第9章放射性核素的制備

1、第第9章章 放射性核素的制備放射性核素的制備及其應(yīng)用及其應(yīng)用 隨著核反應(yīng)堆、加速器等核設(shè)施的迅速發(fā)展，放射性核獲得就容易得多，放射性核素在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、環(huán)保和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。到目前為止已被利用的放射性核素有200余種，放射性標(biāo)記化合物已達(dá)到數(shù)千種。 國防上的應(yīng)用：核武器、核潛艇的燃料元件等； 工業(yè)上的應(yīng)用：各種放射源，各種放射性檢測、控制儀表等； 農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：輻射育種，輻射滅蟲、輻射保鮮等；(、X或-射線。 60Co的 射線的能量為1.33及1.17MeV，137Cs：0.66MeV。產(chǎn)生感生核素的閾值為5MeV，O、C、P、S、N產(chǎn)生感生核素的能量大于10MeV。) 醫(yī)學(xué)上

2、的應(yīng)用：診斷，治療、輻射滅菌等； 在生物學(xué)、地質(zhì)學(xué)、海洋學(xué)、考古學(xué)、法醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域中也有很多的應(yīng)用。9.1 放射性核素的制備 迄今為止已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有2800種，其中常用的有200多種。 它們分為兩大類： 天然放射性核素，238U、232Th、226Ra、210Po。 人工放射性核素，通過反應(yīng)堆、加速器進行核反應(yīng)，乏燃料后處理等，239Pu、239Np、131I等。（1）反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素 反應(yīng)堆是一種強大的中子源，其中子通量一般為10101013cm-2s-1，可通過反應(yīng)堆的(n,)、(n,p)、(n,f)及(n,)反應(yīng)和次級核反應(yīng)來生產(chǎn)放射性核素。 (n,)、(n,p)反應(yīng)所需中子的能

3、量較高，在熱中子反應(yīng)堆中，反應(yīng)的截面都很小，僅少數(shù)幾種輕元素（6Li、14N、32S、35Cl）可發(fā)生這類反應(yīng)。由于這兩種反應(yīng)的產(chǎn)核與靶核分屬不同的元素，故可用化學(xué)分離方法制得無載體的放射性核素。 32S(n,p)32P； 6Li(n,)3H 。 (n,f)反應(yīng)。裂變反應(yīng)，可產(chǎn)生大量的裂變產(chǎn)物，是放射性核素的重要來源之一，如233U、 235U 、 239Pu 的裂變反應(yīng)，所生成的放射性核素達(dá)500種以上。 (n,)反應(yīng)生產(chǎn)放射性核素具有產(chǎn)額高成本低等優(yōu)點而被廣泛采用。產(chǎn)核和靶核是同位素而難以用化學(xué)方法分離，因而產(chǎn)品的比活度受到限制。生產(chǎn)放射性60Co： 將金屬鈷絲或鈷片、鈷棒裝不銹鋼殼內(nèi)，氬

4、弧焊接密封； 放入反應(yīng)堆中照射， 59Co(n,) 60Co反應(yīng)制得60Co。（2）加速器生產(chǎn)放射性核素 加速器有回旋加速器、靜電加速器、高壓加速器、直線加速器等。 用回旋加速器由于能量適中，流量足夠而被常用，可加速p，d，15N和18O等粒子，加速的粒子轟擊靶可引起(p,n)、(p,)、(d,n)、(d,2n)、(d,)、(,n)、(,2n)等核反應(yīng)。加速器生產(chǎn)放射性核素有以下特點： 核反應(yīng)的產(chǎn)核和靶核一般是不同的元素，因此可用化學(xué)法分離，從而獲得放射性純度和比活度都很高的放射性核素； 可生產(chǎn)反應(yīng)堆不能生產(chǎn)的缺中子放射性核素，其衰變多為EC或發(fā)射正電子，用于醫(yī)療診斷； 由于(n,)反應(yīng)截面低

5、，反應(yīng)堆無法生產(chǎn)碳、氮、氧等輕元素，即使能生產(chǎn)，其半衰期不是太長（14C：5730a），就是太短（19O：26.9s），不適合于醫(yī)用。而加速器能方便產(chǎn)生11C、13N等核素。 與反應(yīng)堆相比,加速器的投資少，運行和管理方便，但生量低，成本高，制靶過程復(fù)雜，一般只在下列情況下來彌補反應(yīng)堆的不足： 1）當(dāng)用反應(yīng)堆不能產(chǎn)生出比活度高的放射性核； 2）當(dāng)反應(yīng)堆不能產(chǎn)生出符合使用要求的某種放射性核素； 3）當(dāng)遠(yuǎn)離反應(yīng)堆的地方需要短半衰期放射性核素； 4）當(dāng)對某種核素需要量少，反應(yīng)堆生產(chǎn)較方便。 生產(chǎn)67Ga：1、制靶 在紫銅靶基上用電鍍法鍍鋅（天然鋅），厚度為3070mg/cm2；2、轟靶 用回旋加速器產(chǎn)

