同位素技术的今天和明天——从IAEA年度NTR报告看同位素技术的发展

张华明，张建栋，罗顺忠，魏洪源

（1.中国工程物理研究院 核 物理与化学研究所，四川 绵 阳 621999，2.四川理工学院 化 学与制药学院，四川 自 贡 643000）

国际原子能机构（IAEA）每年组织全球专家对核科学技术领域的进展进行综述，形成核技术评论（nuclear technology review，NTR）报告，从中可看出全球核技术发展的趋势。其中，核能是每年《核技术评论》评述的重点，每年均用较大篇幅来介绍和评论核能的发展和技术进步。2011年3月11日发生福岛核事故后，核能的安全以及核事故现场大量和多种类放射性样品的实时检测、定位与处理也成为关注的焦点。而有关同位素技术的进展则一般涵盖在加速器与研究堆以及环境、农业、医学健康等内容中。本文通过对近五年（2010—2014年）［1－5］的 NTR 报告有关 同位素 技术的内容进行梳理，试图总结出全球同位素技术及其应用的发展趋势。

1 同位素制备技术

1.1 研究堆生产放射性同位素

全球有249座研究堆正在运行，到2020年，有100～150座研究堆将退役，表1为全球主要研究堆的用途。其中有超过100座研究堆的燃料正由高浓铀（HEU）转换为低浓铀（LEU）；生产医学用99Mo的靶也逐渐从高浓铀转换为低浓铀，如澳大利亚用LEU靶生产的99Mo可满足全球需求的25%；南非正在持续进行转换工作；比利时和荷兰（这两个国家是全球医用99Mo的主要生产者和供应者）正在启动将生产99Mo的HEU靶转换为LEU靶的工作。到2014年7月，全球有92座研究堆可进行放射性同位素制备技术研究和生产，但仅有大约6座研究堆用于医用放射性同位素的商业化供应。

表1 全球研究堆的应用［4］Table 1 Applications of research reactors around the world

全球有163座低能静电加速器分布在50多个国家，5个国家有9座散裂中子源，超过20个国家有50座同步辐射光源［1］，主要进行物理学、材料学等研究以及教育培训，不进行放射性同位素的制备技术研究和生产。回旋加速器生产的正电子核素如11C、64Cu和18F等以及其他核素用于肿瘤诊断和治疗，是目前研究的热点［4－5］。

关键医用同位素99Mo一般由反应堆生产。但加拿大TRIUMF用富集的100Mo在回旋加速器产生的X射线照射下嬗变，已成功获得99Mo，生产效率超过90%，其99Mo生产能力可满足10～20个医院核医学科的医学检查需要［5］；利用回旋加速器产生的光子与富集100Mo或238U靶发生核反应生成99Mo的物理机制示意图示于图1。此技术不需要研究堆，产生的放射性废物较少，且靶可重复使用，是一项革命性的进步，但进入实际医学应用还需各国药品监管部门的核准，并受到成本、生产量的制约。

加速器制备放射性同位素技术越来越得到重视，尤其是生产用于医学诊断的正电子核素如64Cu、68Ge／68Ga，包括常规同位素如99Mo。因此，借助于富集的稳定同位素靶、紧凑型加速器或高能加速器、薄靶和先进的束下靶冷却与辐照装置，加速器生产高品质、无载体和重大科学与应用价值的放射性同位素成为未来研究热点。

图1 100 Mo和238 U靶加速器生产99 Mo的物理机理［6］Fig.1 Selected physics mechanisms for producing 99 Mo by photo-neutron process on 100 Mo and photo-fission of 238 U

2 同位素应用技术

同位素应用技术有许多新的进展。如在农业领域，利用稳定同位素15N稀释技术研究含氮肥料和35P标记物示踪技术研究含磷肥料的利用效率［5］；在营养学领域，大量研究表明，肥胖会带来一系列疾病，从0～5岁的体质决定一生的健康水平，目前，婴儿喂养从重视身高体重等粗放指标走向控制脂肪／肌肉比的精细化喂养，利用D、13N等稳定同位素示踪技术（用质谱技术和双能X－射线吸收剂量法测量同位素比值，isotope ratio mass spectro meter and dual energy X ray absorptiometry）评价营养干预的效果，控制营养物质的摄入，实现婴儿合理的脂肪／肌肉比，可保证未来一生具有良好的健康基础。同位素技术在医学领域一直是应用的重点，但在环境、气候变化等领域也不断有新的研究成果。

2.1 同位素技术在环境、气候等领域的应用

同位素技术在环境和气候等领域的应用成为研究热点，以稳定和放射性核素为工具，如利用天然和人工长寿命放射性核素作为环境的放射性计时钟，能够获得重大环境活动的年代，获得极端气候发生的时间，对研究气候变化具有极其重要的意义。

