1、自然界中已知的107個化學元素有近270個穩定同位素,質量最小的是氫元素,它有氕(1H)和氘(2H即D)兩種穩定性同位素,由此組成的水1H2O和2H2O(即D2O)分別稱為氕水(輕水)和氘水(也稱重水)。天然水中氘的豐度很低,一般為150󰀂10-4atom%,低氘水(又稱貧氘水或無氘水)是指氘豐度低于天然豐度的水,是一種穩定性同位素產品。自從人類發現同位素以來,同位素的制備技術和同位素產品的應用研究不斷得到發展,同位素產品在生命科學、核科學、生物學、醫藥學、地質學、農業科學等高科技研究領域發揮重要作用。氫同位素也是如此,1931年氘被發現至今,重水的分離方法和應用范圍取得了重大

2、突破,對各國的經濟和軍事發展產生了深刻影響;而低氘水的研究則滯后于重水,是近年國外核醫學和水生理學領域的研究成果。低氘水的制備國內關于低氘水的研究報道較少,有些關于低氘水制備的專利技術,但大多缺乏實質性的研究內容。國外有不少國家涉足低氘水的研究,如匈牙利、烏克蘭、羅馬尼亞、俄羅斯、美國等國家的相關研究機構紛紛公開其研究成果:早在1992年,匈牙利Somlyai等人研制了用普通水經蒸餾制取低氘水的方法,獲得氘豐度1530󰀂10-4atom%的產品;1997年,匈牙利Somlyai等人又通過電解、蒸餾及其它方法的進一步研究,將水中的氘降低為0.1󰀂10-4atom%

3、;1995年烏克蘭Nikolaevich等公開了一種高真空汽化水的方法制取低氘、氚的應用水1998年羅馬尼亞RegiaAutonomaActivitatiNucleareSucur采用自來水或重水廠的廢水,真空蒸餾得到低氘水;俄羅斯國家科學院也做過大量的水蒸餾研究工作;美國公開了以海水為原料生產低氘水的裝置技術。縱觀國內外的研究報道,低氘水主要以水為原料,采用分離方法制備而得。低氘水的分離原理雖然簡單,但由于天然水中氘同位素豐度極少且氫同位素的分離系數小,因此分離氘是很困難的,力求尋找能耗低、投資少、經濟上適合工業規模的生產方法是研究重點。就分離方法而論,低氘水的分離方法有化學交換法、蒸餾法、

4、電解法、熱擴散法、膜擴散吸附法、離心法、激光法等方法以及上述幾種方法的組合,但作為工業化生產的方法主要推薦化學交換法和蒸餾法。1.1󰀁化學交換法化學交換法是分離氫同位素的方法之一,它根據熱力學同位素效應,利用同位素在不同化學組分間的分配不同而達到分離的目的。依據操作過程的不同,化學交換法又可分成單溫法和雙溫交換法。單溫交換法的典型過程是H2O󰀁H2交換法,雙溫交換法的典型過程是H2S󰀁H2O交換法。除H2O󰀁H2交換法外,其它化學交換法生產的低氘水不適宜用作飲用水。1.2󰀁蒸餾法蒸餾法是分離液相混合物的經典方法,是

5、利用不同組分蒸汽壓的差別來實現分離的,由于同位素分子變種的蒸汽壓相差甚小,水蒸餾分離制備低氘水的能耗較高,但是水蒸餾法操作簡單可靠,生產過程無污染,是一種較容易實現的方法。1.3󰀁電解法電解法是一種古老的分離方法,水電解時,陰極上析出氫氣,陽極上析出氧氣,由于水溶液中氘離子在陰極上電析速度比氕離子慢得多,因此在陰極上析出的氫氣中氕離子獲得富集,由此氫氣和氧氣可合成低氘水。2󰀁低氘水的應用同一元素的同位素,在物理化學和核性質上是有差異的,這種差異(稱為同位素效應)取決于同位素的相對質量變化和核殼層結構,越輕的元素由質量差異所引起的同位素效應越強,因此水中同位素氕和

6、氘含量的變化,使水的有些性質發生很大變化而改變其用途。根據氘豐度的不同,低氘水主要用于制備超純氕氣、核磁共振溶劑、防治疾病、保健飲用水及配方用水等。2.1󰀁制備超純氕氣和在核磁共振溶劑的應用氘豐度!1󰀂10-4atom%的低氘水,可制備超純氕氣應用于實驗研究。氘豐度23󰀂10-4atom%的低氘水,可用作核磁共振溶劑應用于核磁共振技術13。質子核磁共振技術是用來確定未知有機化合物結構的有效方法,已經成為分子認證主要技術之一,廣泛應用在化學研究、生化、醫藥化學、聚合物科學、石油研究、農業化學和醫學。核磁共振成像技術是核磁共振在醫學領域的應用,人體內

