在元素周期表的一隅，有一個(ge) 我們(men) 熟悉又陌生的元素，這個(ge) 隱藏在元素周期表中的神秘氣體(ti) ，常常被強行碰瓷。不信？大家打開百度搜索“氙（xian）氣”，一定會(hui) 看的暈頭轉向。

（圖片來源：百度搜索）

氙(xian)氣和疝(shan)氣有什麽(me) 區別？

其實，氙氣和疝氣隻是看起來相似。天生帶著病字頭的疝氣是一種疾病，而且它並不是我們(men) 要關(guan) 注的對象。這次的主角是氙氣，作為(wei) 稀有氣體(ti) 大家族的一員，似乎，它距離我們(men) 很遠，就像它的名字一樣：“Xenon” （希臘語中的陌生人）。

（圖片來源：元素周期表）

氙氣：“CT屆的畫骨神器”

在此次疫情中，X射線CT檢測大顯身手。CT(Computed Tomography)，即電子計算機斷層掃描，是利用X射線、γ射線、超聲波等，與(yu) 靈敏度極高的探測器一同圍繞某一部位作斷麵掃描，可用於(yu) 多種疾病的檢查，可分為(wei) ：X射線CT（X-CT）以及γ射線CT（γ-CT)等。CT檢測隻需要幾分鍾，就可以判斷病人肺部是否產(chan) 生了病變，給予醫生極大的幫助。

CT圖像是利用不同灰度來反映器官和組織對射線的吸收程度。因此，CT呈現出的黑白影像，黑影表示低吸收區，即低密度區；白影表示高吸收區，即高密度區。在CT檢查中，可以輕易地看見骨骼等細密的物質，但是軟組織卻顯示不清，讓照片“變糊”。在X射線的照射下，氙氣的顯影效果驚人，因此科學家們(men) 利用氙氣強吸收性的特點將其用作顯影劑。

CT影像結果被納入新冠臨(lin) 床診斷標準

（圖片來源：澎湃新聞/經濟日報）

CT掃描就像是醫生手中的筆，可以將病人肺部的圖像畫出。而氙氣更像是醫生手中的水彩筆。因為(wei) 氙氣有極強的射線吸收能力，人吸入體(ti) 內(nei) 再去做CT掃描時，就相當於(yu) 點亮了我們(men) 的各個(ge) 器官，幫助醫生更好的判斷器官的病變情況。而且，氙氣無毒無害，人體(ti) 吸入後不會(hui) 被人體(ti) 的血液所吸收，因此可為(wei) 老人，孩童，孕婦使用。

氙氣——醫學影像中的水彩筆

既然氙氣作顯影劑效果甚好，那為(wei) 什麽(me) 我們(men) 去醫院做CT時，沒有先讓我們(men) 吸一口氙氣呢？這鍋醫生可不背。其實這是因為(wei) 氙氣目前麵臨(lin) 提純難的問題，所以價(jia) 格昂貴。毫不誇張地說，小小一瓶氙氣就足夠給各位點“在看”的朋友們(men) 一人送一枚鑽戒了！

水合物沉積物“現形”

2020年3月，中國南海神狐海域海上平台，那熊熊火焰又一次吸引了全球的目光。那團火焰標誌著我國南海可燃冰完成二次試采工作。

可燃冰，學名為(wei) 天然氣水合物，廣泛分布於(yu) 陸域永久凍土帶和深海淺覆蓋層的鬆散沉積物中，是甲烷等烴類氣體(ti) 和水在高壓低溫條件下形成的具有籠狀結構的類冰狀結晶物質。天然氣水合物資源密度高，全球分布廣泛，具有極高的資源價(jia) 值，是油氣工業(ye) 界長期研究的熱點。

然而，天然氣水合物的開采會(hui) 改變天然氣水合物相平衡條件，引起水合物的分解，導致地質結構發生變化，可能引發一係列地質和生態問題。到目前為(wei) 止，可燃冰開采研究仍麵臨(lin) 著巨大的挑戰。（想了解天然氣水合物前世今生的小夥(huo) 伴，可以看一波龍宮探寶—深埋於(yu) 海底的可燃冰揭秘）

我國南海海域可燃冰試采點火現場

（圖片來源：央視新聞）

由於(yu) 很難獲取現場樣品，需要我們(men) 在實驗室中合成並觀察水合物的生成和分解過程，以指導現場實際開采工作。

室內(nei) 合成的甲烷水合物（圖片來源：作者自製）

我們(men) 如何能夠直觀獲取水合物的形態和分布特征呢？如果利用疫情中大顯身手的CT，把水合物放在X射線下掃描，可以像看人體(ti) 的五髒六腑一樣得到水合物的形態特征麽(me) ？隨著CT技術的不斷進步，為(wei) 了提高成像效果，近十年來，超高分辨的微米及納米級別的X-CT被廣泛應用於(yu) 水合物的研究中，也使得水合物的科學研究邁上了新的台階。

但是，科學家們(men) 仍麵臨(lin) 艱巨的考驗，CT是根據線性吸收係數，即密度差來分辨不同物質的，而天然氣水合物的密度與(yu) 水的密度接近，因此很難將水合物與(yu) 水區分開來。

既然醫療上可以用氙氣作顯影劑，那麽(me) 我們(men) 是否可以合成氙氣水合物，讓它也一展身手呢？

經過前期大量實驗研究，科學家們(men) 發現氙氣與(yu) 水可以在適宜的條件下生成水合物，而氙氣的顯影性也給水合物的觀察和相關(guan) 研究帶來了便利。

氙氣水合物（亮白色）與(yu) 石英砂（灰色）

（圖片來源：作者自製）

不僅(jin) 如此，氙氣水合物的合成技術還被應用到了氙氣的提純研究中。空氣中的氙含量為(wei) 0.09 ppm（1%=10000ppm），而在天然氣中氙含量約為(wei) 0.15 % vol.%（體(ti) 積百分比）[1]。天然氣的主要組成成分包括甲烷、乙烷、丙烷等烴類氣體(ti) ，這些烴類氣體(ti) 都可以生成氣體(ti) 水合物，但它們(men) 的生成和分解條件都比氙氣水合物苛刻的多。那麽(me) ，生成混合組分的氣體(ti) 水合物後，再基於(yu) 不同的分解條件，我們(men) 就可以提取得到純淨的氙氣了[2]。還記得我們(men) 前麵提到的氙氣有多昂貴嗎？未來某一天，也許氙氣水合物提純法會(hui) 讓這個(ge) 神秘的元素變得不再陌生。

所以，不要小覷自然界中的每一種元素，雖然它們(men) 在元素周期表內(nei) 隻占據了小小一個(ge) 方框，卻耗費了科學家們(men) 畢生的經曆。它們(men) 或許至今仍是一種未知的元素，但在不久的將來，也可能會(hui) 指引我們(men) 的科學研究攀向新的高峰！

參考文獻：

[1] Godish T, Davis WT, Fu JS. Air quality: CRC Press; 2014.

[2] Sergeeva M, Petukhov A, Shablykin D, Trubyanov M, Atlaskin A, Malyshev V, et al. Xenon recovery from natural gas by multiple gas hydrate crystallization: a theory and simulation. Sep Sci Technol. 2020;55:144-54

作者：寇璿

單位：中國科學院廣州能源研究所

文章首發於(yu) 科學大院，僅(jin) 代表作者觀點，不代表科學大院立場。

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