中国人牙齿胶原蛋白中14C浓度测定及评价
作者：刘伟琪 西泽邦秀
单位：刘伟琪(200032 上海医科大学放射医学研究所)；西泽邦秀(日本名古屋大学同位素综合中心)
关键词：牙齿；14C浓度；核试验；环境污染
中华放射医学与防护杂志000509 【摘要】 目的 测定不同年龄人牙胶原蛋白中的14C浓度，以了解几十年来世界范围内因核试验生成的14C对中国的环境污染和人体中14C浓度的影响。方法 从1920～1977年间出生的上海居民中收集到的牙齿中挑选永久第8齿48只，经去污、脱钙、提取胶原蛋白，再经高温氧化、精制、还原成石墨，用加速器质量分析计(AMS)测定δ14C，并用δ13C进行修正，求得Δ14C浓度。结果 δ14C在(-29.51±15.02)‰和(575.88±21.09)‰之间，Δ14C在(-27.01±15.32)‰和(580.34±21.52)‰之间，且随出生年份不同有显著变化，各试料的δ14C和Δ14C之差在δ14C和Δ14C的标准差的1/3以下。结论 随出生年份不同牙齿胶原蛋白中14C浓度有显著变化，1940年前出生的Δ14C值属本底水平，从1941年开始呈明显上升趋势，至1951年前后出生的达最高峰，约为580‰，以后呈缓慢减少，这与以前报道的植物、人体组织中14C浓度变化有相似倾向，与1990年报道的日本人牙齿中14C浓度变化相一致，并与世界范围内大气层中核试验次数密切相关。
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Measurement and evaluation of the 14C concentration in the collagen of the teeth among the Chinese.
LIU Weiqi
(Shanghai Medical University,Institute of Radiation Medicine,Shanghai 200032,China)
NISHIZAWA K
(Radioisotope Research,Nagoya University,Nagoya 464-8602,Japan)
【Abstract】 Objective The concentration of 14C in the collagen of the teeth among people with different ages was measured to understand concentration of 14C in the environment and human body of China influenced by 14C produced by nuclear weapon tests in the world in the past decades. Methods Forth-eight eighth permanent teeth of some Shanghai residents born from 1920 to 1977 were collected. The teeth were cleaned and decalcified for the extraction of collagen and then were oxidized by high temperature and reduced into carbide graphite. The 14C was measured using an accelerator mass spectrometer (AMS),and the concentration of 14C was obtained by correction of 13C. Results The concentration of 14C in the collagen of the teeth showed apparent variation in people born in different years:those born before 1940 around the level of background and those born from 1941 gradually increase,those born 1951 reached the peak value-580‰,those born after 1951 presented a tendency of decrease. Conclusion The results of this study indicated there is the same tendency of change in concentration of 14C in teeth and previously reported human tissue and plant. Also there is same variation in concentration of 14C in both Chinese and Japanese teeth; it also correlates with the numbers of atmospheric testing of nuclear weapons in the world.
