同位素應(yīng)用的現(xiàn)狀和新進展

吳志芳，劉錫明，張玉愛

（清華大學(xué) 核能與新能源技術(shù)研究院，北京 100084）

同位素在核技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)業(yè)中扮演著極其重要的角色，它廣泛應(yīng)用于煤炭、建材、造紙、鋼鐵、機械、醫(yī)療、電力、石油、化工、水利、地質(zhì)勘探、輻照加工、育種、科研等領(lǐng)域。據(jù)國家環(huán)境保護部核與輻射安全中心不完全統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2008年全國放射源使用單位達(dá)12 876家，放射源總數(shù)有124 199枚（不含西北處置場廢源庫、全國城市放射性廢物庫收貯、北京市舊廢物庫和吉林省舊廢物庫收貯的廢棄放射源），其中在役放射源98 158枚，閑置放射源26 041枚，射線裝置超過200 000臺。與2002年相比，放射源使用單位增加了55%，放射源總數(shù)增加了95%［1］。隨著核電發(fā)展和核反應(yīng)堆綜合利用的開展，同位素制備能力得到了很大提高，為同位素應(yīng)用提供了堅實的基礎(chǔ)。在輻照、探傷、輻射育種、癌癥治療等傳統(tǒng)應(yīng)用領(lǐng)域得到鞏固和發(fā)展的同時，以各類同位素示蹤技術(shù)為代表的新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，同位素應(yīng)用的廣度和深度不斷得到拓展。作為一門傳統(tǒng)學(xué)科，同位素技術(shù)煥發(fā)出新的生命力，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。本文簡要介紹同位素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和環(huán)境等領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展?fàn)顩r。

1 在工業(yè)中的應(yīng)用

1.1 輻射加工

輻射加工是放射性同位素重要的應(yīng)用之一，在同位素應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)值中占有很大比例。輻射加工目前的主要應(yīng)用領(lǐng)域是輻射消毒、輻射改性、環(huán)保處理和半導(dǎo)體器件處理。

輻射消毒的主要處理對象是醫(yī)療器械、食品和農(nóng)副產(chǎn)品，消毒滅菌裝置是大型現(xiàn)代化鈷源輻照裝置及大功率高、中、低能加速器。與傳統(tǒng)的消毒方法相比，輻射消毒具有許多優(yōu)點：1）對處理對象的包裝沒有特殊要求；2）輻照后可以立即使用，不需要冷卻或者靜置；3）無殘留，不產(chǎn)生二次污染；4）滅菌速度快，效果好，可以連續(xù)作業(yè)，有利于工業(yè)化生產(chǎn)；5）在常溫下進行，尤其適合處理熱敏材料和食品，能保持食品原有風(fēng)味，對鮮活食品，輻照可以促進早熟，抑制發(fā)芽，減少農(nóng)產(chǎn)食品腐爛和損失。據(jù)中國同位素與輻射行業(yè)協(xié)會統(tǒng)計［1］，至2005年，我國各類輻照裝置有300多座，其中60Co輻照裝置150余座，總設(shè)計裝源容量約15 EBq，其中3.7 PBq以上的100多座，分布在全國50多個城市。

輻射改性是利用高分子化合物在一定劑量的射線照射下發(fā)生的輻射化學(xué)反應(yīng)，使該化合物的化學(xué)鍵發(fā)生交聯(lián)或斷裂，進而改善或強化化合物的性能。主要輻射化學(xué)反應(yīng)有輻射交聯(lián)、輻射固化、輻射接枝和輻射裂解。輻射改性一般使用60Co輻照裝置和電子束加速器，其典型的應(yīng)用是對電線電纜、熱縮材料等高分子聚合物進行輻照。經(jīng)輻照交聯(lián)處理后，電線電纜的耐溫性、耐老化性和化學(xué)穩(wěn)定性顯著提高，耐磨性、抗張強度、抗壓性、抗撕裂、抗剪切等機械和力學(xué)性能大為改善，電學(xué)性能也有提高，可作為航空航天、海上石油開采、通訊、核電等使用的特殊電纜。聚乙烯、聚氯乙烯和橡膠經(jīng)過輻照后，阻熱性、耐化學(xué)腐蝕性和力學(xué)強度等都得到明顯改善，經(jīng)交聯(lián)處理的高分子絕緣線廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)、航空航天、通訊行業(yè)和家電行業(yè)。

