碳14：从发现到应用的全面解析

碳14：从发现到应用的全面解析

碳14是一种具有放射性的碳同位素，在科学研究和实际应用中扮演着重要角色。从考古学中的年代测定到医学领域的疾病检测，碳14的应用范围广泛且深入。本文将详细介绍碳14的发现历史、理化性质、应用领域、环境迁移、监测方法以及健康风险等多方面内容。

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[3]。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[14C]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[3]。

理化性质

碳14化学性质与普通的碳12质量不同，拥有多余的两个中子，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[12]。

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14C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[6]。

医学领域

碳14被做成[14C]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[2]。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[13]。

尿素碳14胶囊

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[14]。

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[7]；此外14C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14C的交换，因次地下水14C年龄一般指地下水与土壤CO2隔绝至今的年代[15]。

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[16]；利用14CO2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[17]。

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14N碰撞时即产生14C，在这个碰撞的过程中有一小部分氮转变为碳14，14N含有7个质子和7个中子，在14N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14C，也即[1]

宇宙射线中14C来源

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14C 的低放排放物，产生的14C在大气层中又迅速与氧结合，形成14CO2[8]。

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14C都能在大气层或臭氧层中被氧化成14CO2，14CO2在大气中经干沉降和湿沉降迁移到土壤和植物中。14CO2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14CO2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14C排入大气。14C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14C返回土壤，并最终通过扩散回到大气。土壤中14C的量由于长期的湿沉降和有机物死亡分解而增加[1]。

大气层中的14C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14C的富集比例是1:9[1]。

环境水平及人体照射途径

环境水平

（1）14C在大气层的浓度。14C在大气层的浓度见表1[1]。

14C在大气层中的浓度

全球盘存量/PBq 对流层的份额 对流层浓度/mPBqm-3

12750 0.016 56.3

（2）大气层核试验。据计算，20世纪50年代全球14C的平均产率是2.5原子/(cm2·s)，按质量计 22.5g/d，按活度计4x102Bq/d。当生物圈内的14C处于平衡状态时，其含量1.295x1019Bq[1]。

（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14C的平均排放量为1.51×1012(6.96×1011-2.31×1012)Bq/a；归一化释放量平均为1.39×103(7.73×102-2.00×103) GBq/GWa[1]。

由煤和石油中天然生成的14C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14C的比活度[1]。

人体照射途径

14C向人体内转移的途径有两条：一是人直接吸入环境中的14CO2；二是经口摄入含有14C的动、植物食品。其中99％的14C剂量主要来自食入途径。人体内的14C浓度比天然本底高50％[1]。

监测

空气中14C的分析

空气中14C以多种化学形态存在，其中最主要的是14CO2，14CO2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14CO2形式外，也有少量的14CO或14CH4，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[1]。

水样中14C（无机碳 H14CO3-）的分析

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14C放射性[1]。

生物与土壤14C的分析

为分析生物与土壤的14C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[1]。

用低本底液体闪烁计数仪测量生物样品的14C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[1]。

健康风险与危害

体内代谢

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1.59×10-3mSv，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[10]。

排出

14C的无机化合物，如碳酸盐和碳酸氢盐，主要是以14CO2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；14C的有机化合物，如14C—葡萄糖、14C—十八碳烯酸或14C—奶油，在体内大部分被氧化生成14CO2后随呼气排出体外，但排除速度较缓慢，数量也比较少；14C亦可经乳汁排出少部分[1]。

需要指出的是，直接吸入人体内的14CO2，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NaH14CO3，在体内的滞留量很少。但是，经口摄入14C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[1]。

损伤效应

14C 衰变释放的是弱β射线，没有γ照射，只有当14C进入人体才会对人体健康造成危害。基于14C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14C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14C化合物的生物转化过程中，14C可掺入DNA和RNA分子中，对DNA损伤[11]。