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【Key words】 Tooth； 14C Concentration； Nuclear weapon； Environmental pollution
环境中存在的14C有天然和人工的2种，人工的主要由大气层核试验释出的中子与氮进行核反应所产生。由于1945年以来大量人工14C产生，破坏了原来环境中14C的平衡，环境中14C浓度激增，同时经生物链作用使生物和人体器官中14C浓度也显著增加；随着禁止核试验条约的签订，大气层核试验减少，14C浓度也逐年降低。本实验采用加速器质量分析计(AMS)测定不同年龄中国人牙齿胶原蛋白14C浓度，因为人牙齿到齿根完成后就不再代谢或代谢极慢，现在测定到的14C浓度能反映出该牙齿齿根完成年份牙组织14C浓度，测定不同年龄人牙齿14C浓度即可推定数十年来环境中14C浓度的状况和变化[1，2]。
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材料和方法
1.材料：从上海3家医院收集到的652只牙齿中挑选了从1920～1977年出生的永久第8齿48只作为实验样品。
2.胶原蛋白提取：用小刀、针等工具刮去附在牙齿上的脏物、血液等，把它放入小瓶加蒸馏水用超声波冼净，再用浓盐酸(12 mol/L)浸泡3 h，溶解表面污物并逐渐将盐酸稀释至3 mol/L，继续浸泡脱钙，直至完全柔软(能用小针轻易地从表面刺进去)，再用小刀将蛀蚀部分和血管等污物除去，用蒸馏水冼净，放在50℃烘箱内干燥。
3.高温氧化：将干胶原蛋白在研钵中粉碎并称取6～8 mg与线状氧化铜600 mg和少量银粉一起装入耐高温玻璃管中，经抽真空、封口后在950℃炉内加热4 h，胶原蛋白经高温氧化生成CO2气体。
4.CO2气体精制：将玻璃管内的CO2气体导入由一系列玻璃管道、阀门和真空泵组成的精制系统，经杜瓦瓶液氮、冻结戍烷冷却等步骤将CO2气体中的水分、SO2等成分分离、去除。
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5.石墨化碳：在精制后的CO2气体中导入高纯度H2，并在Fe粉催化作用下在650℃炉内放置4 h，管内CO2气体被还原成石墨化碳。
6.碳的回收率：从牙齿到胶原蛋白的提取，回收率平均为11.8%，从胶原蛋白经氧化、精制、到还原成石墨化碳，回收率平均为23.4%，从牙齿到最后碳的提取，总回收率平均为2.76%。
7.靶的制作：在净化室内将附着在铁粉上的石墨化碳同铁粉一起装入中间有锥形小孔的铝制的靶座内，用专用工具压紧，制成加速器测定用的靶，每一只样品最后制成一个靶。
8.加速器质量分析计测定：用日本名古屋大学年代测定中心的串级加速器质量分析计(AMS)进行测定，测定方法和原理如图1所示[3，4]。将制成的含碳试料的靶①，用能放出铯离子束的铯源②照射，使生成碳负离子束，并导入加速器，用电磁石③将碳离子束偏转，除去杂质。进而在充有氩气加速管内的高压电场④下二级加速，再经过电磁石组⑤，因质量数不同可将14C和12C、13C离子分离，13C离子数可通过测定其电流值来表示，14C离子数则是用重离子检测器⑥直接检测其个数。这样，就可测定试料中14C/13C的比值。
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图1 串联加速器放射性测定装置工作原理
9.14C浓度的表示和计算：14C浓度用Δ14C‰(千分率)表示，Δ14C不是绝对值，而是将标准物质(如草酸)的浓度Δ14C作为0时各种物质的相对值[1]。Δ14C如下式所示：
Δ14C=δ14C-(25+δ13C)×(1+δ14C/1000) (1)
其中
(2)
(3)
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14C是将实测的14C浓度δ14C(‰)用样品中碳的稳定同位素分离比δ13C(‰)进行修正后所求得的值，式(2)中14C/13C可从加速器质量分析计上直接测得，而式(3)中13C/12C则是用稳定同位素质量分析计(Finnigan MAT 232)进行测定。
结 果
1.如图2所示δ13C在(-14.74～-20.73)‰之间波动，无明显差异，平均值为-19.74‰。
图2 中国人牙齿胶原蛋白δ13C随年份变化
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2.δ14C在(-29.51±15.02)‰和(575.88±21.09)‰之间，Δ14C在(-27.01±15.32)‰和(580.34±21.52)‰之间，各试料的δ14C和Δ14C之差在δ14C和Δ14C的标准差的1/3以下。
