神奇的稳定同位素

说起“同位素”，很多人不免心头掠过一丝“恐惧”，这其实是对它的误会。同位素是指质子数相同而中子数不同的元素，在元素周期表中处在同一个格子中，可以说它们是“孪生兄弟”。同位素可分为放射性同位素和稳定性同位素，稳定性同位素的“稳定性”在于它有着和地球寿命（大约109年）一样长的时间尺度里没有任何衰变的记录，所以安全、稳定、无辐照伤害而不需要特别防护。 本书从科普的角度介绍了稳定同位素基本知识，带领读者走进稳定同位素这个神奇的领域。使人们了解了稳定同位素的生产、制备、检测以及广泛的应用。

核科学技术在20世纪得到了迅速发展和应用，进入21世纪之后受到越来越多国家的重视。因为核科学技术的发展，不论是民用还是军用，都关系到国家战略的根本利益。稳定同位素作为核科学重要的分支在科研生产、社会生活等诸多领域发挥着越来越重要的作用。
上海化工研究院长期从事稳定同位素的研发、生产与检测，是国家同位素工程技术研究中心上海分中心、上海稳定性同位素工程技术研究中心的挂靠单位。在中国化工学会的组织安排下，中心十几位专家开始编写这本书。从查阅资料、整理文献，到撰写文字、设计插图，反复推敲、几易其稿，特别是在新型冠状病毒肺炎疫情期间坚持写稿，并通过网络视频进行讨论修改。一分耕耘，一分收获，在化学工业出版社的指导下我们终于完成了本书的编写。
本书从科普的角度介绍了稳定同位素基本知识，带领读者走进稳定同位素这个神奇的领域，使人们了解稳定同位素的生产、制备、检测以及广泛的应用。全书共分为六章。第一章“大自然中的稳定同位素”介绍了什么是稳定同位素，稳定同位素与放射性同位素的差异，以及稳定同位素的发现、获取和检测方法。第二章到第六章主要介绍稳定同位素在各个领域中的应用。第二章“生命健康的守护神”介绍了稳定同位素在医学诊断与治疗肿瘤方面的应用。第三章“食品安全的守护者”介绍了稳定同位素在食品安全检测中发挥的重要作用，能够从更高标准上保障食品的安全。第四章“生态环境的护航舰”介绍了稳定同位素在生态环境领域中的应用，特别精选了数个生态学、环境和地质科学中解决问题的实例。第五章“核能利用的关键材料”介绍了稳定同位素在核工业中的特殊功能以及广泛应用。第六章“探索未知世界”主要介绍了稳定同位素在科技前沿以及宇宙探测等方面的应用案例。
本书是一本科普读物，可供普通公众阅读，也可作为科普工作者的宣传资料。通过宣传稳定同位素科学技术知识，倡导科学方法，传播科学思想，弘扬科学精神。
本书力求做到深入浅出，图文并茂，多举实例，通俗易懂，让广大读者通过阅读能够对稳定同位素及其应用有一个正确的、科学的认识；消除人们对稳定同位素的恐惧感，揭开核科学的神秘面纱。
由于我们水平有限，加上时间紧凑，书中难免存在不足之处和纰漏，请广大读者提出宝贵意见。在此也感谢关心和支持本书出版的各级领导，感谢为本书做出贡献的各位同仁。

徐大刚  
2021年3月 

《神奇的稳定同位素》由中国化工学会组织编写，上海化工研究院、国家同位素工程技术研究中心上海分中心、上海稳定性同位素工程技术研究中心多位专家执笔，从科普的角度介绍了稳定同位素基本知识，带领读者走进稳定同位素这个神奇的领域，并使人们了解到什么是稳定同位素以及稳定同位素的广泛应用。通过阅读此书，可以增长稳定同位素科学技术知识，了解稳定同位素科学技术应用。本书适合广大青少年及喜爱核科学技术的人们阅读。

第一章 大自然中的稳定同位素 001
第一节　原子家族的孪生兄弟 002
1.了解微观世界　002
2. 认识元素周期表　003
3. 同位素的发现　005
第二节　同位素的“变”与“不变” 007
1. 放射性同位素——超级变变变　007
2. 稳定同位素——亘古不变　010
第三节　稳定同位素的获取离不开化学工程 015
1. 稳定同位素的获取途径　015
2. 从原料到产品的进阶　020
第四节　稳定同位素检测技术——识别稳定同位素的眼睛  022
1. 质谱仪　023
2. 核磁共振谱仪　025
3. 红外光谱仪　025

