第十一章_核化學(xué)技術(shù)和標(biāo)記化合物ppt課件

1、第十一章 核化學(xué)技術(shù)和標(biāo)記化合物,11-1 靶子的制備 一、制備反應(yīng)堆照射靶或靶容器時應(yīng)考慮的因素 1、中子通量：許多供研究用的反應(yīng)堆可望提供1012-1013cm-2.s-1中子通量。這種情況下塑料容器較為理想。 2、照射時間：如果照射時間不太長（分鐘級），用高純鋁箔包裝（因?yàn)?8Al半衰期2.8min，先讓其衰變掉)。,照射時間較長時，將樣品密封在抽真空的石英瓶內(nèi)，但必須將照射后的石英瓶冷卻一段時間，使高放射性的31Si (T1/2=2.6h)衰變掉。還必須考慮到將密封的石英瓶打碎時，對人體不產(chǎn)生過量的照射和嚴(yán)重的污染。 3、被照射物的熱穩(wěn)定性：在不同類型的核反應(yīng)中，溫度差別較大，一般要用

2、水或液氮冷卻，但水的輻射效應(yīng)較為嚴(yán)重。 4、自屏蔽效應(yīng)：0.1mm厚的金可使熱中子注量率降低6%。,二、靶子類型,1、厚靶 用加速器制備放射性核素，而不需要知道有關(guān)反應(yīng)的定量資料時，一般使用厚靶。如：通過(,n)反應(yīng)制備放射性核素時，一般用40MeV的4He離子，用厚靶使4He能量先下降到幾個MeV而接近(,n)反應(yīng)的反應(yīng)閾能，以獲得最大產(chǎn)額。 在回旋加速器上使用厚靶時，因?yàn)樵诎凶又心芰亢纳⒑艽螅?平方厘米面積上可達(dá)1KW，所以必須考慮冷卻問題。 在特殊情況下可用液體靶，甚至流動氣體靶。,2、薄靶,薄靶的厚度一般為每平方厘米數(shù)微克。 （1）薄靶的使用范圍 加速器上一般使用薄靶，具體情況取決于試

3、驗(yàn)?zāi)康摹?測定反應(yīng)截面：必須薄到使轟擊粒子通過它時，不因?yàn)榱Ｗ幽芰繐p失而使截面有顯著變化。 測定反應(yīng)所產(chǎn)生的粒子能譜：如果靶子太厚，靶子中的次級粒子的相互作用將影響初級離子相互作用的測定。 測定反沖核的動量分布和角分布：只有靶子相當(dāng)薄，才能使反沖產(chǎn)物在飛離靶子的路程中沒有明顯的散射和能量損失。,（2）薄靶的制備技術(shù),真空蒸餾法：真空條件下，將靶子物蒸餾沉積在各種襯底材料上。襯底材料可以是金屬薄箔、塑料薄膜等。 電沉積法：適用于沉積金屬、氧化物或其他化合物。現(xiàn)代技術(shù)中應(yīng)用最多的是分子電鍍，就是從有機(jī)溶劑中電沉積各種分子。 氣體在熱表面上的熱分解：如B2H6制備硼膜，Ni(CO)4制鎳膜，CH3I

4、制備碳膜等。 懸濁液沉淀法：用于對靶子的均勻性要求不嚴(yán)格的條件下。常常外加某些粘合劑。,（3）薄靶厚度的測定,稱重法：制靶前，先稱量襯底材料的重量，然后再稱制靶后的重量，通過計(jì)算求得靶子的厚度。在靶子和襯底材料重量比較大時，這種結(jié)果比較準(zhǔn)確，但此法不能確定靶子的均勻度。 X射線熒光法： 射線吸收法：將待測薄膜插在放射源和探測器之間，測量其、粒子能量或數(shù)量來確定靶子的厚度。,11-2 靶子化學(xué),對照射后的靶子需要處理，以確定核反應(yīng)中反應(yīng)物的產(chǎn)額、產(chǎn)物中已知或未知核素的鑒定。其方法就是用化學(xué)方法將靶子進(jìn)行化學(xué)分離和提純。 一、分離和提純核反應(yīng)產(chǎn)物的原則 1、快速：特別是對于半衰期很短的核素的分離和