3.随着出生年份不同中国人牙齿胶原蛋白中14C浓度Δ14C值变化较大，如图3所示，1940年前出生的人牙第8齿Δ14C值在(-29.51±15.02)‰和(72.58±12.89)‰之间波动，平均值为18.22‰，比作为0值的标准样品略高一些，属本底水平，从1941年开始呈明显上升趋势，至1951年前后达到最高峰为580‰左右，以后近30年里呈指数曲线缓慢下降，一直降至200‰左右，但仍比本底高得多。这与90年代初报道的日本人牙齿中14C浓度随年份变化的情况相一致。图4为日本人牙齿胶原蛋白中14C浓度与出生年份的关系[1，5]。
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图3 中国人牙齿胶原蛋白14C浓度随出生年份变化
图4 日本人牙齿胶原蛋白中14C浓度随出生年份变化
讨 论
1.齿根完成年份和14C浓度的关系：人牙齿齿根完成的年龄因不同种类的牙齿而不同，通常永久第8齿齿根完成年龄为18～25岁，平均约为21.5岁。在出生年份上加上齿根完成年龄(如第8齿为21.5)就是该样品牙齿齿根完成年份。因此，齿根完成年份和牙齿中14C浓度的关系如图5所示，1961年之前Δ14C值为本底水平，从1962年起急剧上升，到1972年前后达到峰值，以后再逐渐减少。
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图5 中国人牙齿14C浓度随齿根完成年份变化
2.上述中国人牙齿胶原蛋白中14C浓度测定结果及变化状况与以前国外报道的植物、血液、人体组织中的14C浓度随年份变化状况很相似[6]，见图6，只是植物的峰值年为1964年，人体组织的峰值年为1966～1967年，而中国人第8齿的峰值年(齿根完成年)为1972年，往后延迟了5～6年，而且它们的峰值也都很相近。
图6 欧洲树木年轮、人体组织中14C浓度随年份变化
3.图7显示的是过去每年进行核试验次数和变化情况[7]，从图7显示出大气层内进行核试验次数在1958年和1962年有2个峰值，从1964年以后开始明显减少，但其放射性对大气和环境的影响是显而易见的，而且一直延续至今。从过去历年监测到的植物、血液、人体组织中14C浓度变化和本次实验监测的不同年龄人牙齿中14C浓度变化来看，都是与大气层中核试验次数的变化密切相关的，至于它们的峰值年不同程度地往后延迟，主要是14C从环境经植物链、动物链再进入人体交换、吸收、平衡需要数年时间，而第8齿的生长到完成以及与外界的交换则需要更长的时间。
, 百拇医药
图7 核试验次数随年份变化
参考文献
1，Nishizawa K. Atmospheric nuclear weapon test history as characterized by the deposition of carbon-14 in human teeth. Health Phys,1990,59:179-182.
2，西泽邦秀.核实验によるヒト齿牙コラグン中14C浓度异常.Radioisotopes,1989,38:79.
3，坂本 浩.加速器による质量分析.化学と工业，1983，36：480-482.
4，中井信之ほか.名古屋大学加速器质量分析计14C测定とその应用.Tracer,1984,9:28-36.
5，西泽邦秀.齿が核实验を记忆している.齿界展望，1991，77：341-356.
6，Mok HYI. Dating gallstones from atmospheric radiocarbon produced by nuclear bomb explosions. New Engl J Med,1986,314:1075-1077.
(收稿日期:1999-12-10), 百拇医药
单位：刘伟琪(200032 上海医科大学放射医学研究所)；西泽邦秀(日本名古屋大学同位素综合中心)
关键词：牙齿；14C浓度；核试验；环境污染
中华放射医学与防护杂志000509 【摘要】 目的 测定不同年龄人牙胶原蛋白中的14C浓度，以了解几十年来世界范围内因核试验生成的14C对中国的环境污染和人体中14C浓度的影响。方法 从1920～1977年间出生的上海居民中收集到的牙齿中挑选永久第8齿48只，经去污、脱钙、提取胶原蛋白，再经高温氧化、精制、还原成石墨，用加速器质量分析计(AMS)测定δ14C，并用δ13C进行修正，求得Δ14C浓度。结果 δ14C在(-29.51±15.02)‰和(575.88±21.09)‰之间，Δ14C在(-27.01±15.32)‰和(580.34±21.52)‰之间，且随出生年份不同有显著变化，各试料的δ14C和Δ14C之差在δ14C和Δ14C的标准差的1/3以下。结论 随出生年份不同牙齿胶原蛋白中14C浓度有显著变化，1940年前出生的Δ14C值属本底水平，从1941年开始呈明显上升趋势，至1951年前后出生的达最高峰，约为580‰，以后呈缓慢减少，这与以前报道的植物、人体组织中14C浓度变化有相似倾向，与1990年报道的日本人牙齿中14C浓度变化相一致，并与世界范围内大气层中核试验次数密切相关。
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Measurement and evaluation of the 14C concentration in the collagen of the teeth among the Chinese.