6、生的26MeV、流強為50A的質(zhì)子流轟靶， 68Zn(p,2n) 67Ga;3、化學(xué)分離 照射后，取出，放在鉛罐內(nèi)冷卻3d，降低66Ga的活度，然后進行化學(xué)分離得67Ga。（3）從乏燃料后處理中提取放射性核素 反應(yīng)堆乏燃料是提取放射性核素的重要原料。這些放射性核素都集中在后處理廠的高放廢液和廢氣中。 裂片元素： 超鈾元素。一個1000MW的核電站產(chǎn)生： 乏燃料：30t/a； Pu：0.27t/a； U： 28.6t/a； 裂變產(chǎn)物：1.13t/a。 （4）制備放射性核素的其他方法 1）放射性核素發(fā)生器，是一種可以定期從放射性母體核素中分離出放射性子體核素的裝置，其母體核素的半衰期較長，子體核素

7、半衰期較短，母體與子體易達(dá)到平衡；(99Mo-99mTc,66h,6h) 2）用放射性同位素中子源照射來獲得微量的放射性核素； 3）用熱核中子閃曝合成超鈾元素。表 幾種醫(yī)用核子發(fā)生器 9.2 放射性核素示蹤法（1）放射性核素示蹤法的一般原理及特點原理： 是利用放射性核素作為示蹤原子，通過放射性的測量以顯示其存在的位置、數(shù)時及其轉(zhuǎn)變過程，從而跟蹤觀察研究對象的運動變化情況。特點： 靈敏度高，檢測限可達(dá)10-1510-13g； 測量方法簡便； 能揭示原子、分子的運動規(guī)律及其他方法難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。（2）放射性核素示蹤法1）簡單示蹤法 將放射性核素機械地結(jié)合或附著于研究對象上，然后通過探測放射性來觀察

8、研究對象的運動情況。2）物理混合示蹤法 將放射性核素與研究對象充分進行物理混合，然后通過測量放射性活度的變化來弄清研究對象的行為和質(zhì)性。如稀釋測定法。3）標(biāo)記化合物示蹤法 根據(jù)放射性核素與其穩(wěn)定同位素除了同位素效應(yīng)外在化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)上完全相同的前提下，利用放射性標(biāo)記化合物對同類化合物進行示蹤。（3）放射性示蹤劑的選擇 從實驗?zāi)康暮蛯嶒炟斨芷陂L短來考慮放射性示蹤核素的半衰期； 輻射類型和能量，用作示蹤劑的主要是和放射性核素； 比活度，放射性示蹤劑的比活度必須足夠高，要求測量時樣品中的活度至少大于本底計數(shù)率標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍。9.3 放射性核素在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)中的應(yīng)用（1）放射性藥物及其應(yīng)用 放射性藥

9、物是指在醫(yī)學(xué)上使用的含有放射性核素的化合物或生物物質(zhì)的統(tǒng)稱。根據(jù)其臨床應(yīng)用的目的不同可分為兩類： 1）治療用放射性藥物； 2）診斷用放射性藥物。放射性藥物除了符合藥物的一般要求外，還需滿足以下放射性藥物除了符合藥物的一般要求外，還需滿足以下要求要求： 放射性核素及其衰變產(chǎn)物應(yīng)對機體基本無害，且容易從體內(nèi)廓清； 半衰期較短，減少對機體的輻射損傷； 有較高的化學(xué)純度，放射性純度和放化純度，減少毒副作用； 有適宜于探測的射線，一般為射線，能量在100300keV； 有適宜的比活度。（2）放射免疫技術(shù) 放射免疫包括放射免疫分析法(RIA)、放射免疫顯像(RII)和放射免疫治療(RIT)。1）放射免疫分