在污染處理方面，輻射技術(shù)為難以處理的污染物提供了新的凈化途徑。用放射性同位素（常用60Co和137Cs）和電子束加速器對廢水、污泥進行處理，可以殺死細(xì)菌和病原體，加速有機物的降解，將污水中可溶性的重金屬化合物還原成不溶于水的化合物，從而將其沉淀分離。將輻射技術(shù)與其他廢水處理技術(shù)聯(lián)用，具有協(xié)同效應(yīng)，能提高處理效果。輻射技術(shù)可對固體廢棄物進行殺菌消毒等無害化處理，利用輻射交聯(lián)、輻射裂解等反應(yīng)對固體廢棄物中的天然高分子物質(zhì)（如甲殼素、纖維素等）及合成高分子物質(zhì)（如塑料、橡膠等）進行處理，改變其物理化學(xué)性質(zhì)，從中提取有用物質(zhì)，實現(xiàn)資源的循環(huán)利用。在大氣污染處理方面，電子束煙氣脫硫脫硝技術(shù)經(jīng)過三十多年的發(fā)展已經(jīng)達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用水平，其脫硫脫硝率分別達(dá)90%、80%以上，且不產(chǎn)生廢水廢渣，無二次污染，副產(chǎn)品為硫銨和硝銨混合物，可作為化肥。該方法對于不同煙氣量和SO2含量具有較好的適應(yīng)性和負(fù)荷跟蹤性，適用范圍較廣、操作方便，在消除污染的同時，還實現(xiàn)了硫氮資源的綜合利用，具有很好的技術(shù)經(jīng)濟性和良好的市場前景。

離子束注入技術(shù)能顯著提高半導(dǎo)體器件的性能。例如，將氧離子注入到半導(dǎo)體硅片上，在很薄的單晶硅層下形成絕緣的Si O2層，這種材料稱為SOI（Silicon On Insulator），具有功耗小、響應(yīng)時間快、體積小等優(yōu)點，在軍用和民用上都有很好的前景。電子束和離子束刻蝕是超大規(guī)模集成電路制造的重要手段，能夠達(dá)到0.01μm的分辨率。

1.2 無損探傷

射線無損檢測是五大常用無損檢測手段之一，它檢測精度高、適用性好，能實現(xiàn)非接觸式在線檢測，廣泛應(yīng)用于焊縫、汽車、航空航天零部件、電廠及化工廠的壓力容器、管道及國防裝備等的缺陷檢測。放射性同位素是最常用的射線源之一，具有射線強度穩(wěn)定、單能性好、操作維護簡便、節(jié)能等優(yōu)點。常用的放射性同位素探傷源有60Co、137Cs、192Ir、75Se等。

射線無損探傷的主要方式有射線照相、實時成像和層析成像。

在射線照相和實時成像方面，同位素的典型應(yīng)用有：清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制并產(chǎn)業(yè)化的60Co集裝箱檢測系統(tǒng)、蘭州煉油化工總廠的焊縫缺陷檢測設(shè)備、中國原子能科學(xué)研究院的γ射線工業(yè)塔掃描系統(tǒng)。清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院研制的60Co集裝箱檢測系統(tǒng)采用1.11～11.1 TBq的高比活度60Co探傷源，配合使用高靈敏的氣體探測器，對集裝箱、貨車、貨運列車等進行不開箱快速檢查，能發(fā)現(xiàn)其中隱匿的走私品、違禁品及危險品等，已大量裝備海關(guān)口岸、滾裝船碼頭等，并出口到十多個國家或地區(qū)，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟和社會效益；蘭州煉油化工總廠的焊縫缺陷檢測設(shè)備采用75Se對小口徑換熱管的焊縫內(nèi)部缺陷進行檢測，射線底片質(zhì)量理想，取得了很好的效果；中國原子能科學(xué)研究院研制的γ射線工業(yè)塔掃描系統(tǒng)采用γ射線掃描技術(shù)對石油化工行業(yè)的精餾塔、分離罐等工業(yè)塔進行掃描，可以在不停產(chǎn)的情況下獲得塔內(nèi)構(gòu)件狀態(tài)和物料信息，幫助分析和判斷工業(yè)塔的工作狀態(tài)，有效幫助解決了生產(chǎn)中發(fā)生的實際問題。

