第十一章-核化学技术和标记化合物-放射化学.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十一章 核化学技术和标记化合物,11-1 靶子的制备,一、制备反应堆照射,靶或靶容器,时应考虑的因素,1、中子通量：许多供研究用的反应堆可望提供10,12,-10,13,cm,-2,.s,-1,中子通量。这种情况下塑料容器较为理想。,2、照射时间：如果照射时间不太长（分钟级），用高纯铝箔包装（因为,28,Al半衰期2.8min，先让其衰变掉)。,照射时间较长时，将样品密封在抽真空的石英瓶内，但必须将照射后的石英瓶冷却一段时间，使高放射性的,31,Si(T1/2=2.6h)衰变掉。还必须考虑到将密封的石英瓶打碎时，对人体不产生过量的照射和严重的污染。,3、被照射物的热稳定性：在不同类型的核反应中，温度差别较大，一般要用水或液氮冷却，但水的辐射效应较为严重。,4、自屏蔽效应：0.1mm厚的金可使热中子注量率降低6%。,二、靶子类型,1、厚靶,用加速器制备放射性核素，而不需要知道有关反应的定量资料时，一般使用厚靶。如：通过(,n)反应制备放射性核素时，一般用40MeV的,4,He离子，用厚靶使,4,He能量先下降到几个MeV而接近(,n)反应的反应阈能，以获得最大产额。,在回旋加速器上使用厚靶时，因为在靶子中能量耗散很大，1平方厘米面积上可达1KW，所以必须考虑冷却问题。,在特殊情况下可用液体靶，甚至流动气体靶。,2、薄靶,薄靶的厚度一般为每平方厘米数微克。,（1）薄靶的使用范围,加速器上一般使用薄靶，具体情况取决于试验目的。,测定反应截面：必须薄到使轰击粒子通过它时，不因为粒子能量损失而使截面有显著变化。,测定反应所产生的粒子能谱：如果靶子太厚，靶子中的次级粒子的相互作用将影响初级离子相互作用的测定。,测定反冲核的动量分布和角分布：只有靶子相当薄，才能使反冲产物在飞离靶子的路程中没有明显的散射和能量损失。,（3）薄靶厚度的测定,称重法：制靶前，先称量衬底材料的重量，然后再称制靶后的重量，通过计算求得靶子的厚度。在靶子和衬底材料重量比较大时，这种结果比较准确，但此法不能确定靶子的均匀度。,X射线荧光法：,射线吸收法：将待测薄膜插在放射源和探测器之间，测量其,、,粒子能量或数量来确定靶子的厚度。,11-2 靶子化学,对照射后的靶子需要处理，以确定核反应中反应物的产额、产物中已知或未知核素的鉴定。其方法就是用化学方法将靶子进行化学分离和提纯。,一、分离和提纯核反应产物的原则,1、快速：特别是对于半衰期很短的核素的分离和纯化时，要在尽可能短时间内完成。,2、抓重点：重点先分离一种或几种核素。核反应产物中有许多是相邻元素，一些高能核反应与核裂变反应的产物中原子序数分布范围相当宽，产物数量多，因此分离流程相当复杂，一般是先将一个或几个元素与其它元素进行分离。,3、不求回收率,不一定要求回收率很高，高化学纯度也不重要，只要求得到产物，以满足后续实验即可。,4、安全防护：操作时要注意放射性物质对人体的伤害。操作高放物质时，注意屏蔽，或增加操作距离。,5、辐射化学效应：某些情况下，辐射化学效应将影响分离流程。,二、核反应产物常见的分离方法,1、沉淀法,结晶共沉淀：要生成同晶必须是：化学类似物，有相似的化学结构，相近的化学构型。其中又分为均匀分配和非均匀分配。,吸附共沉淀：放射性核素吸附于表面发达的沉淀物表面一起沉淀。,2、离子交换法,3、色层法,纸上色层、薄层色层、电色层、萃取色层、反相色层等,4、溶剂萃取,最典型的溶剂萃取流程是PUREX流程，从辐照核燃料元件中回收铀和钚。,（2）汞阴极电解法：用于分离沉积电势比H,+,负的金属离子。因为H,2,在Pb和Pt上析出时有更大的超电势，又因汞能与许多金属生成汞齐，所以许多活泼金属也能从水溶液中沉积在汞阴极上。,（3）电化学置换法：电极电势低的金属可以从溶液中将电极电势高的金属离子置换出来，使之于溶液分离。