碳14 （具放射性的同位素）

简介

由于碳14具有放射性，可以通过设备检测出来。因此碳14常被作为标记物广泛应用于农业、化学、医学、生物学以及考古等领域，例如在医学中澳大利亚的两位科学家利用碳14制成胶囊，用于监测人体是否含有幽门螺杆菌，而获得2005年诺贝尔医学奖；在化学反应机理研究中，碳14用于识别化学反应的中间产物、研究反应动力学和反应途径等；此外，在考古学中，用于检测生物存在的年代。碳14主要来源于自然界中宇宙辐射、核燃料、核反应堆，其衰变方式为β衰变，经过衰变后变为稳定的N。

碳14多以化合物的形式存在于大气、土壤、水中，其中，当生物圈C处于平衡时，其含量为1.295×10Bp，碳14在人体内通过呼吸和口摄入进行转移。其中，空气中碳14监测主要通过碱液吸收和吸附剂吸附收集，再通过闪液计数器进行监测；水样中的碳14(HCO₃)及土壤中的碳14通过沉淀法再通过闪液计数器进行监测。

虽然碳14具有一定的放射性，但在用于医疗方面时，由于放射量很小，对人体的影响微乎其微。据估计，人体内C总活度为(34~36)×10Bq，直接吸入体内的CO₂，其危险性很小，它在血液中与碳酸氢盐生成稳定性极差的NaHCO₃在体内滞留很少，但是当碳14进入大量进入人体时，具有损伤DNA的潜在风险。

历史

1940年2月，美国科学家马丁·卡门(Martin Kamen)与同事缪尔·鲁宾(Sam Ruben)，在加州大学伯克利(City of Berkeley)实验室的加速器上，用氘核轰打石墨靶获得碳的放射性同位素碳14，而后时任芝加哥(Chicago)大学教授、加州大学伯克利分校化学博士威拉得·利比（Willard Libby） 确定碳14的物理半衰期为5730年，衰变方式为β衰变，并应用碳14发明了年代测定法并获得1960年诺贝尔化学奖。澳大利亚的两位科学家罗宾·沃伦(Robin Warren)和巴里·马歇尔(Barry Marshall)于1982年成功培养出幽门螺杆菌，改变了人类医学史上对胃部疾病的传统认知，并发明了用尿素[C]呼气试验即可轻松检测人体胃内幽门螺杆菌，罗宾·沃伦和巴里·马歇尔于2005年获得诺贝尔医学奖。

理化性质

碳14化学性质与普通的碳12质量不同，但拥有多余的两个质子和中子，会引起标记药物和非标记药物之间的理化性质差异，只不过差异较小，可忽略不计，此外碳14是带有放射性的。

应用领域

化学领域

碳14广泛应用于化学反应机理研究，可用于识别化学反应的中间产物、研究反应动力学和反应途径、研究化学键的形成过程、确定化学键的断裂位置、研究催化剂中毒的原因等。如在H₂与CO合成烷烃的过程中，用碳14标记的乙醇混入原料，结果发现除甲烷外，其他一氧化碳 、二氧化碳和烃类进行了碳同位素交换；此外通过C分析可以精确定量化石源和非化石源对碳质气溶胶的贡献占比。

医学领域

碳14被做成[C]尿素胶囊，人们吃入胶囊后进行呼气检测，就可以检测它其中的碳14含量以此判断人体内是否含有幽门螺杆菌。碳14示踪技术在药物体外研究中也有着广泛的应用，在评价药物肠道渗透能力和预测药物口服吸收利用度、建立有效的药物转运蛋白体外筛选评价体系、体外酶代谢实验等研究中，能够提供准确有效的数据，加快新药研发的进程。

生物学领域

通过研究植物光合作用中的化学机理过程，利用碳14作为示踪元素，确定了光合作用的生物化学流程。

考古领域

虽然碳14在自然界中的含量极少，但是与碳12的比例几乎是一定的。因次对于凡是含碳的骨头、木质器具、焦炭木或其他无机遗留物均可通过测定其碳14与碳12含量的比例，并按碳14的放射性衰变公式进行计算，校正之后便可推算出样品存在的年代；此外C也可用于测定地下水中无机碳的年龄，一般认为地下水的无机碳与土壤CO₂隔绝后便停止了与外界C的交换，因次地下水C年龄一般指地下水与土壤CO₂隔绝至今的年代。

农业领域

在农业领域中，在农药中加入“碳14”后期通过检测农作物上“碳14”的含量可以判断农药的残留量；利用CO₂对杉木苗进行喂饲，收集根系分泌物进行确定分泌物的占比。

来源

来源一：自然界中宇宙射线，当来自太阳辐射中子于空中的N碰撞时即产生C，在这个碰撞的过程中有一小部分氮转变为碳14，N含有7个质子和7个中子，在N含有7个质子和7个中子，在宇宙射线的轰击下得到一个中子同时失去一个质子，成为含有6个质子和8个中子的C，也即

来源二：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C 的低放排放物，产生的C在大气层中又迅速与氧结合，形成CO₂。

