-(14)C同位素研究进展_张鹏.pdf

第3 6卷 第1期2 0 2 3年2月同 位 素J o u r n a l o f I s o t o p e sV o l.3 6 N o.1F e b.2 0 2 31 4C同位素研究进展张 鹏1,徐志红2,李昌达1,陈 伟2,郑 奕1,沈佳宇2,桂 媛2(1.中核核电运行管理有限公司,浙江 海盐 3 1 4 3 0 3;2.苏州思萃同位素技术研究所有限公司,江苏 苏州 2 1 5 5 0 0)摘要:1 4C是一种重要的放射性示踪剂,能够揭示物质的分布、代谢机制及迁移路径,广泛应用于生物医药、农业、地质和环境等领域。近年来1 4C标记化合物的需求不断增长,其应用研究领域不断拓展。本文总结了1 4C同位素的来源、制备和分离纯化方法,1 4C标记化合物的制备和结构鉴定方法,以及1 4C标记化合物在相关研究领域的应用情况,着重探讨了1 4C同位素分离纯化技术的发展现状和趋势,希望在解决1 4C排放污染的同时,实现1 4C的资源化利用,并促进1 4C应用研究的进一步发展。关键词:1 4C;分离纯化;标记化合物;应用中图分类号:T L 9 2+2;TQ 4 2 1.6 文献标志码:A 文章编号:1 0 0 0-7 5 1 2(2 0 2 3)0 1-0 1 0 9-0 8收稿日期:2 0 2 2-0 3-0 8;修回日期:2 0 2 2-0 3-3 0通信作者:桂 媛d o i:1 0.7 5 3 8/t w s.2 0 2 2.y o u x i a n.0 0 4R e s e a r c hD e v e l o p m e n t o f1 4CI s o t o p eZ HANGP e n g1,XUZ h i h o n g2,L IC h a n g d a1,CHE NG W e i2,Z HE NGY i1,S HE NGJ i a y u2,GU IY u a n2(1.C h i n aN u c l e a rP o w e rO p e r a t i o nM a n a g e m e n tC o.,L t d,H a i y a n3 1 4 3 0 3,C h i n a;2.S u z h o uS i c u i I s o t o p eT e c h n o l o g yI n s t i t u t eC o.,L t d,S u z h o u2 1 5 5 0 0,C h i n a)A b s t r a c t:A sa n i m p o r t a n t r a d i o a c t i v e t r a c e r,1 4Ch a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d s,s u c ha sb i o m e d i c i n e,a g r i c u l t u r e,g e o l o g y,e n v i r o n m e n te t c,d u et o i t sa b i l i t yt or e v e a lt h ed i s t r i b u t i o n,m e t a b o l i cm e c h a n i s ma n dm i g r a t i o np a t ho f t h es u b s t a n c e s.I nr e c e n ty e a r s,t h ed e m a n d f o r1 4C-l a b e l e dc o m p o u n d sh a s c o n t i n u e d t og r o w,a n d i t s a p p l i c a t i o nf i e l dh a sb e e ne x p a n d e d.T h i sp a p e rs u mm a r i z e st h es o u r c e s,p r e p a r a t i o n,s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o nm e t h o d so f1 4Ci s o t o p e s.M e a n w h i l e,t h i sp a p e rr e v i e w st h ep r e p a r a-t i o n,s t r u c t u r a li d e n t i f i c a t i o na n da p p l i c a t i o ni nr e l a t e dr e s e a r c hf i e l d so f1 4Cl a b e l e dc o m p o u n d s,a n de m p h a t i c a l l yd i s c u s s e dt h ed e v e l o p m e n t s t a t u sa n dt r e n do f1 4Ci s o t o p es e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o nt e c h n o l o g y.I ti sh o p e dt h a tr e c y c l a b l eu t i l i z a t i o no f1 4Cr e s o u r c e sc a nb er e a l i z e dw i t hs o l v i n gt h ep o l l u t i o no f1 4Ce m i s s i o n s,w h i c hw i l l f u r t h e rp r o m o t e t h ed e v e l o p m e n to f1 4Ca p p l i c a t i o n.K e yw o r d s:1 4C;s e p a r a t i o na n dp u r i f i c a t i o n;l a b e l e dc o m p o u n d s;a p p l i c a t i o n 碳的同位素共有十五种(8C2 2C),其中1 2C和1 3C属稳定同位素,其余均为放射性同位素,其中半衰期最长的是1 4C,其他均为短半衰期同位素,因此自然界中碳同位素主要以1 2C、1 3C和1 4C三种形式存在。