射線層析成像包括CT和康普頓散射成像，早在20世紀(jì)80年代，重慶大學(xué)就開展了60Coγ工業(yè)CT系統(tǒng)的研制工作，但檢測精度和速度一直難于滿足實際要求。為了進一步提高60Co工業(yè)CT的檢測性能，2011年清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院采用高比活度60Co源和面陣探測器及小像素線陣探測器研制成功了60Co高精度CT，實現(xiàn)了對等效質(zhì)量厚度大于40 c m鐵的被測對象中小于40μm缺陷的檢測。60Co源由于射線能量較高、強度穩(wěn)定、近似單能、操作維護方便，十分適合于等效質(zhì)量厚度約3～13 c m鐵工件的檢測。γ射線康普頓散射成像技術(shù)早在20世紀(jì)七八十年代就研制成功，并應(yīng)用在金屬表面缺陷、鋁鑄件和非金屬多層結(jié)構(gòu)的檢查中，它的優(yōu)點是源和探測器可以單側(cè)布置，一次掃描就可以獲得三維圖像，缺點是檢測深度有限。

1.3 核儀表

放射性同位素在工業(yè)過程控制儀表及核測量儀表中有著廣泛的應(yīng)用，典型的應(yīng)用有火災(zāi)報警儀、料位計、測厚儀、紙漿濃度儀、煤灰分儀，核子秤、測井儀、水分監(jiān)測儀等。

我國核儀表的發(fā)展大致經(jīng)歷了三個階段［2］。第一階段是20世紀(jì)五六十年代，主要是以密度計、厚度儀和料位儀為代表的同位素儀表，這些儀表的特點是以γ或β射線的吸收或散射的宏觀特性為基礎(chǔ)，應(yīng)用核技術(shù)原理測量物件的密度、厚度和物料料位。第二階段是20世紀(jì)七八十年代，主要有：1）利用中子在物質(zhì)中的擴散、慢化和吸收原理進行測量的中子水分計；2）利用不同原子序數(shù)的物質(zhì)成分對γ或β射線吸收或散射不同的原理進行測量的煤灰分儀；3）利用γ射線激發(fā)被測量對象中不同元素產(chǎn)生特征X射線進行測量的熒光分析儀等；此外，在這個階段還在密度計基礎(chǔ)上開發(fā)了核子秤、流量計、濃度計等核測量儀表。第三階段始于20世紀(jì)末，主要有：新型核輻射探測器及陣列探測器的廣泛采用；與計算機技術(shù)相結(jié)合的輻射成像技術(shù)及工業(yè)CT技術(shù)的普遍應(yīng)用；核磁共振及中子激活瞬發(fā)γ元素分析技術(shù)等射線與原子核相互作用的微觀效應(yīng)在核儀表中的應(yīng)用。中子激活瞬發(fā)γ元素分析技術(shù)已被成功地用于煤的在線元素含量檢測，并能實時給出燃燒值數(shù)據(jù)，這項技術(shù)還用于隱型炸藥與毒品的檢測。核磁共振核素分析儀最先在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得成功，如今已開始用于石油測井。

核儀表由于其特異性，在工業(yè)生產(chǎn)過程中發(fā)揮著常規(guī)儀表不可替代的、越來越重要的作用。

1.4 油田井間示蹤監(jiān)測

當(dāng)油田由于原始?xì)怏w或流體的靜壓力下降而使原油減產(chǎn)時，為了提高原油的采收率，需要采用注入水、氣和聚合物等方式補充開采的能量，進行二次或多次采油的開發(fā)。為了提高開采效率，需要了解注入流體在地下的運動規(guī)律，這對于多井組注入和多井組開采的油田尤為重要。示蹤劑監(jiān)測技術(shù)是向注入井中注入能夠與已注入的流體相溶的示蹤劑，跟蹤已注入流體在油層中的運動軌跡，通過監(jiān)測生產(chǎn)井示蹤劑的濃度變化，獲取示蹤劑響應(yīng)曲線，從而獲取注入流體在地下的運動規(guī)律和油層信息，為油田開采提供依據(jù)。與傳統(tǒng)的化學(xué)示蹤劑相比，同位素示蹤劑種類多，檢測靈敏度高，穩(wěn)定性和通用性好，與地層流體配伍性好，具有明顯的優(yōu)勢，能夠滿足油田多井組、多層位、多示蹤劑的需要。同位素井間示蹤技術(shù)已成為公認(rèn)的描述井間油層非均質(zhì)性和流動性的重要手段。

