元素

64 钆 磁共振成像对比剂的元素

钆元素是一种用途广泛的稀土元素,钆的顺磁性螯合物可以用来作为磁共振成像的对比剂。利用其磁热效应,可以制造磁制冷器。钆还因其中子吸收截面大的特性被用作核反应堆的控制棒。在很多领域都能发现钆元素的踪迹。

 

钆的基本物理性质

分类 第ⅢB族▪金属(镧系元素)
原子序号原子量 64(157.25)
电子配置 4f75d16s2
密度 7.901g/cm
熔点 1311°C
沸点 3233°C
形状 银白色金属
丰度 7.7ppm(地壳)
发现者 Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran
主要的同位素 152Gd, 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd, 160Gd
用途例 磁共振成像对比剂、磁光薄膜基片、磁热制冷器
前后的元素 铕-钆-铽

钆的发现

1751年,瑞典矿物学家Axel Fredrik CronstedtBastnäs的矿山发现了一种矿物,这种矿物后来命名为Cerite。三十年后,15岁的Vilhelm HisingerCerite矿山所有者的儿子,将Cerite的样品寄给了Carl Scheele这位著名的瑞典化学家进行分析,但是Scheele并没有在在这种矿物中找到任何新元素。

1803年,在Hisinger成为铁匠后,他与JönsJacobBerzelius一起重新研究了Cerite矿,在从这种矿物中并分离出了一种新的氧化物,他们用两年前发现的矮行星Ceres的名字将这种氧化物命名为二氧化铈。 二氧化铈同时也被德国 Martin Heinrich Klaproth分离了出来。在1839-1843年,瑞典化学家 Carl Gustaf Mosander证明氧化铈是多种氧化物的混合物,这意味着该混合物中可能还含有未知的新元素。后来他成功的从这个混合物体系中分离出了镧和didymium(镨钕混合物)。

Charles Galissard de Marignac怀疑CarlGustaf Mosander报告中的didymium并不是一种新的元素而是混合物。而他的这个推测也被Marc Delafontaine和Paul-Emile Lecoq de Boisbaudran确认了,他们发现didymium的光谱线会因为来源不同而不同。1880年,Charles Galissard de Marignac声称从didymium中发现了两种新元素,他将它们分别命名为gamma alpha和gamma beta。1886年Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran制得了纯净的gamma alpha,并确定它为一种新元素,他以芬兰矿物学家加多林(J.Gadonlin)的名字给这个新元素命名为Gadolinium,符号为Gd。后来,Paul-Émile Lecoq de Boisbaudran证实gamma beta是钐元素。[1-2]


金属钆

 

磁共振成像对比剂

磁共振成像(MRI)是利用核磁共振(nuclear magnetic resonance)原理,依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减,通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波,即可得知构成这一物体原子核的位置和种类,据此可以绘制成物体内部的结构图像。将这种技术用于人体内部结构的成像,就产生出一种革命性的医学诊断工具。人体中各种组织间含水比例不同,含氢核数也不同,所以NMR信号强度会有差异,利用这种差异作为特征量,就可以把各种组织分开,这就是氢核密度的核磁共振图像。快速变化的梯度磁场的应用,大大加快了核磁共振成像的速度,使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实,极大地推动了医学和神经科学的迅速发展。

在进行磁共振成像时有时也会需要使用一些对比剂,使得病变组织更容易被诊断或识别。目前使用最广泛的就是顺磁性钆螯合物。与传统的钆对比剂相比,它具有靶向性、半衰期较长、弛豫效能高的优点,并且毒副作用相对较弱。20世纪70年代末,二乙三胺五乙酸合钆(Gd-DTPA)在经历了大量的动物实验后逐步应用于临床。1987年,经历了大量临床试验研究后的Gd-DTPA被FDA正式批准用于临床诊断。钆螯合物可以作为磁共振成像对比剂主要是利用钆周围的水受到钆原子核磁场力矩的影响,显示出和没有受到影响的水性质不同这一点,可以使画面对比更为明显,这有利于病情的诊断。

磁共振成像对比剂在使用时通常通过静脉注射进入人体,而游离的钆具有很强的毒性,因此必须使用其螯合物,而且必须小剂量使用避免引起体液渗透压变化过大。目前研发新的钆磁共振造影剂主要是向两个目标进发:1、更低的毒性;2更高的临床效率。[3-4]

