碳-14，身為碳元素的同位素，卻與兢兢業業“工作”的兄弟姐妹們不同——它是一種很“好動”的元素，可能這會兒它還巧用火眼金睛忙碌工作，下一秒就以另一種形態去“游山玩水”了。

在現實生活中，它的這種“頑皮”勁兒讓科學家們“大開腦洞”，被廣泛運用于農業、化學、醫學等領域，是幽門螺旋桿菌檢測、藥代動力學研究、β射線環境監測等方面的首選示蹤劑。

近日，全球首批商用堆碳-14輻照生產靶件，在中核集團秦山核電三廠2號重水堆機組入堆，開始大規模生產碳-14同位素。

碳-14究竟是如何來的?我們又是如何將其靈活運用于各領域?我們與秦山核電站專項工程處重水堆研發科教授級高級工程師樊申面對面聊了聊，帶大家一窺碳-14 的前世今生。

“活潑好動”的同位素

“宇宙中存在生命，只是因為碳原子具有某些特殊的性質。”英國科學家詹姆斯·金斯曾說過這樣一句話。

地球上每一個生命體都是基于四種元素構建的，其中包括氫、氧、氮以及更為重要的碳。所以，想要了解碳-14，首先要知道它和碳元素的“親緣關系”。

樊申介紹，碳元素有多種同位素。在地球上，有99%以碳-12的形式存在，常見的如石墨、鉆石等，有大約1%為碳-13，至于碳-14就更少了，只有約百萬分之一的比例。然而，數量如此之少的同位素，卻廣泛存在于有機生命體中——包括我們自己的身體，都居住著少量的碳-14。

碳元素的原子核里都有6個質子，想要識別同胞的兄弟姐妹，還得數一數它們的中子數。例如碳-12有6個中子，碳-13則有7個中子，碳-14有8個中子。正因為這種質子數相同、中子數不同的特性，使得它們的化學性質相同，但原子核特性不同。

碳-14到底是如何發現的呢?樊申說，這要從美國科學家馬丁·卡門的非凡故事講起。1940年2月27日清晨，美國化學家馬丁·卡門坐在寒冷黑暗的警察局里。警方在加州大學伯克利分校的實驗室外逮捕了這位衣冠不整的科學家，他們指控他涉嫌參與前一天晚上發生的一系列謀殺案。

但警方無法確定卡門犯了什么罪，因為這位科學家過去3天一直被關在實驗室里，和他的同事——美國化學家塞繆爾·魯本一起，做一個把氘粒子投射到一小塊石墨樣品上的實驗。被釋放后，卡門回家小睡了一會兒，然后回到實驗室，做出了20世紀最重要的發現之一：碳-14同位素。

樊申告訴記者，自然界中的碳-14其實是宇宙射線中的中子撞擊空氣中的氮-14原子，導致氮-14吸收一個中子、放出一個質子后產生。這也使得它與其他同位素不同，攜帶了非常微弱的放射性。在卡門和魯本之后，科學家們進一步確定它的半衰期是5730年，這意味著幾乎每6000年，一個有機材料樣本(比如骨頭或木頭)中碳-14原子的數量就會減少一半。因此科學家能夠通過這一原理，采集材料樣本，分析穩定的碳-12與衰變的碳-14在樣本中的比例，得出一些與樣本時間有關的結論。

衰變后，碳-14會重新變回氮-14。它們之間可以在漫長的時間里來回轉換，所以碳-14也被人們戲稱為“好動”的同位素。

工作人員在一線查看設備運行情況。(秦山核電供圖)

事關多門學科的鑰匙

過去，考古學家和人類學家依靠一種叫作相對年代測定法的方法來解釋標本的年齡。他們測定地質年代的依據是：埋得深的物體可能比埋得淺的物體更古老。

如今，利用碳-14這種珍貴的同位素，科學家更容易揭開人類學、考古學和古生物學等眾多領域的神秘面紗。

“我們常說的‘碳-14年代測定法’就是很好的例子。”樊申說，當植物、動物死亡后，不會再和環境中的碳進行交換，因此它們本身的碳-14便會不斷衰變，只要通過其半衰期就能推算該生物經過了多長時間的衰變，進而知道其被埋藏的時代。

在氣候科學中，科學家可以通過研究一個特定的巖石樣本中的碳-14數量，從而了解更長時間尺度下，地球上冰川消退的速度。他們還能利用碳-14，跟蹤碳循環的軌跡，幫助更好地了解植物如何從大氣中吸收碳——這也是一個關鍵的測量方法，用來模擬氣候變化在未來幾年的發展情況。