1.5 同位素電池

放射性同位素電池（RIB）是將放射性同位素（RI）的衰變能通過一定的能量轉(zhuǎn)換方式轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N供能裝置。與化學(xué)電池、燃料電池、太陽能電池等其他供能裝置相比，RIB具有獨特的優(yōu)勢：1）不受外界環(huán)境影響，不需要提供外部能量輸入，可以在各種極端條件下使用，在其服役期間可長期穩(wěn)定供電而無需維護和更換；2）使用壽命長，設(shè)計壽命取決于所用RI的半衰期，可達(dá)數(shù)年至數(shù)十年；3）功率密度大，輸出電流能量密度可達(dá)化學(xué)電池的數(shù)百到數(shù)千倍，在實現(xiàn)相同功率的情況下可以做到更小的體積和質(zhì)量。

RIB的能量轉(zhuǎn)換機制有十多種，這些轉(zhuǎn)換機制可為分兩類：熱轉(zhuǎn)換機制和非熱轉(zhuǎn)換機制。熱機制包括溫差熱電轉(zhuǎn)換（RTG）、熱離子發(fā)射、堿金屬熱電轉(zhuǎn)換、熱致光伏效應(yīng)、熱機轉(zhuǎn)換機制等，非熱機制包括直接收集、輻射伏特效應(yīng)、壓電懸臂梁、射線致熒光伏特效應(yīng)、磁約束下粒子電磁輻射收集機制、衰變能耦合LC振蕩電路發(fā)電機制等。不同轉(zhuǎn)換機制可以達(dá)到的理論能量轉(zhuǎn)換效率差別很大，熱機轉(zhuǎn)換機制可達(dá)40%［3］，而直接充電機制只能達(dá)到11%［4］。以上機制除了RTG機制的同位素電池在美國和前蘇聯(lián)航天探測等強烈需求背景下實現(xiàn)產(chǎn)品化，用于航天器、海軍深海監(jiān)聽設(shè)備、極地探測、心臟起搏器等供電外，到目前為止，其他機制尚未見成品應(yīng)用的報道。

輻射伏特效應(yīng)同位素電池（RVIB）是近十幾年來的研究熱點，未來應(yīng)用前景十分廣闊。輻射伏特效應(yīng)的原理是利用RI衰變時放出的α或β粒子轟擊半導(dǎo)體材料產(chǎn)生大量電子空穴對，利用半導(dǎo)體材料內(nèi)建電場實現(xiàn)電子空穴對的收集。RVIB除了具有RIB功率密度大、壽命長、不受環(huán)境影響等特點外，還有以下優(yōu)點：1）適合制作質(zhì)量、體積微小的電池；2）易于與其他半導(dǎo)體元器件整合；3）不含運動部件，運行安靜穩(wěn)定等。RVIB的研究始于20世紀(jì)50年代，但受半導(dǎo)體制造和同位素制備水平的限制，一直沒有大的進展。20世紀(jì)90年代后，在微機電系統(tǒng)（MEMS）機載電源需求的牽引下，加之同位素、半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，RVIB的研究成為同位素電池技術(shù)研究的熱點問題，并取得了很大進展，但是其電輸出性能還不能滿足微機電系統(tǒng)供電的要求。目前對RVIB的研究主要是研究和改進換能單元，提高能量轉(zhuǎn)換效率和提高RI的能量密度，以提高RVIB的電輸出性能。

國內(nèi)對于RIB的研究始于20世紀(jì)60年代，當(dāng)時的主要目的是研究用于深海聲納和海島燈塔的電源。20世紀(jì)70年代初，中國科學(xué)院上海應(yīng)用物理研究所采用溫差熱電轉(zhuǎn)換機制，利用210Poα源為熱源取得了1.4 W的功率輸出，使一臺半導(dǎo)體收音機持續(xù)工作了3個月，但轉(zhuǎn)換效率僅有4.2%［4］。2006年，中國原子能科學(xué)研究院同位素研究所通過熱電耦轉(zhuǎn)換機制，研制成功了百毫瓦級238Pu同位素電池［5］。

2 在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用

醫(yī)學(xué)是同位素最早應(yīng)用的領(lǐng)域。鐳被發(fā)現(xiàn)不久，就被迅速應(yīng)用到腫瘤和狼瘡的治療中，當(dāng)時的鐳十分昂貴，0.1 g鐳的售價高達(dá)75萬法郎。目前，同位素已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在癌癥的診斷和治療領(lǐng)域，并發(fā)揮著不可替代的作用，同時在炎癥患者感染病灶的定性定位診斷方面也越來越顯示出獨特的優(yōu)勢。

