碳-14的前世今生

碳-14，身为碳元素的同位素，却与兢兢业业“工作”的兄弟姐妹们不同——它是一种很“好动”的元素，可能这会儿它还巧用火眼金睛忙碌工作，下一秒就以另一种形态去“游山玩水”了。

在现实生活中，它的这种“顽皮”劲儿让科学家们“大开脑洞”，被广泛运用于农业、化学、医学等领域，是幽门螺旋杆菌检测、药代动力学研究、β射线环境监测等方面的首选示踪剂。

近日，全球首批商用堆碳-14辐照生产靶件，在中核集团秦山核电三厂2号重水堆机组入堆，开始大规模生产碳-14同位素。

碳-14究竟是如何来的?我们又是如何将其灵活运用于各领域?我们与秦山核电站专项工程处重水堆研发科教授级高级工程师樊申面对面聊了聊，带大家一窥碳-14 的前世今生。

“活泼好动”的同位素

“宇宙中存在生命，只是因为碳原子具有某些特殊的性质。”英国科学家詹姆斯·金斯曾说过这样一句话。

地球上每一个生命体都是基于四种元素构建的，其中包括氢、氧、氮以及更为重要的碳。所以，想要了解碳-14，首先要知道它和碳元素的“亲缘关系”。

樊申介绍，碳元素有多种同位素。在地球上，有99%以碳-12的形式存在，常见的如石墨、钻石等，有大约1%为碳-13，至于碳-14就更少了，只有约百万分之一的比例。然而，数量如此之少的同位素，却广泛存在于有机生命体中——包括我们自己的身体，都居住着少量的碳-14。

碳元素的原子核里都有6个质子，想要识别同胞的兄弟姐妹，还得数一数它们的中子数。例如碳-12有6个中子，碳-13则有7个中子，碳-14有8个中子。正因为这种质子数相同、中子数不同的特性，使得它们的化学性质相同，但原子核特性不同。

碳-14到底是如何发现的呢?樊申说，这要从美国科学家马丁·卡门的非凡故事讲起。1940年2月27日清晨，美国化学家马丁·卡门坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大学伯克利分校的实验室外逮捕了这位衣冠不整的科学家，他们指控他涉嫌参与前一天晚上发生的一系列谋杀案。

但警方无法确定卡门犯了什么罪，因为这位科学家过去3天一直被关在实验室里，和他的同事——美国化学家塞缪尔·鲁本一起，做一个把氘粒子投射到一小块石墨样品上的实验。被释放后，卡门回家小睡了一会儿，然后回到实验室，做出了20世纪最重要的发现之一：碳-14同位素。

樊申告诉记者，自然界中的碳-14其实是宇宙射线中的中子撞击空气中的氮-14原子，导致氮-14吸收一个中子、放出一个质子后产生。这也使得它与其他同位素不同，携带了非常微弱的放射性。在卡门和鲁本之后，科学家们进一步确定它的半衰期是5730年，这意味着几乎每6000年，一个有机材料样本(比如骨头或木头)中碳-14原子的数量就会减少一半。因此科学家能够通过这一原理，采集材料样本，分析稳定的碳-12与衰变的碳-14在样本中的比例，得出一些与样本时间有关的结论。

衰变后，碳-14会重新变回氮-14。它们之间可以在漫长的时间里来回转换，所以碳-14也被人们戏称为“好动”的同位素。

工作人员在一线查看设备运行情况。(秦山核电供图)

事关多门学科的钥匙

过去，考古学家和人类学家依靠一种叫作相对年代测定法的方法来解释标本的年龄。他们测定地质年代的依据是：埋得深的物体可能比埋得浅的物体更古老。

如今，利用碳-14这种珍贵的同位素，科学家更容易揭开人类学、考古学和古生物学等众多领域的神秘面纱。

“我们常说的‘碳-14年代测定法’就是很好的例子。”樊申说，当植物、动物死亡后，不会再和环境中的碳进行交换，因此它们本身的碳-14便会不断衰变，只要通过其半衰期就能推算该生物经过了多长时间的衰变，进而知道其被埋藏的时代。