7、含有非常豐富的水,不同的組織水的含量也各不相同,探測水的分布信息,就能夠繪制出一幅比較完整的人體內部結構圖像,核磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內的分布,進而探測人體內部結構的技術。核磁共振技術是一種無侵襲的檢查方法,對患者沒有射線影響,診斷的依據是人體內水分子氫核發出的核磁共振信號,信號強弱不僅取決于人體所含氫核密度,而且還取決于氫核在分子結構中的位置和分子周圍的環境狀態。核磁共振成像的優點是不需要移動患者就能獲得無重疊的、不失真的、任何解剖方向的斷層圖象,打破了以往醫學影像診斷的慣例,克服了以解剖學為基礎的局限性,可以在分子結構的水平上進行診斷。它不僅能

8、描述物質的物理特性,還能觀察活體組織的生物化學和生物狀態,利用核磁共振,可以早期并全面地顯示心肌運動障礙的范圍和位置;還能明確地劃分出血栓形成的范圍及顯示人體組織中含水含脂肪的部分,還能進行早期腫瘤結構與惡性腫瘤結構區分開。低氘水就是核磁共振技術使用的溶劑之一。2.2󰀁在疾病防治和飲料用水中的應用氘豐度25135󰀂10-4atom%的低氘水,可用作疾病防治和飲料用水。在該領域,低氘水有極其廣泛的用途,歐洲、美國、日本等國的科學家都開展了相關研究。低氘水具有活化免疫細胞、改善機體基礎代謝水平、抗細胞突變和延緩衰老等功能,有益于包括人在內的各種動植物生命體的生存發展

9、和繁衍。飲用低氘水可以預防疾病、保健身體,特別是對某些癌癥等疾病的輔助治療,是近年國外核醫學領域和水生理學領域對低氘水應用研究的重大突破。經O17核磁共振分析證實,低氘水的分子團較一般的水小50%以上,這些較小的分子團在身體內部移動穿越比其他的水更迅速有效,更容易被細胞吸收,使身體更快更有效地補充水分。2.2.1󰀁應用于防治癌癥低氘水防治癌癥的方法最初是由匈牙利醫生、分子生物學家SomlyaiG研究發現的,SomlyaiG于1990年開始用低氘水對癌癥、糖尿病等疾病患者進行大量的臨床研究,揭示了低氘水抗癌效果的分子機理,發現低氘水能抑制腫瘤細胞生長,制約腫瘤細胞的分解復制,最后

10、導致腫瘤質量減少,在有些情況下甚至全部覆滅,是一種全新的原創達到阻止腫瘤細胞成長的新療法。飲用低氘水對防治癌癥以及癌癥患者的輔助治療有作用。日本等國科學家的應用研究也表明了這一點。2.2.2󰀁應用于心血管、糖尿病等疾病的輔助治療美國霍普金斯醫學院AgreP發現細胞膜上的水通道蛋白質,解開了水在生物體的吸收機理,而且進一步指出水通道蛋白的功能缺失與腎病、水腫有關。這是水生理學科領域的重大發現,從而獲得2003年諾貝爾化學獎。同時指出,只有有序、結構化小分子團水能進入細胞內參與人體物質能量、信息代謝。因此低氘水是生命的激活劑、能激活人體細胞及機能、改善新陳代謝,飲用低氘水對心腦血管

11、病、糖尿病、新陳代謝紊亂等疾病有一定的輔助治療和預防作用。2.2.3󰀁應用于保健、抗衰老羅馬尼亞科學家Haulica等人的多年研究表明:低氘水具有抗氧化能力,在低氘水環境中,人類大腦和肝臟中抗氧化酶的活性顯著提高。超氧自由基是人類衰老的總根源。這是人的細胞中線粒體上出現的怪物,它專門吃掉DNA、RNA遺傳因子或破壞細胞膜,阻礙正常細胞分裂,使人得不到新鮮細胞而衰老死亡。低氘水的分子非常活躍,會帶動生命動力元素含水離子跑到人體的一切角落,靠生命動力元素的自身變價能力,把超氧自由基的電子吸引過來,使超氧自由基變成正常的氧分子,延緩衰老。飲用低氘水能保健、抗衰老。可用低氘水制成酒精飲

12、料,如:伏特加、威士忌、白蘭地、雞尾酒、米酒、果酒以及啤酒等,區別于普通酒飲料,這種酒具有顯著降低酒精毒性的作用,減少酒精性肝病的發生。用低氘水制成非酒精飲料,如:飲用水、礦化水、磁化水、軟飲料和功能飲料等,能改善人類健康和生活質量。2.3󰀁在其它領域中的應用2.3.1󰀁在動植物生長中的應用科學家指出,鯨魚之所以長得很大,并生活在接近冰山的融冰邊緣區域,是因為寒冷極地附近水中的含氘量少,魚類和浮游生物容易繁殖;侏儒人和矮小動物主要生活在氘含量多的赤道非洲西部,而大型非洲動物象和河馬均在氘含量比正常值少的非洲東部。對于植物,用低氘水浸泡種子和澆灌,易于種子發芽和生長,提高產量和品質。2.3.2󰀁在化妝品中的應用水中同位素氘的含量顯著影響化妝品中蛋白質、碳酸化合物、脂類、核酸等物質的基本性能,使用氘含量低的水生產化妝品是優選的,低氘水是改進化妝