南華大學(xué)放射化學(xué)放射性核素的制備詳解課件

1、南華大學(xué)放射化學(xué)放射性核素的制備詳解演示文稿第1頁(yè)，共39頁(yè)。優(yōu)選南華大學(xué)放射化學(xué)放射性核素的制備第2頁(yè)，共39頁(yè)。 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(guó)防、環(huán)保和醫(yī)藥等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。迄今為止已發(fā)現(xiàn)的放射性核素有2800種，已被利用的有200余種，放射性標(biāo)記化合物已達(dá)到數(shù)千種。 它們分為兩大類(lèi)：天然放射性核素：238U、232Th、226Ra、210Po。人工放射性核素：通過(guò)反應(yīng)堆、加速器進(jìn)行核反應(yīng)，乏燃料后處理等，239Pu、239Np、131I等。9.1 放射性核素的制備第3頁(yè)，共39頁(yè)。國(guó)防上的應(yīng)用：核武器、核潛艇的燃料元件等

2、；工業(yè)上的應(yīng)用：各種放射源，各種放射性檢測(cè)、控制儀表等；農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用：輻射育種，輻射滅蟲(chóng)、輻射保鮮等；(、X或-射線(xiàn)。 60Co的 射線(xiàn)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 放射性核素的制備第4頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.1 反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素反應(yīng)堆是一種強(qiáng)大的中子源，其中子通量一般10101013cm-2s-1，可通過(guò)反應(yīng)堆的(n,)、(n,p)、(n,f)及(n,)反應(yīng)和次級(jí)核反

3、應(yīng)來(lái)生產(chǎn)放射性核素。 (n,)、(n,p)反應(yīng)所需中子的能量較高，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(lèi)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(wú)載體的放射性核素。 32S(n,p)32P； 6Li(n,)3H 。第5頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.1 反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素(n,f)反應(yīng)(n,)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(lái)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。具有產(chǎn)額高成本低等優(yōu)點(diǎn)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，

4、因而產(chǎn)品的比活度受到限制。第6頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.1 反應(yīng)堆生產(chǎn)放射性核素生產(chǎn)放射性60Co：將金屬鈷絲或鈷片、鈷棒裝不銹鋼殼內(nèi)，氬弧焊接密封；放入反應(yīng)堆中照射， 59Co(n,) 60Co反應(yīng)制得60Co。第7頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.2 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(xiàn)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)。第8頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.2 加速器生產(chǎn)放射性核素加速器生產(chǎn)放射性核素有以下特點(diǎn)：1.核反應(yīng)

5、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；2.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；3.由于(n,)反應(yīng)截面低，反應(yīng)堆無(wú)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(zhǎng)（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。第9頁(yè)，共39頁(yè)。 9.1.2 加速器生產(chǎn)放射性核素與反應(yīng)堆制備核素相比加速器的投資少，運(yùn)行和管理方便，但產(chǎn)量低，成本高，制靶過(guò)程復(fù)雜，一般只在下列情況下來(lái)彌補(bǔ)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

6、素； 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(duì)某種核素需要量少，反應(yīng)堆生產(chǎn)較方便。第10頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.2 加速器生產(chǎn)放射性核素生產(chǎn)67Ga制靶轟靶化學(xué)分離在紫銅靶基上用電鍍法鍍鋅(天然鋅),厚度為3070mg/cm2；用回旋加速器產(chǎn)生的26MeV、流強(qiáng)為50A的質(zhì)子流轟靶， 68Zn(p,2n) 67Ga;照射后，取出，放在鉛罐內(nèi)冷卻3d，降低66Ga的活度，然后進(jìn)行化學(xué)分離得67Ga。第11頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.3 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

7、的高放廢液和廢氣中。 裂片元素： 超鈾元素。 一個(gè)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。第12頁(yè)，共39頁(yè)。9.1.4 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(zhǎng)，子體核素半衰期較短，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(lái)獲得微量的放射性核素；3）用熱核中子閃曝合成超鈾元素。第13頁(yè)，共39頁(yè)。9.2 放射性核素示蹤法9.2.1 放射性核素示蹤法的一般原理及特點(diǎn)原理： 是