2.1 癌癥治療

利用放射性同位素發(fā)射的射線殺死癌細(xì)胞進行癌癥治療是同位素最早的應(yīng)用之一。放射治療已成為惡性腫瘤治療中的主要手段之一。隨著同位素制備能力的增強和醫(yī)療器械及技術(shù)的進步，同位素治療癌癥的手段和方式也在不斷發(fā)展，目前主要的治療方式分為外照射和內(nèi)照射兩種。

1）外照射治療

外照射在放射治療中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，使用同位素的外照射治療設(shè)備主要是60Co治療機和γ射線立體定向治療機（γ刀）。

與醫(yī)用高能加速器相比，60Co治療儀具有一次投資小、運行維護費用低等優(yōu)點，對很多腫瘤的治療都能取得很好的效果，是市、縣和鎮(zhèn)級醫(yī)院放療設(shè)備的首選。據(jù)山東省衛(wèi)生廳2004年統(tǒng)計資料［6］，山東省共有60Co治療機77臺，其中鄉(xiāng)鎮(zhèn)醫(yī)院6臺，縣級醫(yī)院44臺，市級醫(yī)院24臺，省級醫(yī)院3臺。60Co治療機的缺點是：半影區(qū)大，照射野外的正常組織會接受一定劑量；半衰期短，需定期換源；防護復(fù)雜，工作人員受照劑量大等。這些缺點使得60Co治療機的應(yīng)用受到限制，在較大的治療機構(gòu)中，醫(yī)用高能加速器治療機已經(jīng)成為主流。

γ刀是最早出現(xiàn)的高精度立體定向放射治療設(shè)備，它將幾十到幾百個鈷源分布在一個半球形厚殼上，采用γ射線幾何聚焦方式，通過精確的立體定向，將經(jīng)過規(guī)劃的一定劑量的γ射線集中照射于體內(nèi)預(yù)選的靶點，一次性、致死性地摧毀靶點內(nèi)的組織，以達(dá)到外科手術(shù)切除或損毀的效果。γ刀最早用于治療頭部腫瘤，目前已廣泛應(yīng)用于全身各種腫瘤的治療，國內(nèi)各大醫(yī)院的γ刀機器已達(dá)到二百余臺。

2）內(nèi)照射治療

近二十年來，以后裝治療機和放射性粒子植入近距離治療為代表的內(nèi)照射放射治療發(fā)展十分迅速。

后裝放療是先在病人的治療部位放置不帶放射源的治療容器，包括能與放射源導(dǎo)管相連接的空裝源管或相應(yīng)的輔助器材，然后在隔離房手動或遙控將放射源通過放射源導(dǎo)管送至病人體內(nèi)的治療部位，進行放射治療。后裝放療常用的源有192Ir、252Cf等，目前國內(nèi)用的最多的是192Ir，源尺寸約為φ0.9 mm×7 mm，活度一般為370 GBq（10 Ci）左右，治療時間3～5 min。后裝機最多可放置18條塑料管，設(shè)置18個治療部位，多數(shù)情況下為3～4個治療部位［7］。后裝治療具有治療時間短、療效確切、并發(fā)癥少、腫瘤消退快等優(yōu)點，因此推廣應(yīng)用十分迅速，中國2001年已有379臺后裝機投入臨床使用，在設(shè)備生產(chǎn)方面，也有深圳威達(dá)公司、中國原子能科學(xué)研究院、成都康聯(lián)醫(yī)學(xué)工程研究所、天津華楊科貿(mào)公司等多家單位。

放射性粒子植入是將具有包殼的放射性核素直接埋入腫瘤組織內(nèi)，通過核素持續(xù)釋放射線對腫瘤細(xì)胞進行殺傷的治療方法。臨床常用的放射性粒子主要是125I和103Pd，分別代表低劑量率和中劑量率輻射，125I適用于分化較好、分裂較慢的腫瘤細(xì)胞，103Pd適用于分化差、繁殖快的腫瘤細(xì)胞，臨床上經(jīng)常將兩種核素合用以更全面地殺死腫瘤細(xì)胞。植入腫瘤中的每個放射性粒子活度在14.8～40.7 MBq（0.4～1.1 mCi），直徑約0.8 mm，可通過12號注射針植入體內(nèi)。臨床治療時125I初始劑量率大約為8～10 c Gy／h，103Pd初始劑量率約為20 c Gy／h。目前，放射性粒子植入法最好的適應(yīng)癥是前列腺癌，其長期療效與根治手術(shù)或外照射相似，而且其副作用特別是性功能障礙的發(fā)病率較低，治療時間短，手術(shù)方法簡便，深受患者歡迎。近年來，在放射物理和放射生物學(xué)蓬勃發(fā)展的基礎(chǔ)上，粒子植入治療計劃系統(tǒng)不斷提高與完善，劑量學(xué)要求逐步明確，植入治療設(shè)備不斷改進，放射性粒子臨床應(yīng)用的范圍已經(jīng)拓寬到肺癌、肝癌、胰腺癌、組織肉瘤、骨腫瘤、早期乳腺癌等許多領(lǐng)域。放射性粒子植入近距離治療已經(jīng)迅速在國內(nèi)發(fā)展，據(jù)有關(guān)文獻［8］報道，不完全統(tǒng)計，全國每月銷售125I粒子20 000～30 000粒，治療患者4 000～6 000例。