,（4）区域电泳法：利用各种离子的离子势（电荷半径比）不同，在电场中的迁移速度不同，在一定电场梯度作用下，经相同的电泳时间后，离子移动距离不同而分离。,二、测量中反散射、自散射、自吸收的消除,1、反散射现象的消除：,用低Z材料（因Z越大，反散射越严重）；在测定低能,射线时，还需对反散射的能量相关性进行校正。,2、减少样品的自散射和自吸收：,用薄靶可消除或减少自散射、自吸收。如用厚靶，需做出不同厚度的经验校正曲线，把厚度标准化到某一确定值。,三、实用的制样技术,1、直接蒸发法,点源：对固体样品，将其溶液分多次点在浅盘中蒸发干。为了改善沉积的均匀性，可加入一些润湿剂，如四甘醇。,2、沉淀法,用可拆卸漏斗，上面覆盖薄膜，以防样品损失，避免对测量仪器的沾污。见P191。,3、电沉积,特定情况下，对金属离子样品或难溶化合物，可利用电解沉积法制样。,11-4 半衰期的测定,一、长半衰期（,很小）,指数定律：N=N,0,e,-,t,A=A,0,e,-,t,t,1/2,=ln2/,=0.69315/,-dN/dt=N,1、直接测量法：测其放射性活度A=CN,求得,。但必须先知道探测系数C和N,可用质谱法或同位素稀释法确定。此法对,发射体比较准确，因为,发射体的绝对衰变速率容易测量。但也可用于一些,发射体的测量，如,137,Cs(t,1/2,=30.17a),99,Tc(2.110,5,a)等。,2、测定与之长期平衡的子体衰变速度,当,1,2,时，母子体放射性处于长期平衡。,1,N,1,=,2,N,2,可测定,1,或,2,。,3、微分测量法,把待测样品的放射性与半衰期足够长的已知样品的放射性活度进行比较。实验中使用两个平衡的电离室，两个样品必须在完全相同的条件下来测量。,二、中等半衰期,用适当仪器多次测量一系列适当时刻的放射性活度（从几秒到几小时），然后按logA=logA,0,-,t，作logA-t图，如果放射性活度中无其他放射性杂质，即可获得一条直线，从直线斜率可求得,，进而求得半衰期。这种方法通常可以求得从几秒到几年范围内的半衰期。,三、短半衰期,1、直接测量样品随时间的衰变速率。短寿命核素都是由核反冲产生的，将冲出靶子的反冲核收集到快速移动的传送器上，将他从靶区传送到探测器。例如，将放射性反冲核放在快速流动的氦气中热化，然后由氦喷气通过一小口径管子载到探测器或探测器组中，用这种方法可测定10,-3,秒的半衰期。,11-5 标记化合物,一、标记化合物,1、定义：标记化合物是指化合物分子中的一个或多个原子、化学基团，被易辨认的原子或基团取代后的产物。标记化合物中一些易被辨认原子或基团成为示踪原子（或基团）。,2、分类,放射性标记化合物,：用放射性核素作为示踪剂的标记化合物成为放射性标记化合物。如NH,2,CHTCOOH，Na,18,F，,14,CH,3,COOH等。,稳定核素标记化合物,：如果人为的改变化合物中某一元素的稳定同位素丰度到可以观测的程度，那么，这类化合物称为稳定核素标记化合物。如：,15,NH,3,，NH,2,13,CH,2,COOH等。,非同位素标记化合物,：特定条件下，用非同位素关系的示踪原子取代化合物分子中某些原子构成非同位素标记化合物。如：H,75,SeCH,2,CH(NH,2,)COOH,多标记化合物,：当化合物分子中引入两种或两种以上多种示踪原子时，称这类化合物为多标记化合物。如：,14,CH,3,CH(NT,2,)COOH等。,3、标记化合物的命名,标记化合物的命名,定位标记化合物以符号,S,表示。这类化合物中的标记原子处于分子中的特定位置上，而且标记原子的数目也是一定的。因此，定位标记化合物命名时，除了在化合物名称前或者后要注明标记原子的名称外，还须注明标记的位置与数目。例如：,14,CH,3,CH(NH,2,)COOH命名为,丙氨酸-3-,14,C(S).,如果标记在羧基上，则命名为,丙氨酸-1-,14,C(S).,已注明示踪原子的具体标记位置后，符号S可以省略。