如3H、14C、32P等元素，但受分离技术和测试技术的限制，这些元素的标记化合物的应用没有放射性同位素广泛。　　20世纪60年代开始，西方发达国家加紧稳定性同位素分离富集工艺、技术的研究，国内以上海化工研究院为代表的科研机构几乎同时展开相应技术的研究。目前世界上对稳定性同位素的分离逐步形成了低温精馏法、化学交换法、水蒸馏法、热扩散法等成熟技术，同时，稳定性同位素的测试技术及分析仪器，如核磁共振（NMR）、高分辨质谱仪等也取得了重大进展，这为稳定性同位素示踪技术的发展和示踪剂的广泛应用奠定了良好的基础。　　自然界中存在的稳定性同位素丰度很低，且由于元素各同位素质量极为相近，化学及物理性质差别很小，分离难度较大。目前主要分离方法包括低温精馏法、水蒸馏法、化学交换法和热扩散法等。1.低温精馏法　　目前生产氮和氧各种稳定同位素的主要方法之一，操作温度约为-152℃，同位素分离系数，15N/14N为1.027，17O/16O为1.0186，18O/16O为1.0372。　　低温精馏装置有2座精馏塔，塔Ⅰ分三级，塔径逐级递减，为连续操作。塔底增设同位素转化器。塔Ⅱ为间歇操作。美国曾建成最大的低温精馏装置，该装置分别由57m和89m的不锈钢塔组成，塔径分别为5cm和2.5cm，采用不锈钢丝绕制的填料。由于初浓塔的低浓产品主要以15N16O和14N18O形式存在，难以进一步富集，所以要通过转化器。转化后15N18O对14N16O的分离系数可增至1.0642。转化反应在室温、1.013×106Pa下进行。出转化器后引入高浓塔，继续富集，塔底部获得15N18O产品，塔较高部位获得15N17O和15N16O。    13C也可以用低温精馏法生产。经净化器处理不含CO2的CO输
    13C也可以用低温精馏法生产。经净化器处理不含CO2的CO输入分离塔，塔上部为液氮冷却器，塔下部为煮沸釜。经三级富集后，获得高丰度13C。    低温精馏法具有原料单一、流程紧凑、可同时获得多种同位素产
    低温精馏法具有原料单一、流程紧凑、可同时获得多种同位素产品、成本较单一同位素生产方法低等特点，但此法温控要求很高，需深度冷冻技术，设备工艺复杂，平衡时间长，且液态氧化氮易爆。2.水蒸馏法　　以以色列魏茨曼科学研究院(Weizmann Institute of Science)开发的生产工艺为代表，以天然水为原料，采用多管塔级联真空精馏法，可稳定生产18O产品，该法技术成熟、操作简单、无污染、无腐蚀，但由于采用多管分离塔，分离效率低，平衡时间长，操作费用高，装置体积庞大。　　上海化工研究院采用“水（真空）精馏法”路线，在消化吸收国外成熟装置技术基础上，引入填料放大技术及表面处理技术，开发出易于放大的18O分离填料，并建立专用同位素流程模拟软件包进行优化设计。3.化学交换法　　该法有两种体系：NH3/NH+体系和NO/HNO3体系。目前主要采用NO-HNO3化学交换法分离15N稳定性同位素。其基本流程是原料硝酸由高位槽计量加入不锈钢制交换塔，塔内装填有高效不锈钢丝绕填料。下行的硝酸与上升的氧化氮气体在填料表面发生同位素交换作用，气相的15N被交换到液相。因此，塔底硝酸中15N丰度值较塔顶高很多倍。在交换塔下部回流塔中，发生相转化反应。     该法具有分离系数大、流程简单、可常温常压下操作、易维护等
    该法具有分离系数大、流程简单、可常温常压下操作、易维护等优点，但腐蚀性强。4.气体热扩散法　　热扩散法是在热扩散柱内利用同位素热扩散系数的差异进行分离。热扩散柱内置电热丝，外用循环冷却水，使柱内形成温度梯度，由于同位素气体质量不同，进入热扩散柱后，重气体向冷壁聚集，轻气体则趋向热壁，同时柱内形成气体对流，重气体向柱底富集，轻气体则向柱顶部聚集，从而实现同位素分离。若需制得高丰度同位素产品，需要针对同位素特性，设计多级联装置。　　该法操作较其他方法简单，投资省，无污染。作为激光陀螺等的关键工作气体22Ne即采用热扩散法生产。

    稳定性同位素产品在医学、生命科学及能量代谢研究中都取得了
