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不一样的元素故事:扶不起的“錒”斗 |《自然-化学》专栏

日期: 来源:Nature Portfolio收集编辑:Nature Portfolio


本文是《自然-化学》元素故事系列的第89篇文章:活跃的锕(ā)


原文作者:戈捷·J·-P·德布隆德(Gauthier J.-P. Deblonde)和瑞贝卡·J·阿比盖尔(Rebecca J. Abergel),美国劳伦斯伯克利国家实验室

自然界中很稀少,但可人工合成。德布隆德和阿比盖尔是这样评价第89号元素的,二人还讨论了锕作为放射性诊疗用金属元素参与治疗癌症的潜在可能。

1899年,在居里夫妇发现钋和镭并造成轰动之后的一段时间里,他们的一位来自法国的科研同事安德烈-路易·德比埃尔内(André-Louis Debierne)部分分离出了另一种新元素。由于德比埃尔内从沥青铀矿残渣中提纯该新元素的过程过于模棱两可,且仅仅3年后弗里德里希·奥斯卡·吉塞尔(Friedrich Oskar Giesel)就独立分离出了这种同位素,导致发现第89号元素的荣誉几乎与德比埃尔内擦肩而过。不过,经过讨论,相比于Giesel的“emanium”,人们还是更喜欢德比埃尔内为该元素的命名——锕(actimium,源自希腊语“aktinos”,意为“光束”),虽然两个名字都寓意了该元素是活跃的阿尔法粒子放射体。


锕元素的发现虽是居里夫妇工作的延续,但其影响远低于它的邻居——首次被发现的放射性元素镭。确实,与镭疗不同,锕在当时并没有任何商业应用,而且它在自然界中非常稀有,几乎不可能从矿石中采集——即使利用现代技术也极为困难。


镭-226有长达1600年的半衰期(t1/2),而锕却仅有两种天然同位素,来自已然稀少的铀-235衰变的锕-227和钍-232缓慢衰变过程中不引人注意的产物锕-228,它们的半衰期分别为 21.8 年和6.1小时。锕本身难以捉摸的本质,再加上20世纪上半叶的两场世界大战,导致直到1947年都没有新的同位素被发现。不过,现今已确定的锕同位素已有32种,预计还存在另外60多种。


不太讨喜的是,尽管自20世纪50年代起,大量新的人造锕同位素被合成出来,但是并未出现任何长寿的锕原子,除了锕-225(t1/2 = 10 天),其余的最多也就存在几个小时就会很快衰变了。因此,对于锕元素的批量化学研究只能依靠原始的锕-227[1]。不过,粒子加速器和核反应的发展使得可以通过中子或质子辐照镭-226或钍-232标靶大量制得锕-227和锕-225。

提纯后的锕-225发出切伦科夫萤光。来源:美国能源部橡树岭国家实验室

比起发现锕元素的荣誉归属之争,更受关注且至今仍是争论热点[2]的是它在元素周期表上的位置。尽管它的名字很清楚地表明了其坐拥锕系元素之首的位置,但锕仍在许多周期表上被放在钪、钇和镧的下方。近期的观点趋向将其看作实际上拥有非规则电子构型的f-区元素,然而这样就会将目前最重的锕系元素铹推至d-区,置于钪、钇和镥之下。不管锕到底是f区还是d区元素,它的化学性质在过去几年中都再次吸引了人们的注意[3]。


研究表明,在目前仍处于发展阶段的阿尔法粒子放射性核素疗法领域中,锕的应用前景将很有可能会超过镭。如果有充分的螯合和靶向,锕-225的四重阿尔法解体所释放的巨大能量可被用来像外科手术一样攻击前列腺、乳腺和骨髓中的肿瘤。与同是考察对象却非常短命的同位素铋-213(t1/2 = 46 分钟)和砹-211(t1/2 = 7.2 小时)相比,衰变以天为计的锕-225(现在很容易就能制备)似乎是更理想的攻击肿瘤细胞的候选物。而且,其最终的衰变产物是稳定且无毒的铋-209,这相较于临床实验中其它经阿尔法衰变为稳定但有毒的铅同位素的候选材料,诸如钍-227、钍-228和铀-230等,就更具优势了。


化学家的新挑战在于怎么处理锕-225的中间产物,以及有潜在危害的反冲产物——钫-221、砹-217和钋-213。设计出能够清除锕及其阿尔法级联衰变过程中的中间产物的体内稳定载体,将为实现无副作用的高效癌症疗法带来希望。为此,人们正在尝试各种各样的策略,其中以使用纳米颗粒进行封装最具潜力,此技术将使用基于稀土元素的“纳米保险箱”,将锕-225向肿瘤传递,这样就能中和转移酶,且在病人体内不留任何痕量放射性物质[4]。最后,利用锕-225及其衰变产物的原位衰变对目标软组织进行切伦科夫萤光造影,充分显示了基于锕-225的放射性药物所具有的巨大诊疗潜力[5]。


自发现以来一直被人们忽视的锕元素,很有可能会使追求高效、安静、可追踪的癌症疗法成为现实。有关锕元素的研究跨越了多个领域,从放射性化学、核科学、粒子物理和医疗,一直到最新的纳米材料设计,这不正彰显了锕元素一直以来的活跃性吗?

参考文献:

1. Ferrier, M. G. et al. Nat. Commun. 7, 12312 (2016).

2. Castelvecchi, D. Nature http://doi.org/bq8s (2015).

3. Miederer, M., Scheinberg, D. A. & McDevitt, M. R. Adv. Drug Deliv. Rev. 60, 1371–1382 (2008).

4. McLaughlin, M. F. et al. PLOS One 8, e54531 (2013).

5. Pandya, D. N. et al. Theranostics 6, 698–709 (2016).


原文以Active actinium为标题发表在 2016年10月21日的《自然-化学》的In your element上

© nature

nchem | doi: 10.1038/nchem.2653

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