LIU Weiqi
(Shanghai Medical University,Institute of Radiation Medicine,Shanghai 200032,China)
NISHIZAWA K
(Radioisotope Research,Nagoya University,Nagoya 464-8602,Japan)
【Abstract】 Objective The concentration of 14C in the collagen of the teeth among people with different ages was measured to understand concentration of 14C in the environment and human body of China influenced by 14C produced by nuclear weapon tests in the world in the past decades. Methods Forth-eight eighth permanent teeth of some Shanghai residents born from 1920 to 1977 were collected. The teeth were cleaned and decalcified for the extraction of collagen and then were oxidized by high temperature and reduced into carbide graphite. The 14C was measured using an accelerator mass spectrometer (AMS),and the concentration of 14C was obtained by correction of 13C. Results The concentration of 14C in the collagen of the teeth showed apparent variation in people born in different years:those born before 1940 around the level of background and those born from 1941 gradually increase,those born 1951 reached the peak value-580‰,those born after 1951 presented a tendency of decrease. Conclusion The results of this study indicated there is the same tendency of change in concentration of 14C in teeth and previously reported human tissue and plant. Also there is same variation in concentration of 14C in both Chinese and Japanese teeth; it also correlates with the numbers of atmospheric testing of nuclear weapons in the world.
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【Key words】 Tooth； 14C Concentration； Nuclear weapon； Environmental pollution
环境中存在的14C有天然和人工的2种，人工的主要由大气层核试验释出的中子与氮进行核反应所产生。由于1945年以来大量人工14C产生，破坏了原来环境中14C的平衡，环境中14C浓度激增，同时经生物链作用使生物和人体器官中14C浓度也显著增加；随着禁止核试验条约的签订，大气层核试验减少，14C浓度也逐年降低。本实验采用加速器质量分析计(AMS)测定不同年龄中国人牙齿胶原蛋白14C浓度，因为人牙齿到齿根完成后就不再代谢或代谢极慢，现在测定到的14C浓度能反映出该牙齿齿根完成年份牙组织14C浓度，测定不同年龄人牙齿14C浓度即可推定数十年来环境中14C浓度的状况和变化[1，2]。
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材料和方法
1.材料：从上海3家医院收集到的652只牙齿中挑选了从1920～1977年出生的永久第8齿48只作为实验样品。
2.胶原蛋白提取：用小刀、针等工具刮去附在牙齿上的脏物、血液等，把它放入小瓶加蒸馏水用超声波冼净，再用浓盐酸(12 mol/L)浸泡3 h，溶解表面污物并逐渐将盐酸稀释至3 mol/L，继续浸泡脱钙，直至完全柔软(能用小针轻易地从表面刺进去)，再用小刀将蛀蚀部分和血管等污物除去，用蒸馏水冼净，放在50℃烘箱内干燥。
3.高温氧化：将干胶原蛋白在研钵中粉碎并称取6～8 mg与线状氧化铜600 mg和少量银粉一起装入耐高温玻璃管中，经抽真空、封口后在950℃炉内加热4 h，胶原蛋白经高温氧化生成CO2气体。
4.CO2气体精制：将玻璃管内的CO2气体导入由一系列玻璃管道、阀门和真空泵组成的精制系统，经杜瓦瓶液氮、冻结戍烷冷却等步骤将CO2气体中的水分、SO2等成分分离、去除。
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5.石墨化碳：在精制后的CO2气体中导入高纯度H2，并在Fe粉催化作用下在650℃炉内放置4 h，管内CO2气体被还原成石墨化碳。
6.碳的回收率：从牙齿到胶原蛋白的提取，回收率平均为11.8%，从胶原蛋白经氧化、精制、到还原成石墨化碳，回收率平均为23.4%，从牙齿到最后碳的提取，总回收率平均为2.76%。