磁共振成像MRI

 

钆镓石榴石

在光通讯设备中,需大量使用1.3μ及1.5μ的光隔离器,其核心部件为置于磁场中的YIG或BIG薄膜。钆镓石榴石也是制作微波隔离器的最佳基片材料[10-11]

钆镓石榴石(Gd3Ga5O12, GGG)是一种性能优良的激光晶体,它被广泛应用于固体激光器中。在大功率激光二极管泵浦技术及其支撑技术取得重大突破后,固体激光器正在由中小功率向大功率快速发展的今天,钆镓石榴石晶体已经成为了大功率激光器的首选晶体。钆镓石榴石在掺入稀土激活离子后其光学性质可以进一步改善,对应不同的激活离子,钆镓石榴石可发出不同波长的激光,这使得它在高功率固态激光器中备受重视。

磁光单晶薄膜(YIG)是目前已商业化的光纤光隔离器中法拉第旋转部件的核心材料,而且它也是广泛应用于光波导、集成光学等领域中的重要材料。YIG以及类YIG磁光薄膜已经变为现代激光与光纤通讯领域中必不可少的单晶薄膜材料之一。钆镓石榴石是用于磁光薄膜的专用基片。不同切向的钆镓石榴石单晶基片可以做到与这类磁光材料晶格的最佳匹配,从而保证YIG、BIG薄膜成功的外延生长。钆镓石榴石良好的物理、机械性能和化学稳定性也保证了薄膜制备过程中对基片的各项要求。[5-7]

掺镱钆镓石榴石

 

钆的其他应用

钆在核工业领域也具有重要用途,利用钆同位素中子吸收截面大的特性,可以将钆制轻水堆和快中子增值堆的控制棒和中子吸收剂。通过调节控制棒的高度,就可以控制留在反应堆中中子的数目,从而控制电厂的正常运行。而且155Gd和157Gd是所有元素天然同位素中热中子吸收截面最大的,很少量的钆就可以控制反应堆的正常运行。

此外,钆在室温下还有很强的磁热效应。这意味着用钆制成的器件的温度会随着磁场强度的变化而变化。Gd5(SixGe1-x)4就有很强的磁热效应以及很高的居里温度。利用钆的磁热效应,可以制造小型高效的制冷器。

除此之外,氧化钆还可用于制造电容器、x射线增感屏,当它与镧一起使用时,可以提高玻璃的热稳定性。[1,8-9]

钆反应堆控制棒 钆磁热制冷器

 

参考文献

  • [1]Greenwood, Norman N.; Earnshaw, Alan (1997). Chemistry of the Elements (2nd ed.). Butterworth-Heinemann. ISBN 0-08-037941-9.
  • [2] “Gadolinium”. Neutron News. 3 (3): 29. 1992. Retrieved 2009-06-06.
  • [3]李晓晶, 冯江华, 李欣宇,等. 钆-二乙三胺五乙酸与牛血清白蛋白作用的核磁共振研究[J]. 分析化学, 2000, 10(3):269-272.
  • [4]冯志明,马俊钆螯合物磁共振成像对比剂的研究进展国际生物医学工程杂志 2006 Vol 29
  • [5]KazouShiraishi.Fiber embedded Micro Faraday Rotator for the Infrared, Applied Optics, 1995, 24 (7) :951-953
  • [6]WangCL, ChenSTsai. Integrated Magnetooptic Bragg Cell Modulatorin Yttrium Iron Garnet Gadolinium Gallioum Garnet Taper Waveguideand Applications Journal of Lightwave technology, 1997(9): 7908-1715
  • [7]李涛,徐军,大尺寸光通讯磁光薄膜衬底钆镓石榴石 (Gd3Ga5O12) 单晶的生长研究,人工晶体学报 2001(12)
  • [8]Lide, D. R., ed. (2005). CRC Handbook of Chemistry and Physics (86th ed.). Boca Raton (FL): CRC Press. p. 4.122. ISBN 0-8493-0486-5.
  • [9]Gschneidner, K.; Pecharsky, V.; Tsokol, A. (2005). “Recent Developments in Magnetocaloric Materials”Reports on Progress in Physics68 (6): 1479. Bibcode:2005RPPh…68.1479Gdoi:10.1088/0034-4885/68/6/R04. Archived from the original on 2014-11-09.

 

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