不一样的元素故事:真“砹”难寻|《自然-化学》专栏

栏目:简历 来源:金融头条网 时间:2019-06-03

本文是《自然-化学》元素故事系列的第35篇文章:神秘的砹


原文作者:D. Scott Wilbur,美国华盛顿大学放射肿瘤学系

D. Scott Wilbur指出了研究不稳定元素砹的困难。他也同时指出,为了更好地发展靶向放射治疗药物,我们需要了解砹的基本化学性质。

自从70多年前人们发现砹以来,它的许多性质仍难以捉摸。与自然界中随处可见的其它高储量卤族元素不同的是,砹是最稀有的元素之一。这是因为它没有稳定的同位素,它的32种已知放射性同位素中寿命最长的砹-210的半衰期也只有8.1个小时。


第85号元素的稀有和放射性使我们无法对其进行传统意义上的观察或是称量,这也使它更加神秘莫测。我们甚至不知道它是什么颜色的。根据卤族元素从氟到碘颜色依次加深的规律来说,黑色似乎是一个很合理的猜测。


这种放射性元素的稀有性也反映在它的名字中。砹的名字来源于希腊语αστατοϚ (astatos),意为“不稳定的”。自然界中仅有的砹是由地壳中的重放射性元素衰变而来。无论何时,天然砹的总含量大约在数百毫克到三十克之间。


总之,天然的砹同位素太不稳定,难以获得更难以对其表征。幸好,两种半衰期最长的砹同位素——砹-210和砹-211(半衰期7.21小时)可以通过α粒子束辐照铋-209得到(如图,铝基底上的砹)

来源:© DON HAMLIN

尽管如此,这些寿命更长的同位素也只能被少量生产。这一点,再加上它们短暂的半衰期和高昂的生产成本,都极大地限制了对砹的研究。人工同位素砹-211由于其在医学上的应用潜力已成为化学研究的焦点。另一寿命较长的同位素砹-210由于会衰变成有放射毒性的钋-210,导致其不适于医用。2006年,俄罗斯联邦安全局的特工Alexander Litvinenko在英国获得政治庇护之后,就是死于臭名昭著的钋-210。


虽然砹同位素的一些化学数据已被收集起来,但它的许多物理性质仍然只是推测。与其它卤素类似,砹可以进行亲核和亲电反应。然而,有些砹反应的可重复性确实很不稳定。这可能部分由于反应使用的砹的量太少,使得反应概率被极大地稀释了。


用于化学和放射性标记反应的砹-211使用量在37千贝克到4吉贝克之间,这大概只相当于约4.8 × 10–135.2 × 10–8 克;实际上砹的用量很少会达到这里的上限值,因为过高的成本以及被标记的分子存在可能被辐射损伤的风险。对于大部分反应来说,砹-211的用量一般在10–13–10–9 克之间,这可能比溶剂中的微量有机物和金属还要少。因此,这些杂质会干扰作为研究对象的砹反应,甚至可能催化预料之外的反应。


上文提到的砹-211在医学方面的研究兴趣来源于其在癌症靶向治疗中的潜力。它是仅有的几个人们认为适用于医药应用的能够释放α粒子束的放射性同位素之一,因为其它的大部分放射性同位素会对内脏造成严重损伤。它的短路径长度(60~90微米)和高能α粒子(6.0~7.5兆电子伏特)能够非常有效地杀死与载体靶向制剂结合的细胞。


然而,在人体内,砹与芳香族碳键之间的低稳定性阻碍了它的实际应用。含有更稳定的芳香砹-硼键的标记试剂的开发使这一情况有所改善,对于砹与其他元素间成键情况的研究评估可能可以进一步解决这个砹键稳定性不足的问题。


为了确定砹在体内的稳定性,同样的癌细胞靶向分子可以被砹-211和稳定的放射性碘(碘-125,碘-123或者碘-131)分别标记,之后这些分子会被同时注入体内。砹-211在不同组织中的浓度(肺、脾、胃和甲状腺一般含量更高)表明它是否被标记分子在此组织释放。


一些研究结果显示,胃和甲状腺(颈部)检出的砹-211和碘-125浓度较低,表明这两种放射性同位素在体内的脱卤反应过程中都比较稳定。然而,即使是在这些研究中,这两种放射性元素在像肾和肝这样的器官中检出的浓度都有很大的差别。这可能是由于含放射性碘和放射性砹的分子经历的新陈代谢过程有差异,或者是因为含放射性碘的代谢物被优先清除了。


不幸的是,在探索治疗癌症和其它疾病的靶向疗法的过程中,关于砹-211的许多基础化学研究都被搁置。尽管它的一些物理性质仍无法被直接表征,但是很显然,我们需要更深入地了解砹的基本化学性质和辐射化学性质,以便能够揭开砹的神秘面纱。


原文以Enigmatic astatine为标题

发布在2013年2月20日的《自然-化学》In Your Element上

nchem|doi:10.1038/nchem.1580

点击“阅读原文”阅读英文原文


 

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