5、純化時，要在盡可能短時間內(nèi)完成。 2、抓重點(diǎn)：重點(diǎn)先分離一種或幾種核素。核反應(yīng)產(chǎn)物中有許多是相鄰元素，一些高能核反應(yīng)與核裂變反應(yīng)的產(chǎn)物中原子序數(shù)分布范圍相當(dāng)寬，產(chǎn)物數(shù)量多，因此分離流程相當(dāng)復(fù)雜，一般是先將一個或幾個元素與其它元素進(jìn)行分離。,3、不求回收率 不一定要求回收率很高，高化學(xué)純度也不重要，只要求得到產(chǎn)物，以滿足后續(xù)實(shí)驗(yàn)即可。 4、安全防護(hù)：操作時要注意放射性物質(zhì)對人體的傷害。操作高放物質(zhì)時，注意屏蔽，或增加操作距離。 5、輻射化學(xué)效應(yīng)：某些情況下，輻射化學(xué)效應(yīng)將影響分離流程。,6、使用載體和反載體： 核反應(yīng)中所產(chǎn)生的放射性物質(zhì)的量都是很少的，通常的分離方法（沉淀、過濾、離心等）都不適用

6、。為了達(dá)到分離目的，一般都要使用載體。載體分同位素載體和非同位素載體。對非同位素載體有一定的要求，載體的用量一般在0.1-10mg之間，通常根據(jù)對產(chǎn)物的比活度的預(yù)期值來確定。,二、核反應(yīng)產(chǎn)物常見的分離方法,1、沉淀法 結(jié)晶共沉淀：要生成同晶必須是：化學(xué)類似物，有相似的化學(xué)結(jié)構(gòu)，相近的化學(xué)構(gòu)型。其中又分為均勻分配和非均勻分配。 吸附共沉淀：放射性核素吸附于表面發(fā)達(dá)的沉淀物表面一起沉淀。,2、離子交換法 3、色層法 紙上色層、薄層色層、電色層、萃取色層、反相色層等 4、溶劑萃取 最典型的溶劑萃取流程是PUREX流程，從輻照核燃料元件中回收鈾和钚。,5、揮發(fā)法：用蒸汽壓的差來分離放射性物質(zhì)。 6、電

7、化學(xué)方法： （1）電沉積法 A、根據(jù)不同沉積電勢分離：微量放射性核素各有不同的臨界沉積電勢，因此當(dāng)電極電勢等于或大于某一核素離子的臨界沉積電勢時，此種離子就會在陰極出現(xiàn)沉積。 B、分子電鍍：在非水溶液中高電壓下電解，成為分子電鍍。 此方法多用于制備放射性核素的薄源。,（2）汞陰極電解法：用于分離沉積電勢比H+負(fù)的金屬離子。因?yàn)镠2在Pb和Pt上析出時有更大的超電勢，又因汞能與許多金屬生成汞齊，所以許多活潑金屬也能從水溶液中沉積在汞陰極上。 （3）電化學(xué)置換法：電極電勢低的金屬可以從溶液中將電極電勢高的金屬離子置換出來，使之于溶液分離。 （4）區(qū)域電泳法：利用各種離子的離子勢（電荷半徑比）不同，

8、在電場中的遷移速度不同，在一定電場梯度作用下，經(jīng)相同的電泳時間后，離子移動距離不同而分離。,11-3 關(guān)于活度測量的有關(guān)問題,一、計(jì)數(shù)裝置的選擇 1、固體探測器 閃爍計(jì)數(shù)器：特別是Ge(Li)探測器，NaI晶體探頭。 正比計(jì)數(shù)器或電離室：多用于發(fā)射體的測量。 薄窗計(jì)數(shù)管：多用于和發(fā)射體的測量 2、液體探測器 液體閃爍計(jì)數(shù)器：多用于發(fā)射體 阱型閃爍計(jì)數(shù)器：多用于射線的探測 3、氣體探測器 充氣計(jì)數(shù)管：常用于14C制14CO2進(jìn)行測量,二、測量中反散射、自散射、自吸收的消除,1、反散射現(xiàn)象的消除： 用低Z材料（因Z越大，反散射越嚴(yán)重）；在測定低能射線時，還需對反散射的能量相關(guān)性進(jìn)行校正。 2、減少

9、樣品的自散射和自吸收： 用薄靶可消除或減少自散射、自吸收。如用厚靶，需做出不同厚度的經(jīng)驗(yàn)校正曲線，把厚度標(biāo)準(zhǔn)化到某一確定值。,三、實(shí)用的制樣技術(shù),1、直接蒸發(fā)法 點(diǎn)源：對固體樣品，將其溶液分多次點(diǎn)在淺盤中蒸發(fā)干。為了改善沉積的均勻性，可加入一些潤濕劑，如四甘醇。 2、沉淀法 用可拆卸漏斗，上面覆蓋薄膜，以防樣品損失，避免對測量儀器的沾污。見P191。 3、電沉積 特定情況下，對金屬離子樣品或難溶化合物，可利用電解沉積法制樣。,四、無重源的制備,1、無重源：厚度在1-10ug/cm2，襯墊同樣很薄，即重量可以忽略的源。 2、制備方法：揮發(fā)、電沉積、電泳、熱絲揮發(fā)等。 3、特殊方法：衰變給予子體原

