同位素气体

同位素气体是由¹³C、D、¹⁵N、¹⁸O等标记的单一气体或混合气体。稳定性同位素气体不具有放射性，无论在分离、标记化合物合成以及应用中均无特殊防护要求，操作简便、使用安全、无毒性，可直接用于动物及人体的营养学、临床医学研究以及医疗诊断等诸多领域。

一、常见同位素气体种类：

碳13标记气体：¹³CO₂，¹³CO，¹³CH₄，适用于碳循环及有机反应机制研究；

氧18标记气体：¹⁸O₂，C¹⁸O₂，常用于光合作用及大气化学过程示踪；

氘标记气体：D₂，CD₄，ND₃，广泛应用于氢同位素效应及代谢动力学研究；

氮15标记气体：¹⁵N₂，¹⁵NH₃，¹⁵NO₂，¹⁵N₂O, 用于土壤氮循环及微生物代谢分析；

稀有气体同位素：³He，³⁶Ar，²²Ne，¹²⁹Xe，在核磁共振成像及地质年代学中具有独特优势。

二、同位素气体应用领域

同位素气体在多个领域都有广泛的应用，包括工业、医学、环境科学和地球化学等。以下是对这些应用领域的详细总结：

1）同位素示踪技术

同位素示踪技术利用特定元素的同位素作为“示踪剂”，追踪物质的来源、迁移、转化和归宿^[1]。

油气地球化学：通过分析天然气中甲烷（CH₄）和乙烷（C₂H₆）等组分的碳同位素组成区分成因（微生物因、热成因还是混合成因）

环境科学：¹⁵NO₂同位素指纹可追踪大气污染物来源，评估区域污染贡献

生态学：18O标记的CO₂用于量化植物光合与呼吸作用的动态平衡

2）核医学与临床诊断

短寿命放射性同位素气体可用于肺部通气功能成像，辅助诊断慢性阻塞性肺病（COPD）；15O标记的H₂O则用于正电子发射断层扫描（PET），评估心肌血流灌注状态。

3）环境监测与公共健康

氡气监测：利用固态核径迹探测器（SSNTD）定量室内氡气（222Rn）浓度，降低肺癌风险；

碳源解析：大气CO₂的13C值可区分化石燃料燃烧与生物源排放，助力碳中和政策评估；

新型材料：金属有机框架（MOFs）^[2]与MXene ^[3]纳米材料凭借高比表面积与选择性吸附特性，在氢同位素分离及痕量气体传感领域展现潜力。

三、同位素气体分析方法

1）气体同位素比质谱（IRMS）

作为高精度检测金标准，IRMS可测定气体同位素比值（如13C、15N、18O），分辨率达0.01‰，适用于地质样本与气候研究。 

2）激光吸收光谱（LAS）

LAS是一种非破坏性的分析方法，可以实时监测气体的浓度和同位素组成，适用于大气环境监测和工业过程控制等领域。

3）新兴技术

腔衰荡光谱（CRDS）：利用光学腔增强吸收路径，提升检测灵敏度至ppb级；

多通道同位素比质谱（MC-ICP-MS）：结合同位素稀释法，可同步分析多种同位素，适用于复杂基质样本。

四、参考文献

1.Bouchard D, Hunkeler D, Marchesi M, et al. Field demonstration for the Solvent-based sampling method to perform compound-specific isotope analysis on gas-phase VOC [J]. Journal of Contaminant Hydrology, 2024, 262: 104310

2.Kim J Y, Oh H, Moon H R. Hydrogen Isotope Separation in Confined Nanospaces: Carbons, Zeolites, Metal–Organic Frameworks, and Covalent Organic Frameworks [J]. Advanced Materials, 2018, 31(20).

3.Qian L, Rahmati F, Li F, et al. Recent advances in 2D MXene-based heterostructures for gas sensing: Mechanisms and applications in environmental and biomedical Fields [J]. Nanoscale, 2025, 17(15): 8975–8998.

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