同位素分析方法和设备技术

一种同位素分析方法和设备，使被分析物保持在一种条件下使同位素载体物处于激发态并用含特定波长的光照射，测量被分析物中诸如ＣＯ↓［２］的多原子载体物的同位素组成，所用波长与同位素载体物的跃迁能量相应。检测由不同波长的光引起的光电效应可测定被分析物与不同波长的光之间的相互使用。上述光由充有同位素载体物的激光器（１０）提供。在化学或生物试验中，可用↑［１３］Ｃ或↑［１８］Ｏ等稳定同位素作为示踪物并用本发明专利技术的组分测定方法进行检测。（*该技术在2013年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及同位素分析及用示踪物同位素进行检测的领域。通常，需要确定某一材料中各种同位素的含量。同位素是指相同化学元素的、原子核质量不同的不同形式。例如，天然碳主要由12C和少量的13C和14C同位素组成，12C的原子量为12原子质量单位，13C和14C同位素的原子量分别为13和14原子质量单位(AMU)。12C和13C同位素是稳定的，而14C具有放射性，会随时间自然衰变成其它元素。在所谓的“碳定年”中，为了测得试样的年代，要对试样中14C和12C之比进行测量。许多生物和化学检测都采用如14C之类的放射性示踪物。若用14C代替天然碳制得可与如一种活组织之类的生物系统或化学系统相互作用的含碳化合物，那么该化合物为用14C“标记”或“示踪”的化合物。然后，将该生物试样暴露在上述经标记的化合物中，使试样与经标记的化合物相互作用。这种相互作用可生成加入了来自标记化合物的14C的检测试样或被分析物，其中14C的含量直接与所关心的生物相互作用有关。例如，在放射免疫试验中，通过使试样受到适于与抗体化学键联的14C标记抗原的作用可测定生物试样中特定抗体的量。根据试样中测得的抗原量及根据试样而测得的14C的含量可推算出试样中抗体的量。在其它的检测中，上述试样也可以是由生物试验品排出或渗出的物质。例如，可以将用14C标记的脲引入试验对象为活哺乳动物的体内，例如可以引入人体内。如果该对象的肠道中存在某种细菌，他呼出的二氧化碳就会含有引入脲中的标记同位素。因此，通过放射性计量测定出对象呼吸中的14C与12C之比就可检测出这种细菌。通常在这类或其它类测试中常用14C作为标记同位素，因为通过计量测定14C衰变时产生的放射性就可检测出这种同位素，而且只要采用较简单的设备就可进行这类计量测定。但是，人们毕竟不希望采用放射性物质。这类放射性物质原本是不稳定的。此外，尽管用于示踪研究的这类天然放射性物质的含量通常很小，但从安全和健康的角度考虑，任何放射性都是不希望的。理论上，可以用稳定、稀有的同位素13C作为标记同位素来取代14C以进行完全类似的示踪研究。然而，要检测出试样中13C的含量或13C与12C之比是很困难的。迄今为止人常常采用质谱仪来进行这类测量。用质谱测定法费用很高且很复杂，这是很突出的缺点，况且在某些情况下还不能采用质谱测定法。因为质谱测定法不能区分相同质量的不同种类的化合物，人们必须极其细心地除去与所关心的那类化合物质量相同的本底原子、分子和原子团。因此，长期以来人们渴望能改进检测被分析物中碳同位素含量的方法。与此相应，也需要改进检测被分析物中其它元素的同位素含量的方法，例如迫切希望改进测量稀有而稳定的氧同位素18O的方法和/或测量18O与常见的16O之比的方法。这种需求其所以特别迫切是因为普通水分子(H2O)与18O原子基本上具有相同质量(18原子质量单位)。通常，哪怕试样中只含有微量的水，也不宜用质谱测定法来测量试样中18O与16O之比，尤其在试样中18O与16O之比很小时就更不宜用质谱测定法了，因为试样中水所引起的信号会完全掩盖掉18O的信号。由于上述原因，在化学和生物学研究中18O没有被广泛用作示踪物。对于其它元素也有类似需求。在用光谱技术即测量试样获得辐射能后作出的应答来测定试样中同位素的含量方面人们曾作过各种探索。人们早已知道，不同同位素原子的吸收能谱彼此是不同的。在利用这种差别来计量测定被分析物的同位素混合物方面也作了一些工作。