10、子的反沖能可使其反沖出母體物質(zhì)的沉積物，并被帶到附近的捕集器上。,11-4 半衰期的測定,一、長半衰期（很小） 指數(shù)定律：N=N0e-t A=A0e-t t1/2=ln2/=0.69315/ -dN/dt=N 1、直接測量法：測其放射性活度A=CN,求得。但必須先知道探測系數(shù)C和N,可用質(zhì)譜法或同位素稀釋法確定。此法對發(fā)射體比較準(zhǔn)確，因?yàn)榘l(fā)射體的絕對衰變速率容易測量。但也可用于一些發(fā)射體的測量，如137Cs (t1/2=30.17a),99Tc(2.1105a)等。,2、測定與之長期平衡的子體衰變速度,當(dāng)12時，母子體放射性處于長期平衡。 1N1=2N2 可測定1或2。 3、微分測量法 把待測

11、樣品的放射性與半衰期足夠長的已知樣品的放射性活度進(jìn)行比較。實(shí)驗(yàn)中使用兩個平衡的電離室，兩個樣品必須在完全相同的條件下來測量。,二、中等半衰期,用適當(dāng)儀器多次測量一系列適當(dāng)時刻的放射性活度（從幾秒到幾小時），然后按logA=logA0-t，作logA-t圖，如果放射性活度中無其他放射性雜質(zhì)，即可獲得一條直線，從直線斜率可求得，進(jìn)而求得半衰期。這種方法通常可以求得從幾秒到幾年范圍內(nèi)的半衰期。,三、短半衰期,1、直接測量樣品隨時間的衰變速率。短壽命核素都是由核反沖產(chǎn)生的，將沖出靶子的反沖核收集到快速移動的傳送器上，將他從靶區(qū)傳送到探測器。例如，將放射性反沖核放在快速流動的氦氣中熱化，然后由氦噴氣通過

12、一小口徑管子載到探測器或探測器組中，用這種方法可測定10-3秒的半衰期。,2、測定放射性原子的生成和衰變之間的時間間隔分布,該分布服從指數(shù)衰變規(guī)律。此類實(shí)驗(yàn)必須有衰變態(tài)形成時刻的訊號（起始訊號）和該態(tài)衰變時的訊號（終止訊號），將兩個訊號輸送到電子學(xué)線路，經(jīng)過許多這樣的操作，電子訊號就會給出兩個訊號之間的時間分布，該分布服從指數(shù)衰變定律。用此法可測定10-11秒半衰期。,11-5 標(biāo)記化合物,一、標(biāo)記化合物 1、定義：標(biāo)記化合物是指化合物分子中的一個或多個原子、化學(xué)基團(tuán)，被易辨認(rèn)的原子或基團(tuán)取代后的產(chǎn)物。標(biāo)記化合物中一些易被辨認(rèn)原子或基團(tuán)成為示蹤原子（或基團(tuán)）。 2、分類 放射性標(biāo)記化合物：用放

13、射性核素作為示蹤劑的標(biāo)記化合物成為放射性標(biāo)記化合物。如NH2CHTCOOH，Na18F，14CH3COOH等。,穩(wěn)定核素標(biāo)記化合物：如果人為的改變化合物中某一元素的穩(wěn)定同位素豐度到可以觀測的程度，那么，這類化合物稱為穩(wěn)定核素標(biāo)記化合物。如：15NH3， NH213CH2COOH等。 非同位素標(biāo)記化合物：特定條件下，用非同位素關(guān)系的示蹤原子取代化合物分子中某些原子構(gòu)成非同位素標(biāo)記化合物。如：H75SeCH2CH(NH2)COOH 多標(biāo)記化合物：當(dāng)化合物分子中引入兩種或兩種以上多種示蹤原子時，稱這類化合物為多標(biāo)記化合物。如：14CH3CH(NT2)COOH等。,3、標(biāo)記化合物的命名,標(biāo)記化合物的命