在气候科学中，科学家可以通过研究一个特定的岩石样本中的碳-14数量，从而了解更长时间尺度下，地球上冰川消退的速度。他们还能利用碳-14，跟踪碳循环的轨迹，帮助更好地了解植物如何从大气中吸收碳——这也是一个关键的测量方法，用来模拟气候变化在未来几年的发展情况。

在日常体检中，大家可能会发现一项“碳-14呼气试验” ，这正是它被拓展到医学、环保、新药开发、化学反应机理研究等新领域的表现。

樊申介绍，所谓“碳-14呼气试验”，就是在服用一粒小小的胶囊后，从呼出的气体中检测出胃里是否存在幽门螺旋杆菌感染。

这一切，都归功于胶囊中含有碳-14的特殊尿素。胃中的幽门螺旋杆菌会产出高活性的尿素酶，因此尿素会分解成氨和二氧化碳，而含有碳-14的尿素所释放的二氧化碳，也含有碳-14，胃中这些被它标记的二氧化碳会随着血液运输到肺部，这时对呼出的气体进行碳-14收集和检测，就能判断出幽门螺旋杆菌菌落感染情况。

大家可能会担心，碳-14对人体会有损害吗?答案是否定的。在樊申看来，“碳-14呼气试验”的胶囊中，碳-14含量极低。他说：“打个比方，一年中摄入的食物中含有的放射量约为这粒胶囊的182倍。并且含碳14的尿素在人体内停留时间很短，在48小时内基本会被人体排出体外。”

值得一提的是，碳-14还能让我们安心“吃饭”。在种植农作物时，为了防治病虫害需要适量喷洒农药，但农药一定程度上会被土壤和作物吸收，那么如何去检测农药残留呢?也可以用碳-14来追踪。

原来，在喷洒前的农药中加入碳-14，农药能发出“光亮”。通过特定的仪器设备就能检测农作物上碳-14的含量，从而判断农药的残留量。追着“光亮”，科学家也能观测到农药在作物、环境及人体中的迁移、变化，研究其反应原理、过程，以及对人畜、环境的影响。

秦山核电站。视觉中国

开启自主化批量生产

随着碳-14的深入应用，它的需求量也越来越大。一直以来，辐照生产医用放射性同位素一直是研究堆的“专利”。但是，因为各种原因，虽然国内开展过医用放射性同位素生产相关科研工作，但一直没能真正形成生产力。

此前，秦山核电已成功研发并生成了工业钴源、医用钴源，主动承担起了利用现有的反应堆资源帮助国家解决同位素供应问题的责任。近年来，经过分析论证，秦山核电决定将辐照生产碳-14作为同位素基地建设的第一个项目，立下了2022年首批靶件入堆、2024年首批产品供应市场的攀登目标。

“当时利用商用堆辐照生产同位素，无技术积累、无经验可循。” 樊申说，靶材的选择就是一个很大的难题，团队既希望入堆的靶材纯度高以保证最终产品质量，又需要考虑国内加工制造能力，确保能够采购到。

为了在两者之间取得最佳平衡，他与同事们一起，与设计方、制造方召开了无数次电话会议，各方经常因为杂质限值能否调整1个ppm(百万分之一)而频频争论，直到找到一个最恰当的值。同时，团队积极调研国内靶材提供方，与每一个潜在供货方都做过交流。经过不懈努力，最终顺利找到一种符合条件的含氮元素的靶件材料。

“碳-14同位素在秦山核电开始大规模生产，标志着我国碳-14的生产正式开启了自主化道路。” 樊申激动地说，未来其产量可以基本满足国内需求，解决了国内碳-14同位素供给问题，也探索出了一条利用商用反应堆来进行医用同位素生产的新途径。

“碳-14国产化以后，其价格会大幅降低，还将有助于带动同位素应用产业链发展。”他说，预计国产碳-14将于2024年开始向市场供货，助推科研领域的持续发展。

眼下，秦山核电正与嘉兴海盐聚力打造核技术应用(同位素)产业基地，该基地首期规划面积1500亩，重点引进培育一批同位素制造、核药研发产业，如今已有多家核技术应用企业与海盐开展投资洽谈。

与此同时，由浙江智丹科技有限公司投资3.5亿元的项目落户秦山街道，年产2800居里癌症诊断与治疗的同位素药物项目用地现场，项目方正有序施工。建成后将满足长三角地区对癌症诊断与治疗的同位素药物的迫切需求。