第二章 生命健康的守护神 027
第一节　幽门螺旋杆菌的“侦察兵” 028
1. 现有诊断方法比较　028
2. 能力超强的“侦察兵”——13C-尿素　028
3. 13C-呼气检测临床研究新应用　030
第二节　疾病早期诊断——明察秋毫 030
1. 疾病诊断的火眼金睛——PET/CT　031
2. 18F-FDG从何而来　034
第三节　癌症治疗新利器 035
1. 氙同位素用于甲状腺癌治疗　035
2. 硼同位素用于治疗肿瘤　036
第四节　遗传病快速筛查及营养代谢的“量身定制” 039
1. 新生儿遗传代谢病筛查　039
2. 营养代谢的“量身定制”　042
第五节　神奇的低氘水 043
1. 水中贵族——低氘水　043
2. 低氘水的功效　046
第六节　测量人体健康与营养的“精准工具”　048
1. 利用稳定同位素示踪技术测量身体成分　049
2. 稳定同位素技术用于测量能量消耗　050
3. 评估人体中维生素A的状况　052
4. 测量人体氨基酸需求量　052
参考文献 054

第三章 食品安全的守护者 055
第一节　从吃得饱到吃得安全 056
1. 农兽药残留超标的检测　057
2. 非法及滥用添加剂的检测　061
3.“揪出”食品中隐藏的生物毒素　065
第二节　从吃得安全到吃得健康 068
1. 食物过敏原检测的利器　068
2. 食用油脂中有害物质的辨别　071
3. 食物中挥发性风味物质的检测　073
第三节　从吃得好到吃得真 073
1. 辨识真假的“火眼金睛”　074
2. 巧辨有机食品　075
3. 敢问高端美食何处来　077
4. 矿泉水水源产地大揭秘　078
参考文献 080

第四章 生态环境的护航舰 081
第一节　物质循环的“指纹标签”　082
1. 自然界的物质循环　082
2. 物质循环的“指纹标签”——同位素　085
第二节　植物体生长的“记录器”　087
1. 同位素与光合作用　087
2. 植物生长的“印迹”　089
第三节　精准施肥的“指示剂”　091
1.“功德无量”的化肥　091
2. 化肥施用多多益善？　091
3. 如何做到精准施肥？　092
第四节　生态研究的“好帮手”　096
1. 探究光合作用后的代谢过程　096
2. 跟踪稻田土壤中的反硝化作用　097
3. 探寻环境中硫的来源　097
第五节　环境污染物的溯源与降解 099
1. 大气中氮氧化物从哪里来　099
2. 虫子是如何“吃掉”塑料的　101
3. 污染物是怎么被降解的　103
第六节　水文地质研究中的稳定同位素 104
1.“拨云见山”的同位素水文地质学　105
2. 地下水的来源推断　106
3. 神奇的地质温度计　108
4. 预测隧道突水风险　108
参考文献 110

第五章 核能利用的关键材料 111
第一节　重水是核能利用的“调速器” 112
1. 第二次世界大战中的重水之战　112
2. 重水是核反应的中子减速剂　113
3. 重水是如何生产的　117
4. 重水与中国的核电之路　118
第二节　硼同位素是核反应的“控制棒” 119
1. 控制棒的核心原料——硼-10　119
2. 硼-11的妙用　120
第三节　稳定同位素为核聚变提供充足的“燃料” 121
1. 什么是核聚变　121
2. 核聚变燃料的提取　123
3. 无中子的核聚变　125
第四节　OLED材料 126
第五节　其他核能材料 128
1. 更快更强的硅-28半导体　128
2. 分毫不差的同位素原子钟　130
参考文献 132

第六章 探索未知世界 133
第一节　化学反应机理研究 134
1. 酯化反应的机理　135
2. 碳资源循环利用的机理　135
3. 百年难题“人工固氮”的机理　136
第二节　新药开发 137
1.“药半功倍”的氘代药物　137
2. 药物毒性的检测　141
3. 药代动力学研究　142
第三节　超极化磁共振人体成像 144
1. 氙-129超极化探针诊断肺癌　144
2. 碳-13超极化探针　148
第四节　毒品侦察 150
1. 毒品检验的常用分析方法　151
2. 痕量毒品鉴定的“新武器”　152
3. 毒品溯源推断的“利器”　153
4. 兴奋剂检测　155
第五节　导航定位 156
1. 激光陀螺是怎么工作的　157
2. 激光陀螺的应用　158
3. 核磁共振陀螺仪　160
第六节　宇宙探测 161
1. 暗物质探测　161
2. 无中微子双β衰变探测　164
3. 引力波探测　167
参考文献 168