海底地下水（sub marine gr ound water discharge，SDG）与海水交换，对海岸生态环境影响较大，通过测量223Ra、224Ra、226Ra、228Ra核素的含量［1］，可获得海底地下水流出量及分布以及时间，促进海洋环境的治理。大气颗粒物落入海水中，由海水表面沉入海底，这些颗粒物中含大量有机碳，重新矿化后极易溶于海水，且空气中的CO2也在缓慢地溶于海水，近年来，随海水中碳的增加，在海岸和近海的天然放射性核素238U的衰变子体234Th活度显著增加，因此，测量234Th的活度，可了解海水的酸化。

测量海水、湖水、江水或地质储水等的16O／18O比则可研究古气候，因为古气候极端冷时，水中的16O／18O同位素丰度比接近正常值；当气候炎热时，水中的16O含量较低，而18O含量就高一些［1］。而3H（3He）、14C是研究地下水储量、流向、污染物来源、污染程度以及新水补充状况等的主要工具［3］。用85Kr作为示踪物可获得100年内的地下水的情况，而39Ar则可获得2000年内地下水的关键信息［3］，借助互联网和GPS定位技术，可准确把握目标区域的水资源的历史演变过程和储量流向等信息，为制定区域经济发展计划提供科学依据。

此外，鉴于早期的核试验为大气空爆方式，放射性物质随大气飘落地表，试验时间、地点和季节已确定，可通过先进的质谱技术测量与爆炸点一定距离地点的长寿命放射性同位素如137Cs、242Pu等研究气候变化，为大气科学研究提供优越的示踪物。

2.2 同位素技术在医学领域的应用

放射性同位素在医学领域的应用最为活跃，正电子放射性药物研发和临床应用是核医学研究的重点。18F-FDG是目前临床应用最多的PET显像药物，结合模块化、基于微流体的自动合成系统［2］，实现点击化学合成，可提供高比活度的18F-FDG药物，18F-FDG显像结果并结合CT等其他医学检查技术，可准确诊断肿瘤。18F标记的免疫PET示踪剂，如借助数字化技术，进行18F标记特异性的工程抗体片段（cancer-specific engineered antibody fragments），对肿瘤的诊断更准确［3］。

68Ga标记的放射性药物成为目前正电子药物研发的另一个重点，每隔两年国际上就召开68Ge-68Ga发生器制备、68Ga制备、药物化学、药理、预临床和显像等技术进展的国际交流会。尤其是68Ga可由68Ge-68Ga发生器提供，一个发生器可使用约2 a，对无回旋加速器的使用者而言，可方便快捷地获得正电子核素，进行科研和临床诊断工作。Ga与Fe具有相似的化学性质，与血红蛋白等亲和力强，其药物更能突破体内壁垒进入目标组织，实现靶组织良好的显像。利用双功能团耦合剂DOTA等，68Ga极易与多肽或基因片段形成功能显像剂如68Ga-DOATATOC、68Ga-DOTA-TAE，是目前理想的肿瘤诊断药物，即将应用于临床诊断［3］。但68Ga发射的射线能量较18F高，导致显像质量较18F差，因此，需要进一步进行68Ga正电子显像技术的研发，解决显像差的问题，才能推动68Ga药物的临床应用［1］。此外，64Cu、124I可用一般的医用回旋加速器生产，将推动这两个正电子核素的放射性药物研发和临床应用的蓬勃发展。

医用核素发生器除占据核医学主导地位的99Mo-99Tcm发生器以及即将进入医学应用的68Ge-68Ga发生器外，其他放射性核素发生器也在进行研究，如44Ti-44Sc发生器、72Se-72As发生器、140Nd－140Pr发生器［3］，这将进一步推动相关放射性药物的研发和临床应用。

目前放射性治疗药物研究的重点核素是177Lu、90Y，均为β粒子发射体，与多肽标记制备的药物有177Lu-DOATATOC、177Lu-DOTATAE、90YDOATATOC、90Y-DOTATAE用于肿瘤治疗；研究较多的有213Bi、211A等α发射体，以及67Cu、64Cu、188Re、86Y、55Co、76Br、89Zr、82Rbm、94Tcm、120I、52Fe、73Se、83Sr等，其中的一些核素标记药物具有良好的靶组织选择性，针对特定的肿瘤具有很好的疗效［2］；而另一些核素是潜在的优质医学显像示踪剂。