8、利用放射性核素作為示蹤原子，通過(guò)放射性的測(cè)量以顯示其存在的位置、數(shù)時(shí)及其轉(zhuǎn)變過(guò)程，從而跟蹤觀察研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)變化情況。特點(diǎn)： 靈敏度高，檢測(cè)限可達(dá)10-1510-13g； 測(cè)量方法簡(jiǎn)便； 能揭示原子、分子的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其他方法難以發(fā)現(xiàn)的規(guī)律。第14頁(yè)，共39頁(yè)。9.2.2 放射性核素示蹤法簡(jiǎn)單示蹤法將放射性核素機(jī)械地結(jié)合或附著于研究對(duì)象上，然后通過(guò)探測(cè)放射性來(lái)觀察研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)情況。物理混合示蹤法將放射性核素與研究對(duì)象充分進(jìn)行物理混合，然后通過(guò)測(cè)量放射性活度的變化來(lái)弄清研究對(duì)象的行為和質(zhì)性。如稀釋測(cè)定法。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

9、前提下，利用放射性標(biāo)記化合物對(duì)同類(lèi)化合物進(jìn)行示蹤。第15頁(yè)，共39頁(yè)。9.2.3 放射性示蹤劑的選擇從實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)財(cái)周期長(zhǎng)短來(lái)考慮放射性示蹤核素的半衰期； 輻射類(lèi)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(cè)量時(shí)樣品中的活度至少大于本底計(jì)數(shù)率標(biāo)準(zhǔn)偏差的3倍。第16頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.1放射性藥物及其應(yīng)用 9.3 放射性核素在醫(yī)學(xué)、生物學(xué)中的應(yīng)用放射性藥物是指在醫(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(chēng)。根據(jù)其臨床應(yīng)用的目的不同可分為兩類(lèi)：1）治療用放射性藥物；2）診斷用放射性藥物。第17頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.1 放射性藥物及其應(yīng)用放射性藥

10、物除了符合藥物的一般要求外，還需滿(mǎn)足以下要求： 放射性核素及其衰變產(chǎn)物應(yīng)對(duì)機(jī)體基本無(wú)害，且容易從體內(nèi)廓清； 半衰期較短，減少對(duì)機(jī)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(cè)的射線(xiàn)，一般為射線(xiàn)，能量在100300keV； 有適宜的比活度。第18頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.2 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(cè)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(*A

11、g- Ab和Ag- Ab)的過(guò)程中，兩者發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)性反應(yīng)：第19頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.2 放射免疫技術(shù)當(dāng)*Ag和Ab的量固定時(shí)，若樣品中的Ag（待測(cè)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(cè)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(jìng)爭(zhēng)曲線(xiàn)上出樣品中Ag的含量。第20頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.2 放射免疫技術(shù)第21頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.2 放射免疫技術(shù)甲胎蛋白的標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)抑制曲線(xiàn)第22頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.2 放射免疫技術(shù)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

12、疫反應(yīng)，可定位到某種腫瘤上，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(xiàng)技術(shù)得到快速發(fā)展。第23頁(yè)，共39頁(yè)。9.3.3 自放射顯影技術(shù)自放射顯影技術(shù)是從本上個(gè)世紀(jì)20年代初開(kāi)始發(fā)展起來(lái)的一種測(cè)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(xiàn)使核乳膠感光，根據(jù)其感光的部位及強(qiáng)度來(lái)記錄、檢查和測(cè)量樣品中放射性物質(zhì)的分布和數(shù)量。我國(guó)著名科學(xué)家錢(qián)三強(qiáng)、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。第24頁(yè)，共39頁(yè)。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，

13、通過(guò)追蹤同位素標(biāo)記原子在化學(xué)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)、分配和轉(zhuǎn)移情況來(lái)辨別物質(zhì)運(yùn)動(dòng)、分配和轉(zhuǎn)變的規(guī)律。主要用于以下幾方面：對(duì)分子重排反應(yīng)機(jī)理研究；對(duì)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究；應(yīng)用于一些物理化學(xué)常數(shù)的測(cè)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(cè)定。第25頁(yè)，共39頁(yè)。9.4放射性核素在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用（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?；ぃ悍派湫酝凰乜捎米鬏椛浼庸?、示蹤劑；冶金：研究非金屬雜質(zhì)的來(lái)源、金屬凝固過(guò)程等及活化分析一些金屬含量；石油；中子測(cè)井技術(shù)等；利用放射性同位素還可制成各種檢測(cè)和控制儀表。第26頁(yè)，

14、共39頁(yè)。9.4放射性核素在其它領(lǐng)域中的應(yīng)用中子測(cè)井技術(shù)：有中子-測(cè)井、中子-中子測(cè)井等。中子-測(cè)井：中子源產(chǎn)生中子，易被輕核慢化，如氫核(水、石油中氫量多)；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(xiàn),含氫多， 射線(xiàn)離中子源近，反之離中子源遠(yuǎn)；射線(xiàn)被探測(cè)器接收；根據(jù)射線(xiàn)接收量來(lái)判斷井下情況。第27頁(yè)，共39頁(yè)。9.5 放射分析技術(shù)及其應(yīng)用同位素稀釋分析法是將待測(cè)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(cè)樣品，測(cè)其比活度，由比活度的變化來(lái)算出待測(cè)元素的含量。這種方法常用來(lái)測(cè)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(jì)量稀釋法。9.5.