靶向治療是新近發(fā)展起來的一種癌癥治療方法，這種治療方法的原理是用放射性核素標(biāo)記癌細(xì)胞的單克隆抗體，將標(biāo)記后的抗體注入病人體內(nèi)，由于這些抗體對癌細(xì)胞中的抗原物質(zhì)具有很高的親和性，放射性核素會在病人體內(nèi)的癌細(xì)胞中產(chǎn)生匯聚效應(yīng)，殺死癌細(xì)胞，達(dá)到癌癥治療的目的。90Y是靶向治療中常用的放射性核素，用90Y標(biāo)記單克隆抗體進行靶向治療的方法已經(jīng)應(yīng)用于結(jié)腸癌、卵巢癌、乳腺癌、胰腺癌、神經(jīng)膠質(zhì)瘤等的治療中。

2.2 臨床診斷

放射性核素腫瘤顯像對癌癥早期診斷、良性和惡性腫瘤鑒別、復(fù)發(fā)和殘留組織的檢測及轉(zhuǎn)移灶的探查等有獨特的優(yōu)勢，近十幾年來發(fā)展十分迅速。作為顯像劑應(yīng)用的另一重要領(lǐng)域，近年來炎癥顯像劑的研究也取得了很大進展，并已進入臨床應(yīng)用階段［9］。

放射性核素作為顯像劑，是用放射性核素對類似人體內(nèi)源性代謝物的化合物（如類葡萄糖等）或生物活性物質(zhì)（如多肽、蛋白質(zhì)、抗體等）進行標(biāo)記，在經(jīng)過一定時間的代謝后，檢測標(biāo)記核素在患者體內(nèi)的分布，從而對腫瘤或炎癥病灶進行診斷和定位。顯像劑根據(jù)其作用機理主要分為兩類：一類利用腫瘤細(xì)胞高代謝特點，對人體內(nèi)源性代謝物進行標(biāo)記，通過觀察代謝物的聚集情況判斷腫瘤位置，如反映葡萄糖代謝的2-氟－18-氟-2-脫氧-D-葡萄糖（18F-FDG）、反映氨基酸代謝的L-甲基-11C-蛋氨酸（11C-MET）、反映磷脂類代謝的11C-膽堿等；一類利用標(biāo)記活性物質(zhì)對靶組織的特異性和高親和性來顯示癌或炎癥組織的分布和密度，這類顯像劑有乏氧顯像劑18F-FMISO、雄激素受體顯像劑11C-雙氫睪酮（11C-EDHT）、嗜鉻細(xì)胞瘤受體顯像劑11C-羥基麻黃素（11C-m HED）等。常用的標(biāo)記核素有18F、125I、99Tcm、131I、188Re、90Y、11C 等。臨床上使用最廣泛、能探測顯像劑在體內(nèi)分布的設(shè)備是PET和SPECT。SPECT用于探測發(fā)射γ光子的核素（如99Tcm、123I等），PET用于探測發(fā)射正電子的核素（如18F、11C等），這些方法已將醫(yī)學(xué)臨床診斷提升到細(xì)胞水平。

隨著核顯像技術(shù)的進步和大量新型高特異性顯像劑的研制成功，核醫(yī)學(xué)顯像對各種癌癥的適用性大幅提高，已廣泛應(yīng)用在肺癌、肝癌、淋巴瘤、甲狀腺癌、乳腺癌、胰腺癌、胃癌、食管癌等的診斷和治療中。在炎癥診斷方面，已有多種炎癥顯像劑投入臨床使用，用13C-尿素呼氣試驗檢測胃幽門螺旋桿菌（HP）感染在國際上已被公認(rèn)為胃部HP感染診斷的最重要手段之一，并被譽為胃部HP感染診斷的金標(biāo)準(zhǔn)［10］。