在日常體檢中，大家可能會發現一項“碳-14呼氣試驗” ，這正是它被拓展到醫學、環保、新藥開發、化學反應機理研究等新領域的表現。

樊申介紹，所謂“碳-14呼氣試驗”，就是在服用一粒小小的膠囊后，從呼出的氣體中檢測出胃里是否存在幽門螺旋桿菌感染。

這一切，都歸功于膠囊中含有碳-14的特殊尿素。胃中的幽門螺旋桿菌會產出高活性的尿素酶，因此尿素會分解成氨和二氧化碳，而含有碳-14的尿素所釋放的二氧化碳，也含有碳-14，胃中這些被它標記的二氧化碳會隨著血液運輸到肺部，這時對呼出的氣體進行碳-14收集和檢測，就能判斷出幽門螺旋桿菌菌落感染情況。

大家可能會擔心，碳-14對人體會有損害嗎?答案是否定的。在樊申看來，“碳-14呼氣試驗”的膠囊中，碳-14含量極低。他說：“打個比方，一年中攝入的食物中含有的放射量約為這粒膠囊的182倍。并且含碳14的尿素在人體內停留時間很短，在48小時內基本會被人體排出體外。”

值得一提的是，碳-14還能讓我們安心“吃飯”。在種植農作物時，為了防治病蟲害需要適量噴灑農藥，但農藥一定程度上會被土壤和作物吸收，那么如何去檢測農藥殘留呢?也可以用碳-14來追蹤。

原來，在噴灑前的農藥中加入碳-14，農藥能發出“光亮”。通過特定的儀器設備就能檢測農作物上碳-14的含量，從而判斷農藥的殘留量。追著“光亮”，科學家也能觀測到農藥在作物、環境及人體中的遷移、變化，研究其反應原理、過程，以及對人畜、環境的影響。

秦山核電站。視覺中國

開啟自主化批量生產

隨著碳-14的深入應用，它的需求量也越來越大。一直以來，輻照生產醫用放射性同位素一直是研究堆的“專利”。但是，因為各種原因，雖然國內開展過醫用放射性同位素生產相關科研工作，但一直沒能真正形成生產力。

此前，秦山核電已成功研發并生成了工業鈷源、醫用鈷源，主動承擔起了利用現有的反應堆資源幫助國家解決同位素供應問題的責任。近年來，經過分析論證，秦山核電決定將輻照生產碳-14作為同位素基地建設的第一個項目，立下了2022年首批靶件入堆、2024年首批產品供應市場的攀登目標。

“當時利用商用堆輻照生產同位素，無技術積累、無經驗可循。” 樊申說，靶材的選擇就是一個很大的難題，團隊既希望入堆的靶材純度高以保證最終產品質量，又需要考慮國內加工制造能力，確保能夠采購到。

為了在兩者之間取得最佳平衡，他與同事們一起，與設計方、制造方召開了無數次電話會議，各方經常因為雜質限值能否調整1個ppm(百萬分之一)而頻頻爭論，直到找到一個最恰當的值。同時，團隊積極調研國內靶材提供方，與每一個潛在供貨方都做過交流。經過不懈努力，最終順利找到一種符合條件的含氮元素的靶件材料。

“碳-14同位素在秦山核電開始大規模生產，標志著我國碳-14的生產正式開啟了自主化道路。” 樊申激動地說，未來其產量可以基本滿足國內需求，解決了國內碳-14同位素供給問題，也探索出了一條利用商用反應堆來進行醫用同位素生產的新途徑。

“碳-14國產化以后，其價格會大幅降低，還將有助于帶動同位素應用產業鏈發展。”他說，預計國產碳-14將于2024年開始向市場供貨，助推科研領域的持續發展。

眼下，秦山核電正與嘉興海鹽聚力打造核技術應用(同位素)產業基地，該基地首期規劃面積1500畝，重點引進培育一批同位素制造、核藥研發產業，如今已有多家核技術應用企業與海鹽開展投資洽談。

與此同時，由浙江智丹科技有限公司投資3.5億元的項目落戶秦山街道，年產2800居里癌癥診斷與治療的同位素藥物項目用地現場，項目方正有序施工。建成后將滿足長三角地區對癌癥診斷與治療的同位素藥物的迫切需求。