10、析法是將免疫反應(yīng)與放射性核素示蹤技術(shù)相結(jié)合的一種體外測定方法。 原理：利用放射性核素標(biāo)記的抗原(*Ag)和試樣中的非標(biāo)記抗原(Ag)在與特異抗體(Ab)結(jié)合成抗原-抗體復(fù)合物(*Ag- Ab和Ag- Ab)的過程中，兩者發(fā)生競爭性反應(yīng)： 當(dāng)*Ag和Ab的量固定時，若樣品中的Ag（待測物質(zhì)）的含量增高，則*Ag被稀釋的程度就增加，*Ag- Ab和后成量就減少。 只要將未結(jié)合的*Ag與*Ag- Ab分離，并分別測定它們的活度，即可從*Ag- Ab的結(jié)合百分率與Ag濃度的標(biāo)準(zhǔn)競爭曲線上出樣品中Ag的含量。2) 放射免疫顯像和放射免疫治療 是利用放射性核素標(biāo)記的McAb具有特異的免疫反應(yīng)，可定位到某種

11、腫瘤上，從而可將其作為診斷和治療癌癥的一種有交方法。 人源化的McAb替代鼠性的McAb； 99Tcm、111In替代131I。使此兩項技術(shù)得到快速發(fā)展。（3）自放射顯影技術(shù) 自放射顯影技術(shù)是從本上個世紀(jì)20年代初開始發(fā)展起來的一種測定放射性示蹤核素的方法，它利用放射性物質(zhì)產(chǎn)生的射線使核乳膠感光，根據(jù)其感光的部位及強度來記錄、檢查和測量樣品中放射性物質(zhì)的分布和數(shù)量。 我國著名科學(xué)家錢三強、何澤慧等人就是利用核乳膠技術(shù)發(fā)現(xiàn)了重原子核的三分裂與四分裂現(xiàn)象。9.4 放射性核素在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（1）放射性同位素在化學(xué)研究中的應(yīng)用 在化學(xué)研究中，通過追蹤同位素標(biāo)記原子在化學(xué)過程中的運動、分配和轉(zhuǎn)移情況

12、來辨別物質(zhì)運動、分配和轉(zhuǎn)變的規(guī)律。主要用于以下幾方面： 對分子重排反應(yīng)機理研究； 對反應(yīng)動力學(xué)研究； 應(yīng)用于一些物理化學(xué)常數(shù)的測定，如平衡常數(shù)、分配系數(shù)、微溶物質(zhì)溶解度、難揮發(fā)物質(zhì)蒸汽壓、晶體比表面等的測定。（2）放射性同位素在工業(yè)中的應(yīng)用 放射性同位素在工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，它已應(yīng)用于化工、冶金、石油等領(lǐng)域。 化工：放射性同位素可用作輻射加工、示蹤劑； 冶金：研究非金屬雜質(zhì)的來源、金屬凝固過程等及活化分析一些金屬含量； 石油；中子測井技術(shù)等； 利用放射性同位素還可制成各種檢測和控制儀表。中子測井技術(shù)：有中子-測井、中子-中子測井等。中子-測井： 中子源產(chǎn)生中子，易被輕核慢化，如氫核(水、石油

13、中氫量多)； 快中子被慢化成熱中子； 熱中子被巖石中的其它原子核俘獲，(n,)反應(yīng),產(chǎn)生射線,含氫多， 射線離中子源近，反之離中子源遠(yuǎn)； 射線被探測器接收； 根據(jù)射線接收量來判斷井下情況。9.5放射分析技術(shù)及其應(yīng)用（1）同位素稀釋法 同位素稀釋分析法是將待測元素與放射性同位素示蹤劑充分混合，然后分離出一部分純凈待測樣品，測其比活度，由比活度的變化來算出待測元素的含量。 這種方法常用來測定不易分離的組份的含量。 有正稀釋法、反稀釋法及亞化學(xué)計量稀釋法。1）正稀釋法 也稱直接稀釋法。它是將一種比活度和質(zhì)量已知的放射性核素或其標(biāo)記化合物作為標(biāo)準(zhǔn)物加到含該放射性核素的穩(wěn)定同位素或其化合物的待測物中，混

14、合均勻后分離提出其中的一部分，然后測其比活度。 mx=m0(s0/sd-1) M0、mx分別為引入的標(biāo)準(zhǔn)物和待測物的質(zhì)量； s0、sd分別為標(biāo)準(zhǔn)物和稀釋后化合物的比活度。當(dāng)mx M0時，xdmmsms000dxsmsm002）反稀釋法 是將一種質(zhì)量為M0的穩(wěn)定同位素加到含有其放射性同位素（比活度為s0 ）的待測樣品之中，混合均勻后分離提純一部分化合物，再測其比活度sd，并由此計算出待測樣品中原有的放射性同位素的質(zhì)量mx： ddxsssmm00dxxsmmsm00例 用反稀釋法稀釋含137Cs的待測樣品，已知137Cs的T1/2為30.17a，K值為1.321016，將質(zhì)量為10mg銫穩(wěn)定同位素