纳米材料具有新颖的物理、化学、生物学性质，对肿瘤的早期检测和预防具有重要意义。放射性同位素借助于纳米技术，将开创纳米医学（Nanotechnology and Nano medicine）［4］的新天地。相对于正常组织，肿瘤组织细胞具有更快的生长速度，导致伴随肿瘤组织生长的毛细血管不规则，毛细血管壁出现巨大的孔洞。如正常组织的毛细血管壁有直径2～6 n m的孔，便于营养物质和氧气与组织细胞的交换，而肿瘤组织内毛细血管的孔直径为10～300 n m，远大于正常组织中毛细血管壁的孔径。由此，可研发直径大于10 n m、可载带放射性诊断或治疗核素的纳米微粒，纳米放射性药物进行肿瘤靶向治疗的示意图示于图2，目前预临床中较为理想的纳米放射性药物列于表2，采用脂质体（liposo mes）材料作为包裹纳米放射性粒子的外层材料。由于这些微粒粒径大于6 n m，不能进入正常组织，只能进入肿瘤组织，从而实现对肿瘤组织的准确诊断或有效治疗，是纳米核医学发展的重要方向。

2.3 同位素在其他领域的应用

人口增长和经济发展带来环境污染、食品安全和水资源短缺等问题，预计到2050年，全球人口由目前的70亿增加到90亿，对清洁的饮用水、安全的食品需求巨大，同位素技术将发挥越来越重要的作用。在提高食物产量和质量工程中，14N、32P、33P、35S等核素可用于研究反刍动物胃瘤菌微生物的作用机理，用于制定科学的饲养计划，生产高品质的肉类［5］，同时，降低动物饲养过程中甲烷等温室气体的排放；76As、45Ca、67Cu、32P、75Se等标记物可用于农场饲养动物体内的矿物质非平衡研究，促进动物的快速生长。稳定同位素技术可用于研究农作物维生素的生成量，如13N／15N，利用15N稀释技术，制备15N标记的磷酸铵和尿素，可精确测量氮的转化效率，以及对土豆维生素生成量的影响，从而通过肥料的有效使用，生产出高维生素含量的土豆等作物。

图2 纳米医学治疗示意图co mposed of a double layered shell of lipids molecules，floating in t he extracellular fl uids and attacking cancerous cells to deliver their therapeutic payload［4］Fig.2 Pictorial representation of nano-sized globular particles（green）

表2 精选的纳米靶向肿瘤放射性药物［4］Table 2 Selected nanotargeted cancer radiophar maceuticals

同位素技术在污染来源调查、地表分布等研究领域也将扮演更重要的角色，利用宇宙射线中子活化调查地表水的分布，可以获得清晰的水资源分布和储量，合理开展农业生产和人口荷载；测量海洋中长寿命的127I／129I等，研究海洋环境、海水流向、海水温度与海水中有关物质含量的关系等，有利于把握相关海域的环境参数，为高效利用海洋提供科学依据。

3 小结

从2010年至2014年IAEA发布的《核技术评论》可看出，同位素技术在科学研究、医学、农业、环境等领域的应用越来越多。在计算机与信息技术发展成果的支持下，研发结构更紧凑、束流更高的回旋加速器，同时放射性同位素生产靶的技术取得进展，从而推动具有医学和科学重要用途的同位素制备技术的不断发展。医用同位素及放射性药物研发更注重特异性和诊断的准确性，纳米放射性药物为肿瘤诊断，尤其是治疗提供了更先进的手段。污染物治理、食品安全、气候变化和清洁饮用水等研究，是未来同位素技术研究和发展的重点关注领域，也是未来发展的趋势。

［1］ IAEA.Nuclear Technology Review 2010［R／OL］.Vienna：IAEA，2010.http：∥www-pub.iaea.org／books／IAEABooks／8584／Nuclear-Technology-Review-2010.

［2］ IAEA.Nuclear Technology Review 2011［R／OL］.Vienna：IAEA，2011.http：∥www.iaea.org／About／Policy／GC／GC55／GC55Inf Documents／English／gc55inf-5＿en.pdf.

［3］ IAEA.Nuclear Technology Review 2012［R／OL］.Vienna：IAEA，2012.http：∥www.iaea.or g／Our Work／ST／NE／Pess／assets／ntr2012＿web.pdf.

［4］ IAEA.Nuclear Technology Review 2013［R／OL］.Vienna：IAEA，2013.http：∥www.iaea.org／Our Wor k／ST／NE／Pess／assets／13-25751＿rep＿ntr＿2013＿web.pdf.

［5］ IAEA.Nuclear Technology Review 2014［R／OL］.Vienna：IAEA，2014.http：∥www.iaea.org／sites／default／files／ntr2014.pdf.

［6］ Triu mf.Securing a Supply of Critical Medical Isotopes for Canada Using ZEUM Technology（An Expression of Interest Sub mitted to the Expert Review Panel on Medical-Isotope Production）［R／OL］.Vancouver：Triu mf，2009：11.http：∥www.triu mf.ca／sites／default／files／Parl-SCNR-Briefing-Note-V2-EN.pdf.