7.靶的制作：在净化室内将附着在铁粉上的石墨化碳同铁粉一起装入中间有锥形小孔的铝制的靶座内，用专用工具压紧，制成加速器测定用的靶，每一只样品最后制成一个靶。
8.加速器质量分析计测定：用日本名古屋大学年代测定中心的串级加速器质量分析计(AMS)进行测定，测定方法和原理如图1所示[3，4]。将制成的含碳试料的靶①，用能放出铯离子束的铯源②照射，使生成碳负离子束，并导入加速器，用电磁石③将碳离子束偏转，除去杂质。进而在充有氩气加速管内的高压电场④下二级加速，再经过电磁石组⑤，因质量数不同可将14C和12C、13C离子分离，13C离子数可通过测定其电流值来表示，14C离子数则是用重离子检测器⑥直接检测其个数。这样，就可测定试料中14C/13C的比值。
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图1 串联加速器放射性测定装置工作原理
9.14C浓度的表示和计算：14C浓度用Δ14C‰(千分率)表示，Δ14C不是绝对值，而是将标准物质(如草酸)的浓度Δ14C作为0时各种物质的相对值[1]。Δ14C如下式所示：
Δ14C=δ14C-(25+δ13C)×(1+δ14C/1000) (1)
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14C是将实测的14C浓度δ14C(‰)用样品中碳的稳定同位素分离比δ13C(‰)进行修正后所求得的值，式(2)中14C/13C可从加速器质量分析计上直接测得，而式(3)中13C/12C则是用稳定同位素质量分析计(Finnigan MAT 232)进行测定。
结 果
1.如图2所示δ13C在(-14.74～-20.73)‰之间波动，无明显差异，平均值为-19.74‰。
图2 中国人牙齿胶原蛋白δ13C随年份变化
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2.δ14C在(-29.51±15.02)‰和(575.88±21.09)‰之间，Δ14C在(-27.01±15.32)‰和(580.34±21.52)‰之间，各试料的δ14C和Δ14C之差在δ14C和Δ14C的标准差的1/3以下。
3.随着出生年份不同中国人牙齿胶原蛋白中14C浓度Δ14C值变化较大，如图3所示，1940年前出生的人牙第8齿Δ14C值在(-29.51±15.02)‰和(72.58±12.89)‰之间波动，平均值为18.22‰，比作为0值的标准样品略高一些，属本底水平，从1941年开始呈明显上升趋势，至1951年前后达到最高峰为580‰左右，以后近30年里呈指数曲线缓慢下降，一直降至200‰左右，但仍比本底高得多。这与90年代初报道的日本人牙齿中14C浓度随年份变化的情况相一致。图4为日本人牙齿胶原蛋白中14C浓度与出生年份的关系[1，5]。
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图3 中国人牙齿胶原蛋白14C浓度随出生年份变化
图4 日本人牙齿胶原蛋白中14C浓度随出生年份变化
讨 论
1.齿根完成年份和14C浓度的关系：人牙齿齿根完成的年龄因不同种类的牙齿而不同，通常永久第8齿齿根完成年龄为18～25岁，平均约为21.5岁。在出生年份上加上齿根完成年龄(如第8齿为21.5)就是该样品牙齿齿根完成年份。因此，齿根完成年份和牙齿中14C浓度的关系如图5所示，1961年之前Δ14C值为本底水平，从1962年起急剧上升，到1972年前后达到峰值，以后再逐渐减少。
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图5 中国人牙齿14C浓度随齿根完成年份变化
2.上述中国人牙齿胶原蛋白中14C浓度测定结果及变化状况与以前国外报道的植物、血液、人体组织中的14C浓度随年份变化状况很相似[6]，见图6，只是植物的峰值年为1964年，人体组织的峰值年为1966～1967年，而中国人第8齿的峰值年(齿根完成年)为1972年，往后延迟了5～6年，而且它们的峰值也都很相近。
图6 欧洲树木年轮、人体组织中14C浓度随年份变化
3.图7显示的是过去每年进行核试验次数和变化情况[7]，从图7显示出大气层内进行核试验次数在1958年和1962年有2个峰值，从1964年以后开始明显减少，但其放射性对大气和环境的影响是显而易见的，而且一直延续至今。从过去历年监测到的植物、血液、人体组织中14C浓度变化和本次实验监测的不同年龄人牙齿中14C浓度变化来看，都是与大气层中核试验次数的变化密切相关的，至于它们的峰值年不同程度地往后延迟，主要是14C从环境经植物链、动物链再进入人体交换、吸收、平衡需要数年时间，而第8齿的生长到完成以及与外界的交换则需要更长的时间。
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图7 核试验次数随年份变化
参考文献
1，Nishizawa K. Atmospheric nuclear weapon test history as characterized by the deposition of carbon-14 in human teeth. Health Phys,1990,59:179-182.
2，西泽邦秀.核实验によるヒト齿牙コラグン中14C浓度异常.Radioisotopes,1989,38:79.
3，坂本 浩.加速器による质量分析.化学と工业，1983，36：480-482.
4，中井信之ほか.名古屋大学加速器质量分析计14C测定とその应用.Tracer,1984,9:28-36.
5，西泽邦秀.齿が核实验を记忆している.齿界展望，1991，77：341-356.
6，Mok HYI. Dating gallstones from atmospheric radiocarbon produced by nuclear bomb explosions. New Engl J Med,1986,314:1075-1077.
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