环境中的迁移

不论天然生成的或人为因素造成的，凡是进入环境中的C都能在大气层或臭氧层中被氧化成CO₂，CO₂在大气中经干沉降和湿沉降迁移到土壤和植物中。CO₂在空气和土壤间以及空气和植物间的浓度梯度引起干沉降。当满足植物的生长条件时，大气中的CO₂很快通过新陈代谢固定到植物中。在光合作用过程中生成的有机物通过呼吸作用产生能量，并把C排入大气。C主要通过食入污染的植物和动物产品进入动物和人的体内。动物和植物死亡分解后C返回土壤，并最终通过扩散回到大气。土壤中C的量由于长期的湿沉降和有机物死亡分解而增加。

大气层中的C向陆生植物的转移系数是1，陆生植物和海生植物（主要是浮游植物）对C的富集比例是1:9。

环境水平及人体照射途径

环境水平

（1）C在大气层的浓度。C在大气层的浓度见表1。

（2）大气层核试验。据计算，20世纪50年代全球C的平均产率是2.5原子/(cm·s)，按质量计 22.5g/d，按活度计4x10Bq/d。当生物圈内的C处于平衡状态时，其含量1.295x10Bq。

（3）核电站气体流出物排放量。秦山第三核电厂放射性气态流出物中C的平均排放量为1.51×10(6.96×10-2.31×10)Bq/a；归一化释放量平均为1.39×10 (7.73×10-2.00×10) GBq/GWa。

由煤和石油中天然生成的C几乎完全衰变尽，由这些燃料燃烧向大气中引入的碳相对来讲趋向于减小大气CO₂中C的比活度。

人体照射途径

C向人体内转移的途径有两条：一是人直接吸入环境中的CO₂；二是经口摄入含有C的动、植物食品。其中99％的C剂量主要来自食入途径。人体内的C浓度比天然本底高50％。

监测

空气中

空气中C以多种化学形态存在，其中最主要的是CO₂，CO₂的采集主要有碱液吸收法和吸附剂吸收法，最后被捕集吸收的CO₂以CaCO₃，沉淀析出，用乳化闪烁液的固体悬浮物测量技术在闪液计数器上直接测量出CaCO₃中的碳14放射性。核设施排出的C除CO₂形式外，也有少量的CO或CH₄，可通过旁路系统加催化剂将CO和/或CH₄气体转变为CO₂气体收集后进行测量。

水样中

采样时为回收1g 碳，一般至少需要采集100L以上的水样。为分析和保存，一个地表水样至少需采集 200～300 L。同时注意样品应密闭保存在不易混入空气中CO₂的容器中（如聚乙烯塑料瓶）并尽可能减少样品的蒸发，采样时不可加酸。采集到的样品用硫酸酸化，通入高纯氮驱赶出水中的CO₂收集于NaOH溶液中。再加CaCl₂生成碳酸钙沉淀，将沉淀过滤并烘干称重待测量。测量方法同空气中碳14的分析，用乳化闪烁液的固体悬浮物测量技术在液闪计数器上直接测量出CaCO₃中的C放射性。

生物与土壤

为分析生物与土壤的C活度浓度，首先需将样品脱水干燥，而后将样品在氧气流中加热燃烧，使有机物分解成二氧化碳和水。分解产生的CO₂气体捕集于碱溶液中，加CaCl₂得到CaCO₃沉淀。CaCO₃粉末均匀悬浮于闪烁液中，测量计数率，计算得出样品的碳14活度浓度。

用低本底液体闪烁计数仪测量生物样品的C活度浓度，CO₂吸收法为满足最低探测限的要求，每次分析至少需要有含1g碳的CaCO₃量。因此每次至少需要处理5～10g生物干样，或 50～100g 鲜样。

健康风险与危害

体内代谢

1.吸收与分布

人们在体检时服用的含有碳14的胶囊，其生物半衰期仅为6个小时，也就是碳14在人体的排出速率近似地服从指数规律时，身体内碳14浓度下降一半所需的时间，但是胶囊中的碳14在48小时内基本都会被人体排出体外。并且，胶囊中的碳14含量仅为37.5Kbq，放射性活度约为1.59×10mSv，在国家标准中孕妇所承受的最大放射性值为15mSv，因次一粒胶囊中的放射性非常低。2010年英国核医学杂志《核医学快讯》中，得出来碳14的胶囊所受到的放射量，不高于一天接触的自然环境中放射量，所以是安全的。

2.排出

C的无机化合物，如碳酸盐和碳酸氢盐，主要是以CO₂的形式由呼吸道呼出体外，其特点是，不但排除速度快，而且数量多；C的有机化合物，如C—葡萄糖、C—十八碳烯酸或C—奶油，在体内大部分被氧化生成CO₂后随呼气排出体外，但排除速度较缓慢，数量也比较少；C亦可经乳汁排出少部分。

需要指出的是，直接吸入人体内的CO₂，其危险性较小，因为它在血液中与碳酸氢盐生成稳定性极差的NaHCO3，在体内的滞留量很少。但是，经口摄入C的化合物时，在体内的滞留量将大大增加，与吸入时比较，乃至近百倍。因此，其构成的危险性值得重视。

损伤效应

C 衰变释放的是弱β射线，没有γ照射，只有当C进入人体才会对人体健康造成危害。基于C有机化合物在体内的滞留量比无机化合物多，带来的危险性也较大。另外，在估计C对机体的危害时，还必须考虑到它是参与机体碳代谢的一个长寿命放射性核素。在C化合物的生物转化过程中，C可掺入DNA和RNA分子中，对DNA损伤。