15、加到待測樣品中，混合均勻后分離提純一部分混合物，測其比活度 ，則待測樣品中的137Cs的質(zhì)量為多少mg？mgBqsd91019. 1解：mgBqgBqMTks9121601019. 31019. 317.301371032. 1mgm100mgBqsd91019. 1dxxsmmsm00mgmx95. 51019. 119. 31019. 110993）亞化學(xué)計量稀釋法 反應(yīng)式：A+BAB 式中，A為被分離或分析的對象， B是為了分離或分析而加入的試劑。 當(dāng)B試劑相對于A來說化學(xué)計量不足時（A B），即為亞化學(xué)計量。使用該方法做為定量分析方法,要滿足兩個條件： 1 分離試劑必須定量地消耗在所測

16、定的元素上； 2 必須采用某種分離方法使被測元素的已經(jīng)反應(yīng)部分與尚未反應(yīng)部分分離開來。 對于放射分析來說，亞化學(xué)計量稀釋法即用少于化學(xué)計算量的兩份相等的分離試劑，分別從放射性標(biāo)準(zhǔn)物溶液和從經(jīng)過同位素稀釋后樣品溶液中分離出質(zhì)量相等的化合物，這樣它們的比活度之比 就等于其活度之比 ，則9.2式就可改為： 同位素稀釋法的最大優(yōu)點是不需定量分離被測物，這可避免在分離提純過程中由于化合物的回收率低而造成的誤差。dss0dAA0100dxAAmm 例題：用亞化學(xué)計量進行測定時，已知引入標(biāo)準(zhǔn)物的質(zhì)量為30.0mg，從放射性標(biāo)準(zhǔn)溶液中和從經(jīng)同位素稀釋后的樣品中分離提純的化合物的放射性計數(shù)分別為1200和60c

17、pm，求待測物的質(zhì)量為多少？ 解：M0=30.0mg, mx=m0 (A0/Ad-1 )=30.0(1200/60-1)=570.0mgddcpmcpmAAEcpmdpmAEdpmcpm00%6060%（2）活化分析法 是經(jīng)過核反應(yīng)，把原來沒有放射性或放射性不易被測量的樣品中的被測核素變成具有特征放射性的產(chǎn)物，然后可以通過測定其射線能量和半衰期進行定性鑒定，通過測定射線強度作定量分析。分兩步分兩步： 活化：將含待測核素的樣品經(jīng)n，p，d，或等粒子或射線的照射，發(fā)生核反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為適宜于射線測量的放射性核素； 分析：常采用相對法來測定樣品中微量核素的含量，即將標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測樣品在相同條件下進行

18、照射，化學(xué)處理和放射性測量，然后按下式進行計算：sxsxNNmm1）中子活化分析 測量中子與樣品中待測核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來測定該核素含量的一種方法。 常用的有熱中子活化分析（以反應(yīng)堆為中子源，利用(n,)反應(yīng)對核素進行活化） 快中子活化分析(以同位素中子源、中子發(fā)生器和加速器為活化源，利用(n,p)、(n,)、(n,2n)等核反應(yīng)進行活化)。2）帶電粒子活化分析 測量帶電粒子與樣品中待測核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來測定元素含量的一種方法。3）活化分析的應(yīng)用 活化分析已成功地應(yīng)用于生命科學(xué)。用于測量微量元素等。（3）X射線熒光分析法 有波長色散和能量色散兩種方式。 能量色散X射線熒光分析法是利用一定能量的粒子使樣品中待測元素的原子激發(fā)，并發(fā)出特征X射線熒光，然后根據(jù)不同元素發(fā)出特征X射線的能量不同，且元素的含量與X射線強度在一定條件下成正比的原理，通過X射線譜儀測量其能譜和強度，可確定待測元素的種類和含量。 例 在活化分析中，含微量氯的物質(zhì)在1012中子/（cm2s）通量密度下輻照5h，輻照結(jié)束5h后，測得38Cl的活度為2.33104Bq，則LiCl中氯含量為多少g？已知其核反應(yīng)式為： ，38Cl的半衰期T1/2為37.2min，37Cl的豐度H為24.23%，氯的平均分子量