,准定标记,：是指根据标定化合物的制备方法，理应获得的定位标记分子数小于总标定分子数的95%时的情况。这类化合物的后面可用,n或N,表示。例如：尿嘧啶-5-T(n)，表示氚原子标记在分子的第五位置上，但仍有5%左右的氚分布在其他位置上。,全标记,：用符号,G,表示。指分子中所有的氢原子都可以被氘或氚取代。但由于氢原子在分子中的位置不同，被取代的程度不同，但所有氢原子都或多或少被取代。如：,胆固醇-T-G,.氘代氯仿CD,3,Cl.,2、示踪原子应标记在化合物合适的位置上,如：研究氨基酸的脱羧反应，,14,C应标记在羧基上，否则就观察不到脱羧基而生成CO,2,的生化过程。,3、选择合适的示踪原子进行标记,稳定标记化合物无辐射损伤，制备和示踪不受时间限制，不存在标记化合物的辐射自行分解。但价格昂贵，观察所需的设备及其灵敏度不及放射性标记化合物迅速、简便和灵敏。放射性标记化合物与此相反。,4、对于放射性标记化合物要考虑放射性核素来源的难易，释放的放射性类型和能量，半衰期和可能引起的辐射损伤等。,在有机物的标记中，通常用,14,C和,3,H为示踪原子，因为它们只能发射低能,粒子，外照射影响小，又不难探测。,三、标记化合物的同位素效应与辐射自分解,1、同位素效应：在用较轻的核（如,14,C和,3,H）作为标记时，不能忽略同位素效应引起的标记化合物与原化合物之间的性质差异。如：正常的C-C键能为82.6 Kcal/mol，而,14,C-C键能要高出6-10%。,3,H与O、N、C形成的化学键比正常H所形成的键要稳定的多。,2、辐射自分解：,初级外分解：放射性核素发射的射线与标记化合物分子作用，造成化学键断裂。,初级内分解：由于核衰变产生含有子核的放射性或稳定杂质。,次级分解：标记化合物周围的介质，由于吸收辐射能而被激发或电离，进而产生自由基、激活的离子或分子，它们与标记化合物作用使分子断键而分解。,3、降低辐射自分解的措施,降低标记化合物的比活度。通常可通过加入稳定载体或稀释剂来控制辐射自分解。,加入自由基清除剂。如1-3%的乙醇。,调解储存温度。降低温度，使自由基与标记化合物作用的速率减慢。一般标记化合物在0-4C储存较好。,11-6 标记化合物的制备,一、化学合成法,1、,14,C标记化合物的化学合成,反应堆提供的Ba,14,CO,3,为初始原料，转化为,14,CO,2,、K,14,CN、Ba,14,C,2,和BaN,14,CN（氨基氰化钡），再经过化学方法合成,14,C的各类标记化合物。,以,14,CO,2,为原料的合成途径,氢化铝锂：4,14,CO,2,+3LiAlH,4,=LiAl(O,14,CH3),4,+2LiAl,2,LiAl(O,14,CH3),4,+4ROH=LiAl(OR)4+4,14,CH,3,OH,再由,14,CH,3,OH可制得其衍生物：如：H,14,CHO,14,CH,3,Br,14,CH,3,I,14,CH,3,CH,2,COOH等。,格氏试剂,14,CO,2,+RMaBr=R,14,COOMaBr 水解 R,14,COOH,常用于制备脂肪酸、甘油酯、氨基酸、激素及生物碱类标价化合物。,以K,14,CN为原料的合成途径,K,14,CN与有机卤化物发生取代反应，或与醛分子中的羰基发生加成反应，得到含,14,C的中间化合物，再经水解、胺解或还原反应可制得,14,C标记的羧酸、胺类化合物、氨基酸、嘌呤及嘧啶类的标记化合物。其中以K,14,CN合成标记糖类化合物尤为重要。反应式举例见讲稿。,以BaN,14,CN为原料的合成途径,Ba,14,CO,3,+NaN,3,NH,3,BaN,14,CN,以BaN,14,CN为原料可以合成尿素和硫脲，再以尿素和硫脲为原料，可合成嘧啶、嘌呤及其衍生物等杂环分子的标记化合物。反应式举例见讲稿。,以Ba,14,C,2,为原料的合成途径,Ba,14,CO,3,被金属镁和钡还原可得Ba,14,C,2,，水解得乙炔，再进行加氢，加卤素，环化反应等可制得一系列14C标记化合物。