    稳定性同位素产品在医学、生命科学及能量代谢研究中都取得了巨大成功，具有无可替代的应用价值1.医学领域　　稳定性同位素产品目前已广泛应用于临床研究、疾病诊断与鉴别、病情判断、治疗效果评价、脏器功能研究和新药开发等方面，取得了巨大成功，具有无可替代的应用价值。（如在PET诊断中用18O标记的葡萄糖蛋白质、核酸等作为示踪显影剂，是唯一可实现活体显示分子代谢、受体及神经介质活动的新技术；在Hp诊断中用13C-尿素进行呼气试验（即13C-UBT），免去了作插胃镜取活体组织的痛苦，该种诊断30min即可完成，结果较为准确。药物研究中用13C、15N、18O标记的化合物研究药物在机体内活动规律、代谢途径等。2.生命科学领域　　从稳定性同位素的发展趋势看，13C、15N、18O及氨基酸和有机标记化合物在生命科学领域的应用将更为广泛。同位素及氨基酸有机标记化合物具有独特示踪作用，在核磁共振波谱研究蛋白质功能和结构方面具有不可替代的重要作用。采用15N等同位素标记的核酸等作为示踪剂，可使人们在人工控制条件下，进行分子水平的遗传工程(即基因工程)研究，如基因切连、运载体转运、受体细胞转化、组体的筛选和鉴定、克隆DNA分子的表达和产物分离工程研究等。3.能量代谢研究　　有机体能量代谢研究使用18O结合重氢双重同位素测量动物体和人体内碳氧化物产量。通过这种非直接测热法，可以根据碳氧化物产量来估算生物体整个的能量代谢。目前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。　　稳定性同位素还可用于人体中蛋白质的更新速率、药理动力学研究、新陈代谢及其营养学方面的研究。在农科方面，可用于肥效试验、植物营养吸收机理等的研究，在环保、有机化学、分析化学等方面都有广泛应用。　　美国的主要稳定性同位素公司不仅自身具有生产装置，而且具备先进的实验室和人才队伍，从事标记化合物的研究、合成，具备提供上万个产品品种的能力。德国公司不具备原料生产能力，但标记化合物的制备能力很强，可根据客户的需要，制备特殊产品，如标记药物、标记的代谢培养基、标记核酸、标记蛋白质等。日本公司也投入财力和人力，开发稳定性同位素标记化合物，以满足国内外市场需求。　　上海化工研究院是国内最早从事稳定性同位素技术研究及产品开发的主要科研机构之一，目前已掌握化学交换法、热扩散法、水蒸馏法等稳定同位素分离技术，具备提供15N标记的各类无机盐、氨基酸及20Ne、22Ne等数十种产品的能力，主要产品包括15N标记无机盐如氯化铵、硫酸铵、硝酸盐、尿素等，有机标记物如DL-氨基酸、L-氨基酸及其他有机化合物，也可以根据客户的需要定制标记化合物,尤其是15N标记化合物占有最大的国际市场份额。　　稳定性同位素标记化合物的合成技术主要包括无机合成、有机合成、生物合成等，其中合成-拆分、不对称合成、蛋白质生物合成-水解技术、无细胞蛋白质合成技术等得到很好的应用。　　由于稳定性同位素应用广泛，其标记化合物品种多达几万种，而且随着新的示踪技术的开发，标记化合物的制备技术也在不断发展，目前标记化合物的研发方向主要包括以下几个方面：①研究试剂和定制合成溶剂，为医药、农业、环境等研究提供需要的标记化合物，根据客户的要求进行研究和选择合适的标记化合物；②医疗诊断试剂，如13C-尿素、18O-H2O等；③环境污染物等标准和检测试剂，用于空气、 水、土壤、沉淀物和食品等的检测；④NMR溶剂，应用于结构分析、定量分析和纯度分析、化学途径与反应机理、反应动力学等；⑤法医检验，对于复杂物质中低含量分析物的量化检测，最精确的方法是同位素稀释和质谱两种技术结合；⑥代谢底物，包括用于研究蛋白质和氨基酸代谢的氨基酸、葡萄糖代谢的碳水化合物和酯解作用的脂肪酸等。稳定性同位素标记物质使研究者能以安全的方式对活体内的代谢途径进行研究；⑦分子生物NMR产品，主要包括保护氨基酸、标记培养基、碳水化合物、RNA/DNA标记产品、标记激素、标记蛋白质等。　　总之，稳定性同位素自发现以来的近一个世纪中，依托同位素分离技术、标记化合物合成技术、分析检测技术等的发展而得到了广泛的应用，但其应用并未得到完全开发，随着人类科技的进步，稳定同位素的发展一定会展现出越来越广阔的前景。