15、1 同位素稀釋法第28頁(yè)，共39頁(yè)。也稱(chēng)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(cè)物中，混合均勻后分離提出其中的一部分，然后測(cè)其比活度。9.5.1 同位素稀釋法正稀釋法 mx=m0(s0/sd-1)M0、mx分別為引入的標(biāo)準(zhǔn)物和待測(cè)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(shí)，第29頁(yè)，共39頁(yè)。 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(cè)樣品之中，混合均勻后分離提純一部分化合物，再測(cè)其比活度sd，并由此計(jì)算出待測(cè)樣品中原有的放射性同位素的質(zhì)量mx： 9.5.

16、1 同位素稀釋法反稀釋法例9.1第30頁(yè)，共39頁(yè)。反應(yīng)式：A+BAB 式中，A為被分離或分析的對(duì)象， B是為了分離或分析而加入的試劑。當(dāng)B試劑相對(duì)于A來(lái)說(shuō)化學(xué)計(jì)量不足時(shí)（A B），即為亞化學(xué)計(jì)量。9.5.1 同位素稀釋法亞化學(xué)計(jì)量稀釋法使用該方法做為定量分析方法,要滿(mǎn)足兩個(gè)條件： 1 分離試劑必須定量地消耗在所測(cè)定的元素上； 2 必須采用某種分離方法使被測(cè)元素的已經(jīng)反應(yīng)部分與尚未反應(yīng)部分分離開(kāi)來(lái)。第31頁(yè)，共39頁(yè)。9.5.1 同位素稀釋法亞化學(xué)計(jì)量稀釋法 對(duì)于放射分析來(lái)說(shuō)，亞化學(xué)計(jì)量稀釋法即用少于化學(xué)計(jì)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(guò)同位素稀釋后樣品溶液中分離出質(zhì)量

17、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(diǎn)是不需定量分離被測(cè)物，這可避免在分離提純過(guò)程中由于化合物的回收率低而造成的誤差。例9.2第32頁(yè)，共39頁(yè)。9.5.2 活化分析法 經(jīng)過(guò)核反應(yīng)，把原來(lái)沒(méi)有放射性或放射性不易被測(cè)量的樣品中的被測(cè)核素變成具有特征放射性的產(chǎn)物，然后可以通過(guò)測(cè)定其射線(xiàn)能量和半衰期進(jìn)行定性鑒定，通過(guò)測(cè)定射線(xiàn)強(qiáng)度作定量分析。第33頁(yè)，共39頁(yè)。9.5.2 活化分析法常采用相對(duì)法來(lái)測(cè)定樣品中微量核素的含量，即將標(biāo)準(zhǔn)樣品和待測(cè)樣品在相同條件下進(jìn)行照射，化學(xué)處理和放射性測(cè)量，然后按下式進(jìn)行計(jì)算：分兩步： 活化 分析將含待測(cè)核素的

18、樣品經(jīng)n，p，d，或等粒子或射線(xiàn)的照射，發(fā)生核反應(yīng)，使其轉(zhuǎn)化為適宜于射線(xiàn)測(cè)量的放射性核素；第34頁(yè)，共39頁(yè)。測(cè)量中子與樣品中待測(cè)核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來(lái)測(cè)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(duì)核素進(jìn)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(jìn)行活化)。9.5.2 活化分析法中子活化分析第35頁(yè)，共39頁(yè)。測(cè)量帶電粒子與樣品中待測(cè)核素發(fā)生核反應(yīng)所產(chǎn)生的放射性核素來(lái)測(cè)定元素含量的一種方法。9.5.2 活化分析法帶電粒子活化分析例9.3活化分析已成功地應(yīng)用于生命科學(xué)、測(cè)量微量元素等。第36頁(yè)，共39頁(yè)。9.5.3 X射線(xiàn)熒光分析法 有波長(zhǎng)色散和能量色