3 在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用

核技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用稱為核農(nóng)學(xué)，我國核農(nóng)學(xué)的研究與應(yīng)用開始于1956年，現(xiàn)已在作物輻射誘變育種、農(nóng)副產(chǎn)品輻射加工及貯藏保鮮、同位素示蹤、輻射不孕害蟲防治、低劑量輻射刺激生長等方面取得了顯著成績，創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益，受到國際原子能機構(gòu)（IAEA）和世界各國的高度關(guān)注和贊譽。核農(nóng)學(xué)中使用最廣泛的是放射性同位素。

我國輻射誘變育種研究工作雖比國外晚約30年，但是發(fā)展很快，培養(yǎng)了一大批高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、抗病的新品種。據(jù)2008年不完全統(tǒng)計，我國輻射誘變育成新品種623個，占全世界輻射育成新品種總和（2 320個）的26.85%，年推廣種植面積達(dá)900萬公頃，每年為國家增產(chǎn)糧食30～40億公斤、棉花1.5～1.8億公斤、油料0.75億公斤，創(chuàng)經(jīng)濟效益33～40億元［11］。

在農(nóng)副產(chǎn)品的輻照加工方面，2004年，我國農(nóng)用輻照站已超過70座，分布于全國28個省、市、自治區(qū)的40多個城市，有100多個單位分別對200多種農(nóng)副產(chǎn)品進行了輻照保鮮、殺蟲滅菌、改善品質(zhì)等方面的研究。“九五”期間，全國農(nóng)副產(chǎn)品輻照加工已達(dá)35萬噸以上，產(chǎn)值60～65億元，并向集團化、商業(yè)化方向發(fā)展［12］。

同位素示蹤技術(shù)在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用和迅猛發(fā)展，對營養(yǎng)元素、有毒有害元素在土壤－水－大氣－生物中的遷移、轉(zhuǎn)換、累積規(guī)律以及土壤的侵蝕污染歷史等方面的研究起了很重要的作用，極大地推動了農(nóng)業(yè)科學(xué)以及生命科學(xué)的發(fā)展，在農(nóng)業(yè)資源、環(huán)境保護和可持續(xù)農(nóng)業(yè)等研究領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，2003年，農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的示蹤核素已超過40種。以同位素示蹤技術(shù)為基礎(chǔ)，我國學(xué)者提出了適合不同耕地體系和不同生產(chǎn)地區(qū)的綜合植物營養(yǎng)和土壤管理系統(tǒng)，在2003年之前的10年中，這些技術(shù)的推廣增產(chǎn)了190萬噸糧食，帶來了28億元的經(jīng)濟效益［13］。

在輻射不孕防治昆蟲方面，我國自20世紀(jì)60年代以來，先后對玉米螟、蠶蛆蠅、小菜蛾、柑桔大實蠅、棉鈴蟲等10多種害蟲進行了輻射不育研究和在一定面積上的釋放試驗。例如：在200公頃面積上釋放輻射不育蠶蛆蠅，防治效果達(dá)98%；在貴州惠水縣釋放人工飼養(yǎng)的柑桔大實蠅，將柑桔大實蠅危害率由釋放前的5.19%下降到0.098%［12］。需要指出的是，我國雖然培育了很多輻射不育昆蟲品種，但是在技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用方面做得還很不夠，尤其在輻射不孕昆蟲的大規(guī)模工廠化生產(chǎn)和大范圍田間釋放方面，與發(fā)達(dá)國家相比還有很大差距。

利用低劑量輻照處理植物種子，可以促進植物生長和發(fā)育，提高產(chǎn)量。例如，利用快中子輻照柞蠶卵刺激增產(chǎn)效果明顯，可使蠶繭產(chǎn)量提高10%～20%，這項技術(shù)已在山東、河南、遼寧等10多個省、市推廣，取得了顯著的經(jīng)濟效益。利用低劑量快中子輻照對蝦的卵和蝦苗，可使卵的孵化率提高6.9%～18.4%，成活率提高10%～30%，每畝產(chǎn)量一般可提高15%～20%，在沿海地區(qū)推廣，取得直接經(jīng)濟效益達(dá)1 000多萬元［12］。