,2、,3,H标记化合物的合成,不饱和化合物的还原,RCH=CH,2,+T,2,RCHTCH,2,T,催化卤氚置换法,RX+T,2,RT+TX,3、其他标记化合物的合成,（1）放射性碘标记化合物的合成-取代反应,RH+,*,I,2,R,*,I+H,*,I,RH+,*,IX R,*,I+HX,(2)短寿命标记化合物的合成,11,C标记化合物的合成（T,1/2,=20.3min）,11,C通过,11,B(p,n),11,C,10,B(d,n),11,C在回旋加速器中制得。原始料为,11,CO,2,11,CO混合物,18,F标记化合物的合成,20,Ne(d,),18,F,16,O(,3,He,p),18,F等可得。通过取代或加成反应合成标记化合物。,二、同位素交换法,1、氚气曝射法：将欲标记的化合物置于高比活度氚气（丰度98%）中，密封数周后，通过同位素交换而制备标记化合物,T,2,+RH RT+HT,2、液体内催化交换法：将醇、醛、羧酸等有机物溶于氚水中，加入适当的催化剂，加快同位素交换反应速度，从而合成标记化合物。此法简便、快速、所得产品比活度高。但缺点是副产物多。,三、生物合成法,利用动植物、藻类、微生物或菌类的生理代谢过程，将示踪原子引入需要标记的化合物分子中。整个生物合成过程分四部：,把示踪原子或简单标记化合物引入生物体内。,控制适宜生物体代谢的条件，在生理代谢过程中，示踪原子经一系列复杂的生物化学过程后，标记到所需的分子上。,将上述生物体转化成某种需要的化学形式，以便进行分离，纯化或用其他标记化合物制备的方法进一步合成。,进行分离、纯化，将所需要的标记化合物同生物体分开。,用生物合成法，可制得某些核苷酸、蛋白质、糖类及激素等的标记化合物。如：,用海绿藻合成,14,C均匀标记的多种氨基酸,海绿藻,避光24hr,通入,14,CO2,光照36hr,含多种标记氨基酸的海绿藻,提取,蛋白质,水解,多种氨基酸的标记化合物。,此外，用生物合成法与化学合成法结合，可合成许多复杂的标记化合物。,四、热原子标记法（第四章已讲）,五、多标记化合物的制备,若要观察分子种不同基团或某些部位的特征和作用时，使用双标记或多标记化合物进行示踪。,例如，为了观察炔诺酮的环状结构和侧链部分各自的药理作用，可将分子中的环状结构用,3,H标记，而侧链部分用,14,C标记。结构式见讲稿。,六、标记化合物的质量鉴定,对标记化合物进行严格的质量鉴定和控制是保证示踪试验得到正确结果的先决条件。质量鉴定可概括为物理鉴定、化学鉴定和生物鉴定。,1、物理鉴定：主要观察标记化合物晶体的形状、粒度、色泽或其在溶剂中分散程度以及溶液的颜色是否正常。在储存过程中应注意它是否潮解、固结、变色、混浊或出现沉淀等。对生物标记化合物应观察是否霉变等。,2、化学鉴定,物化稳定性的鉴定：在使用和储存中因受到光、热、空气和周围环境因素是否造成标记化合物性质的改变。根据鉴定结果来确定使用条件和期限。,化学纯度和放射化学纯度的鉴定：常用色层法、电泳法、同位素稀释法，并结合放射性测量、红外光谱或核磁共振谱来确定化学杂质和放射化学杂质的种类及含量。,3、生物鉴定,用于生物示踪，特别是用于医学方面的标记化合物，不仅关系到疗效，还会影响到人的安危。因此在使用前必须进行生物鉴定。包括：,生物稳定性的鉴定：指储存过程中是否因细菌、微生物、化学物质等的影响，使其减弱或消失某些生物特性，从而失去示踪效能。,无菌无热源鉴定：指标记化合物是否灭菌完全、有无热源（指某些微生物的尸体或代谢产物）。若将其和标记化合物一起引入人体，就会出现各种疾病症状。,对于新的标记化合物，用于人体前，必须在动物体内作如下检查：,安全检查,：了解并确定标记化合物的安全使用剂量；体内分布实验；观察它在动物体内输送途径、分布和积累的部位、代谢和排泄情况。,临床模拟实验,：与临床完全相同的情况下，用大动物进行模拟实验，为临床使用提供依据。,