如在1986年3月10日出版的“应用物理通讯(Applied Physics Letters)“48(10)期第619-621页中题为”用于同位素分析-测量一氧化碳同位素的高分辨率红外二极管激光光谱法(作者Lee)一文中所提到的，使由可调二极管激光器发出的一束光穿过一氧化碳试样照射到光电探测器上，连续调节激光波长，使每一波长与含有特定氧同位素的一氧化碳分子的基态吸收波长相对应，在每一波长上被吸收的光量及由此而检测到的光量与一氧化碳中所存在的特定的氧同位素的含量有关。但是这种系统复杂而且要求设备具有高灵敏度。由CO的不同同位素所吸收的波长彼此极其接近，波数大约都在(2119.581-2120.235)cm-1的范围。为了能在该范围内精确调节，采用了所谓的“量子阱二极管激光器(quantum well diode laser)。这类激光器必须在液氮温区下工作，而且只能发出很弱的信号，因此还需要一个庞大而复杂的由LN2冷却的光接收器。因此，这种方法也未被广泛采用。Keller等人在1979年5月出版的“Opt.Soc.Am.”69卷第5期第738-742页的题为“铀空心阴极放电中的光电谱法(OptogalvanicSpectroscopyinaUraniumHollowCathodeDischarge)一文中披露了一种光谱方法，在该方法中，金属铀在空心阴极放电管中受到溅射。因此，放电管中夹杂有被剥离的处于基态或未激发态的铀原子。使这种放电管受不同波长的激光辐照，通过监测所谓的光电效应即监测激光辐照下放电电抗的变化可以测出激光和放电之间的相互作用。将由238U原子的一种所谓“超精细”吸收波长下的光辐照所产生的光电效应与由235U原子的一种超精细吸收波长下的光辐照产生的光电效应进行比较，可测得235U/238U的同位素之比。Gagne等人在题为“Effet Optogalvanique Dans Une Decharge a Cathode CreuseMechanisme et Dosage Isotopique de l'araniun，Journal de Physique，C7 No.11，vol.44，pp.c7-355到c7-369(1983年11月)一文中也有类似研究的描述。Tong在题为“用于稳定同位素比率分析的新型激光光谱技术”的PhD论文(Iowa State University，Ames，Iowa，1984年12月，美国DOE报告IS-T-1156)中公开了对铜同位素63Cu和65Cu进行分析的其他类似的研究。在这篇论文中报道了使用光电效应测定含有铜原子的放电管中光谱吸收的超精细光谱组成部分。此方法需要一步后续解卷积步骤以得到63Cu和65Cu组分的估算值。Tong建议将此技术与铜基示踪物研究法结合起来使用，例如，用一种稳定的铜同位素作为示踪物以研究铜的代谢。该方法中还使用了铜原子基态跃迁。此参考文献还指出，象基态跃迁一样，也可以观察到原子由激发态跃迁而产生的光电效应。但该文章仅建议人们选择“适当的激发波长以使对谱线的干扰最小”。然而，这种方法在企图监测金属原子的超精细吸收时遇到了严重的障碍。由于各种同位素的超精细谱线包括密集交错的吸收波长，就需要用复杂的设备和复杂的数学解卷积技术来分开被分析物中不同同位素的吸收作用。由Aerodyne Research公司提交的、已被接受的、题目为“一种C-13同位素分析器”的申请(NSF Grant No.ISI 88-60778，Abstracts of Phase I Awards，NSF Small Business Invovation Research Program(SBIR)1989，Nation本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测定被分析物的同位素组成的方法，该被分析物包括一种含有许多同位素的同位素载体物，该方法的其特征在于通过若干步骤为上述被分析物提供条件，使该同位素载体物处于激发态，从而使处于激发态的、含有不同同位素的同位素载体物具有不同的跃迁能量；使上述被分析物经受与不同跃迁能量相应的若干波长的辐照，借此使每一波长的辐射线有选择地与含有上述同位素的不同的同位素载体物的被分析物中的被激发的同位素载体物相互作用；监测上述被分析物对所用辐照的响应，从而测定出对上述每一波长的响应的大小。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：DE默尼克，
申请(专利权)人：新泽西州州立大学拉特格斯，
类型：发明
国别省市：US[美国]