14、名 定位標(biāo)記化合物以符號S表示。這類化合物中的標(biāo)記原子處于分子中的特定位置上，而且標(biāo)記原子的數(shù)目也是一定的。因此，定位標(biāo)記化合物命名時，除了在化合物名稱前或者后要注明標(biāo)記原子的名稱外，還須注明標(biāo)記的位置與數(shù)目。例如：14CH3CH(NH2)COOH命名為 丙氨酸-3-14C(S). 如果標(biāo)記在羧基上，則命名為 丙氨酸-1-14C(S). 已注明示蹤原子的具體標(biāo)記位置后，符號S可以省略。,均勻標(biāo)記：在14C標(biāo)記的分子中，用符號U來表示均勻標(biāo)記。它是指14C或13C原子在被標(biāo)記的分子中呈現(xiàn)均勻分布。對于分子中所有C原子來講，具有統(tǒng)計(jì)學(xué)上的均勻性。如：14C標(biāo)記的葡萄糖分子中，14C被統(tǒng)計(jì)性的均勻分

15、布在葡萄糖分子的六個C原子上。對這個標(biāo)記化合物命名為：葡萄糖-14C(U).,準(zhǔn)定標(biāo)記：是指根據(jù)標(biāo)定化合物的制備方法，理應(yīng)獲得的定位標(biāo)記分子數(shù)小于總標(biāo)定分子數(shù)的95%時的情況。這類化合物的后面可用n或N表示。例如：尿嘧啶-5-T(n)，表示氚原子標(biāo)記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。,全標(biāo)記：用符號G表示。指分子中所有的氫原子都可以被氘或氚取代。但由于氫原子在分子中的位置不同，被取代的程度不同，但所有氫原子都或多或少被取代。如：膽固醇-T-G. 氘代氯仿CD3Cl.,二、制備標(biāo)記化合物時應(yīng)注意的問題,1、示蹤原子應(yīng)標(biāo)記在化合物的穩(wěn)定位置上，不至于在示蹤過程中脫落或因同位素

16、交換等因素而失去標(biāo)記。一般講，處于極性基團(tuán)（如羧基、羥基、胺基）上的氫原子，位于羰基位上的氫原子，苯環(huán)上與羥基處于鄰位或?qū)ξ坏臍湓佣疾环€(wěn)定。,2、示蹤原子應(yīng)標(biāo)記在化合物合適的位置上 如：研究氨基酸的脫羧反應(yīng)，14C應(yīng)標(biāo)記在羧基上，否則就觀察不到脫羧基而生成CO2的生化過程。 3、選擇合適的示蹤原子進(jìn)行標(biāo)記 穩(wěn)定標(biāo)記化合物無輻射損傷，制備和示蹤不受時間限制，不存在標(biāo)記化合物的輻射自行分解。但價格昂貴，觀察所需的設(shè)備及其靈敏度不及放射性標(biāo)記化合物迅速、簡便和靈敏。放射性標(biāo)記化合物與此相反。,4、對于放射性標(biāo)記化合物要考慮放射性核素來源的難易，釋放的放射性類型和能量，半衰期和可能引起的輻射損傷等。

17、 在有機(jī)物的標(biāo)記中，通常用14C和3H為示蹤原子，因?yàn)樗鼈冎荒馨l(fā)射低能粒子，外照射影響小，又不難探測。,三、標(biāo)記化合物的同位素效應(yīng)與輻射自分解,1、同位素效應(yīng)：在用較輕的核（如14C和3H）作為標(biāo)記時，不能忽略同位素效應(yīng)引起的標(biāo)記化合物與原化合物之間的性質(zhì)差異。如：正常的C-C鍵能為82.6 Kcal/mol，而14C-C鍵能要高出6-10%。3H與O、N、C形成的化學(xué)鍵比正常H所形成的鍵要穩(wěn)定的多。,2、輻射自分解：,初級外分解：放射性核素發(fā)射的射線與標(biāo)記化合物分子作用，造成化學(xué)鍵斷裂。 初級內(nèi)分解：由于核衰變產(chǎn)生含有子核的放射性或穩(wěn)定雜質(zhì)。 次級分解：標(biāo)記化合物周圍的介質(zhì)，由于吸收輻射能而

18、被激發(fā)或電離，進(jìn)而產(chǎn)生自由基、激活的離子或分子，它們與標(biāo)記化合物作用使分子斷鍵而分解。,3、降低輻射自分解的措施,降低標(biāo)記化合物的比活度。通?？赏ㄟ^加入穩(wěn)定載體或稀釋劑來控制輻射自分解。 加入自由基清除劑。如1-3%的乙醇。 調(diào)解儲存溫度。 降低溫度，使自由基與標(biāo)記化合物作用的速率減慢。一般標(biāo)記化合物在0-4C儲存較好。,11-6 標(biāo)記化合物的制備,一、化學(xué)合成法 1、14C標(biāo)記化合物的化學(xué)合成 反應(yīng)堆提供的Ba14CO3為初始原料，轉(zhuǎn)化為14CO2、K14CN、Ba14C2和BaN14CN（氨基氰化鋇），再經(jīng)過化學(xué)方法合成14C的各類標(biāo)記化合物。,以14CO2為原料的合成途徑 氫化鋁鋰：41

