元素

54 氙 麻醉剂的元素

本文作者 漂泊

氙具有极高的发光强度,在照明技术上常用作闪光灯和HID氙灯。 此外,氙也是重要一种深度麻醉剂,具有重要的医疗价值。氙的化合物的发现则打破了惰性气体元素不能发生化学反应的的假设,具有重要的意义。

 

氙的基本物理性质

分类 非金属、稀有气体元素
原子序号原子量 54(131.293)
电子配置 5s25p6
密度 5.8971g/L(气体密度)
熔点 161.25K
沸点 165.04K
形状 无色无味气体
丰度 87ppm(空气)
发现者 William Ramsay,Morris W.Travers
主要的同位素 124Xe, 128Xe, 129Xe, 130Xe, 131Xe, 132Xe, 134Xe, 136Xe
用途例 深度麻醉剂、医用紫外线、激光器、氙气灯
前后的元素 碘-氙-铯

氙的发现

1898年,William Ramsay和Morris W.Travers从液态空气中提取了氖,氩和氪,但它们怀疑其中是否包含其它气体。工业家Ludwig Mond给了他们一台新的液态空气机,他们用它提取了更多的稀有气体氪。经过多次蒸馏,他们终于分离出了一种更重的气体,在真空管中它发出了漂亮的蓝色光芒。他们意识到它是惰性气体元素的又一个成员,因为其在化学上是惰性的。他选择“ξένος(xenos)”这个希腊文命名氙,意为“陌生的”。这是氙元素被首次发现。

在惰性气体元素当中,氙的化合物(含有化学键的)是最先被发现的。Neil Bartlett发现六氟化铂气体(PtF6)是一种强氧化剂,可以氧化氧气(O2),形成二氧基六氟铂酸盐(O2+ [PtF6)。由于O2和Xe具有几乎相同的第一电离能,Bartlett意识到六氟化铂可能也可以氧化Xe。1962年3月23日,他将这两种气体混合,制成了第一种已知的惰性气体化合物,即橙黄色的六氟铂酸氙,打破了化学界中持续60年之久的“稀有气体对化学反应完全惰性”的假设。Bartlett认为它的成分是Xe+[PtF6,但后来的研究表明它可能是各种含氙盐的混合物。从那时起,许多其他氙化合物被发现,到目前为止,已有超过100种氙的化合物被制造出来。[1-5]

氙气XeF4晶体

 

氙灯

氙气最重要的应用是制造氙灯。氙灯可以用作照相闪光灯和频闪灯,也可以用作汽车照明,也称HID氙气灯。HID氙气灯是用包裹在石英管内的高压氙气替代传统的钨丝,提供更高色温、更聚集的照明。氙气灯的发光原理是在UV-cut抗紫外线水晶石英玻璃管内,以多种化学气体充填,其中大部分为氙气与碘化物等,然后再透过增压器将车上12V的直流电压瞬间增压至23000V的电压,高压激发了石英管内的Xe的电子,激发态的电子跃迁发光。这是一束电弧光,可在两电极之间持续放电发光。

由氙气所产生的白色超强电弧光,可提高光线色温值,产生类似白昼的太阳光芒。汽车氙灯的色温在4000K—6000K之间,远远高于普通车大灯灯泡。它亮度高,4300K的氙气灯的光色为白色偏黄,由于色温较低,视觉效果偏黄,光线的穿透力强于高色温的灯,因此可以提高夜间和大雾天气的行车安全性。

HID氙灯工作时所需的电流量仅为3.5A,亮度是传统卤素灯泡的三倍,使用寿命比传统卤素灯泡长10倍。由于氙灯是采用高压电流激活氙气而形成的,相比于普通汽车钨丝灯泡的55瓦功率,氙灯则仅有35瓦,降低近一半。因此氙灯可明显减轻车辆电力系统的负担。[6-7]

氙灯汽车HID氙灯

 

麻醉剂

1939年,美国医生Albert R. Behnke Jr.开始探索深海潜水员“酗酒”的原因。他研究了改变呼吸混合物的组分对测试者的影响,并发现这会导致潜水员感知到深度的变化。根据结果他推断氙气可以作为麻醉剂。虽然俄罗斯毒理学家Nikolay V. Lazarev在1941年研究了氙气麻醉,但是第一份确认氙气麻醉的报告是在1946年由美国医学研究员John H. Lawrence进行实验的。1951年,氙气首次被美国麻醉师Stuart C. Cullen用作外科麻醉剂,这是氙气首次被用于外科手术。

氙气目前已经广泛被用作全身麻醉剂,这是一种没有副作用的深度麻醉剂。氙能与许多不同的受体以及离子通道相互作用,并且像很多理论上的多模式吸入型麻醉剂一样,这些相互作用可能是互补的。氙是NMDA受体甘氨酸位点的高亲和力拮抗剂。然而,氙与其他的NMDA受体拮抗剂不同的地方在于它没有神经毒性,而且它能抑制氯胺酮一氧化二氮等拮抗剂的神经毒性,起到了保护作用。与氯胺酮和一氧化二氮不同的地方在于氙不会刺激导致伏核的多巴胺外流。与一氧化二氮和环丙烷一样,氙激活双孔结构域钾通道蛋白TREK-1。通道蛋白TASK-3也与麻醉有关,但对氙不敏感。氙抑制烟碱乙酰胆碱α4β2受体,这有助于脊髓介导镇痛。另外,氙也是细胞质Ca 2+ ATP酶的有效抑制剂。氙通过与酶当中的疏水孔结合并阻止酶向活性构象转变来抑制Ca 2+ ATP酶。

除此之外,氙还是5-羟色胺5-HT3受体的竞争性抑制剂。虽然既没有麻醉也没有抗伤害作用,但这可以减少麻醉引起的恶心和呕吐。[8-19]


氙麻醉剂用于外科手术ATP酶

 

参考文献

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  • [5]Bartlett, Neil; Lohmann, D. H. (1962). “Dioxygenyl hexafluoroplatinate (V), O+2[PtF6]“. Proceedings of the Chemical Society. London: Chemical Society (3): 115. doi:10.1039/PS9620000097.
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