4 在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用

同位素在環(huán)境領(lǐng)域的應(yīng)用主要是以環(huán)境同位素（環(huán)境中自然存在而不是人工加入的核素）作為示蹤劑，對水體、大氣及土壤中特定對象的來源及遷移過程等進行判斷和研究。作為示蹤劑的同位素可以是穩(wěn)定同位素或者放射性同位素，而以穩(wěn)定同位素的應(yīng)用最為廣泛，主要有D、18O、34S、15N、13C、53Cr和87Sr等。

特定來源的物質(zhì)有特定的同位素組成，因此某種元素的不同同位素在物質(zhì)中的豐度比可以作為該種物質(zhì)的標(biāo)識，通過測定同位素豐度比，可以對環(huán)境中某種物質(zhì)的來源及遷移過程等進行判定或研究，這就是穩(wěn)定同位素作為示蹤劑的原理。同位素技術(shù)在環(huán)境污染、水文與水資源、海洋及湖泊生態(tài)系統(tǒng)等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛。

由于穩(wěn)定同位素在特定污染源中具有特定的組成，且具有分析結(jié)果精確穩(wěn)定、在遷移與反應(yīng)過程中組成穩(wěn)定的特點，已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境污染事件的仲裁、環(huán)境污染物溯源和示蹤中。例如：通過測量穩(wěn)定碳同位素13C和12C的組成解析大氣中多環(huán)芳烴的來源、考察含氯有機污染物的原位修復(fù)與生物降解過程；通過觀測穩(wěn)定氮同位素組成解析湖泊沉積物中有機物來源；通過測量硫的穩(wěn)定同位素組成研究從水體中硫酸鹽污染到大氣中硫來源等眾多環(huán)境問題；利用穩(wěn)定鉛同位素指標(biāo)206Pb／207Pb進行鉛來源解析與示蹤已被廣泛運用到土壤、地下水、降水、大氣、湖泊沉積物等介質(zhì)中鉛來源的研究［14］。

環(huán)境同位素方法在解決許多水文地質(zhì)問題方面，如確定地下水水齡、研究地下水的形成機制、運動及補給、地下水中的污染源、地表水與地下水的相互關(guān)系、監(jiān)視和跟蹤海水入侵的變化趨勢等，已經(jīng)成為國內(nèi)外廣泛認(rèn)可和使用的方法。例如：澳大利亞利用同位素技術(shù)分析了解了中部地區(qū)大自流盆地的地下水系統(tǒng)，包括地下水運動規(guī)律和地下水年齡，為合理開發(fā)利用地下水提供了基礎(chǔ)信息；美國利用同位素技術(shù)分析洪水的過程、洪水中地表水和地下水所占的比例，為洪水控制及水文學(xué)研究提供了依據(jù)；我國也應(yīng)用同位素技術(shù)對渭河兩岸和黑河流域地表水和地下水轉(zhuǎn)換規(guī)律進行了研究，對于科學(xué)評價流域水資源狀況，合理規(guī)劃水利工程、進行地下水和地表水聯(lián)合調(diào)度具有重要意義［15］。

5 結(jié)束語

綜上所述，同位素已廣泛應(yīng)用于核儀表、輻照加工、癌癥治療、輻射育種等各個領(lǐng)域。進入21世紀(jì)后，隨著同位素分析測量技術(shù)、生物技術(shù)及半導(dǎo)體技術(shù)的進步，同位素應(yīng)用取得了很大進展，主要體現(xiàn)在以下幾方面。

1）同位素示蹤技術(shù)。同位素示蹤技術(shù)在核醫(yī)學(xué)、核農(nóng)學(xué)、環(huán)境科學(xué)及生命科學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展迅速，已成為這些領(lǐng)域研究和生產(chǎn)的最重要手段之一。

2）穩(wěn)定同位素技術(shù)的廣泛應(yīng)用。穩(wěn)定同位素具有無二次污染、測量精度高的優(yōu)點，隨著穩(wěn)定同位素分析和測量技術(shù)的進步，其應(yīng)用越來越廣泛。穩(wěn)定同位素的應(yīng)用主要有兩方面：作為示蹤劑中的標(biāo)記核素和通過穩(wěn)定同位素分析研究解決環(huán)境和生態(tài)問題。

3）同位素標(biāo)記的新型顯像劑和靶向治療藥物的研究在核醫(yī)學(xué)的應(yīng)用。這是當(dāng)前同位素應(yīng)用中最熱門、最有活力的研究領(lǐng)域之一。

總之，同位素技術(shù)的發(fā)展，將為人類社會帶來越來越多的福祉。

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