19、4CO2+3LiAlH4=LiAl(O14CH3)4+2LiAl2 LiAl(O14CH3)4+4ROH=LiAl(OR)4+414CH3OH 再由14CH3OH可制得其衍生物：如：H14CHO, 14CH3Br,14CH3I,14CH3CH2COOH等。 格氏試劑 14CO2+RMaBr = R14COOMaBr 水解 R14COOH 常用于制備脂肪酸、甘油酯、氨基酸、激素及生物堿類標(biāo)價化合物。,以K14CN為原料的合成途徑 K14CN與有機(jī)鹵化物發(fā)生取代反應(yīng)，或與醛分子中的羰基發(fā)生加成反應(yīng)，得到含14C的中間化合物，再經(jīng)水解、胺解或還原反應(yīng)可制得14C標(biāo)記的羧酸、胺類化合物、氨基酸、嘌呤及

20、嘧啶類的標(biāo)記化合物。其中以K14CN合成標(biāo)記糖類化合物尤為重要。反應(yīng)式舉例見講稿。 以BaN14CN為原料的合成途徑,Ba14CO3+NaN3 NH3 BaN14CN 以BaN14CN為原料可以合成尿素和硫脲，再以尿素和硫脲為原料，可合成嘧啶、嘌呤及其衍生物等雜環(huán)分子的標(biāo)記化合物。反應(yīng)式舉例見講稿。 以Ba14C2為原料的合成途徑 Ba14CO3被金屬鎂和鋇還原可得Ba14C2，水解得乙炔，再進(jìn)行加氫，加鹵素，環(huán)化反應(yīng)等可制得一系列14C標(biāo)記化合物。,2、3H標(biāo)記化合物的合成,不飽和化合物的還原 RCH=CH2+T2 RCHTCH2T 催化鹵氚置換法 RX + T2 RT + TX 3、其他標(biāo)

21、記化合物的合成 （1）放射性碘標(biāo)記化合物的合成-取代反應(yīng) RH + *I2 R*I + H*I RH + *IX R*I + HX,(2)短壽命標(biāo)記化合物的合成,11C標(biāo)記化合物的合成（T1/2=20.3min） 11C通過11B(p,n)11C, 10B(d,n)11C在回旋加速器中制得。原始料為11CO2,11CO混合物 18F標(biāo)記化合物的合成 20Ne(d,)18F, 16O(3He,p)18F等可得。通過取代或加成反應(yīng)合成標(biāo)記化合物。,二、同位素交換法,1、氚氣曝射法：將欲標(biāo)記的化合物置于高比活度氚氣（豐度98%）中，密封數(shù)周后，通過同位素交換而制備標(biāo)記化合物 T2 + RH RT +

22、 HT 2、液體內(nèi)催化交換法：將醇、醛、羧酸等有機(jī)物溶于氚水中，加入適當(dāng)?shù)拇呋瘎?，加快同位素交換反應(yīng)速度，從而合成標(biāo)記化合物。此法簡便、快速、所得產(chǎn)品比活度高。但缺點(diǎn)是副產(chǎn)物多。,三、生物合成法,利用動植物、藻類、微生物或菌類的生理代謝過程，將示蹤原子引入需要標(biāo)記的化合物分子中。整個生物合成過程分四部： 把示蹤原子或簡單標(biāo)記化合物引入生物體內(nèi)。 控制適宜生物體代謝的條件，在生理代謝過程中，示蹤原子經(jīng)一系列復(fù)雜的生物化學(xué)過程后，標(biāo)記到所需的分子上。 將上述生物體轉(zhuǎn)化成某種需要的化學(xué)形式，以便進(jìn)行分離，純化或用其他標(biāo)記化合物制備的方法進(jìn)一步合成。 進(jìn)行分離、純化，將所需要的標(biāo)記化合物同生物體分開。,用生物合成法，可制得某些核苷酸、蛋白質(zhì)、糖類及激素等的標(biāo)記化合物。如： 用海綠藻合成14C均勻標(biāo)記的多種氨基酸 海綠藻 避光24hr 通入14CO2 光照36hr 含多種標(biāo)記氨基酸的海綠藻 提取 蛋白質(zhì) 水解 多種氨基酸的標(biāo)記化合物。 此外，用生物合成法與化學(xué)合成法結(jié)合，可合成許多復(fù)雜的標(biāo)記化合物。,四、熱原子標(biāo)記法（第四章已講）,五、多標(biāo)記化合物的