1 4C最早由美国科学家S.鲁宾和M.D.卡门在1 9 4 0年利用加速的氘核轰 击 石 墨 靶,通 过1 3C(d,p)1 4C核 反 应 发现1。由于1 4C是纯衰变同位素,其射线能量为1 5 6k e V,在空气中的最大射程为2 2c m,半衰期57 3 0a,相比其他放射性同位素,具有能量低、易于防护和应用时不需要考虑衰变校正等优势,因此1 4C适合用作示踪剂,目前已广泛应用于化学、生物学、医药、农业、工业等领域,用于揭示反应机理、代谢机制和物质迁移路径等。而依据其衰变特征发明的1 4C测年技术广泛应用于地质、考古等领域1-5。1 4C的应用需求逐年增长,目前全球每年1 4C同位素的消耗量约7.4 1 01 3B q,具有可观的市场经济效益6。随着上世纪四十年代核实验研究,以及对核能资源的不断开发和利用,人类核活动向环境中释放了大量的1 4C,使得近几十年来世界范围内1 4C的本底值有较大增加。由于1 4C的长半衰期特性,其不断增加的本底值可能会对环境带来长期的影响,因此目前各国都比较重视1 4C的排放问题。现阶段核电站反应堆1 4C的排放已成为人们重点关注的问题,各核电大国都加强了对核电站1 4C排放的监管7。如果在对这些排放物进行减容处置的同时分离回收其中的1 4C同位素,将具有显著的社会效益和经济效益。本研究主要从1 4C核素的来源、分离纯化方法、标记化合物制备和应用等方面阐述近年来1 4C相关的研究进展,着重探讨了1 4C同位素分离纯化技术的发展现状和趋势,希望在解决1 4C排放污染的同时,实现1 4C的资源化利用,为1 4C的分离与应用提供参考。1 1 4C的来源及制备1.1 1 4C的来源目前自然界中1 4C主要来源是自然界中宇宙射线撞击空气中的1 4N原子产生。另一来源是人类开展核研究及应用过程产生,有两个途径,一是核实验、核电站反应堆或其他研究堆运行过程中被动产生的含1 4C的低放排放物8;二是为了科研或商业目的,主动采用核反应制备的高活度1 4C同位素产品使用后的排放物9-1 0。1.2 1 4C的制备1.2.1 核反应制备1 4C 目前人工产生1 4C的核反应主要为1 3C(d,p)1 4C和1 4N(n,p)1 4C两种形式,前一核反应通过加速器实现,所用靶核1 3C的天然丰度仅为1.1 0%;而后一核反应利用反应堆中子辐照实现,所用靶核1 4N的天然丰度为9 9.6 3%。因此,1 4N(n,p)1 4C核反应更适用于1 4C的大量生产。1 4N(n,p)1 4C核反应的常用靶材有氮化铍和氮化铝,后者成本较低,产生的1 4C再转化为B a1 4C O3存储。目前国际上只有加拿大国家通用研究反应堆(N RU)和俄罗斯MA Y A K公司的反应堆能提供B a1 4C O3产品,供应极不稳定6。中国原子能科学研究院从上世纪八十年代末开展了利用重水堆辐照氮化铝(A l N)靶件制备B a1 4C O3的研究,近年来,开展了利用中国先进研究堆(C A R R)辐照制备1 4C的研究。中国核动力院也开展了在高通量堆内辐照A l N靶材制备高比活度1 4C的研究,近年来,人们又尝试利用压水堆辐照靶材进行生产6,8-1 1。1.2.2 核实验和核电反应堆运行过程的辐照物 在2 0世纪中叶,人类进行了大量的核实验,核实验中释放的中子与空气中的氮气反应产生1 4C,使大气中的1 4C含量在短短数年内翻了一番。随着核实验研究的减少,大气中的1 4C含量迅速下降,到2 0世纪9 0年代,仅比核实验之前的水平高出2 0%,有研究表明,这主要是大气中的1 4C进入了海洋表层生物的体内1 2。核电厂的反应堆运行和乏燃料后处理过程中也产生相当规模的1 4C污染物,例如田湾核电站压水堆冷却剂中每年产生3.9 61 01 1B q的1 4C1 3。部分重水堆的1 4C主要来源于燃料和重水中的1 7O以及环隙气体中的1 3C、1 4N等成分的活化,其中以慢化剂系统和热传输系统重水中的1 7O(n,)1 4C反应为主。石墨堆的石墨壳里也会产生大量的1 4C。各国环保部门都对1 4C的排放提出要求,1 4C在放射性工作场所的空气中和露天水源中的最大容许浓度分别为1.4 81 02和3.71 03B q/L。因此对于核电站反应堆特别是重水堆型产生的这部分1 4C,目前通常采用树脂吸附封存的方式进行处理,库容压力大,急需进一步处理,减轻核电站运行的排放压力。其他堆型的单体产生量要少于重水堆,但产生的总量仍然很大7。011同 位 素 第3 6卷2 1 4C的分离纯化方法在利用1 4C的过程中,对其纯度有一定的要求,需要采用一定的技术手段来提高纯度和丰度;另一方面,对于核电站排放物中的1 4C需要进行剥淡处理,使其浓度达到排放要求,同时回收利用1 4C同位素资源。2.1 反应堆辐照靶材产生的1 4C为了提高产品中1 4C的丰度,靶材料中的1 2C含量越小越好。因此,用作靶材料的A l N须选高纯铝和高纯氮来制备。高纯的靶材在反应堆的高中子注量率条件下辐照25a后取出,在加热装置中与高纯氧反应,将辐照生成的1 4C氧化为1 4C O2,反应后的气体通入到氢氧化钡溶液中,其中1 4C O2被吸收得到高丰度的1 4C初级产品B a1 4C O3。这一过程分离纯化工艺相对简单,不涉及碳同位素的分离,仅需利用化学吸收的方法将1 4C O2和氧气分开。制备的1 4C活度和纯度取决于A l N靶材的纯度、堆辐照能量和时间,同时更重要的是分离纯化过程杜绝与大气中碳的交换6,9-1 1。