[科普中國]-重氧水

基本信息

中文名稱：重氧水1

中文別名：氧18水;氧十八水

英文名稱：Heavy-oxygen water

英文別名：Water-18O (normalized); Water-18O; Oxygen 18 water; Oxygen 18 Enriched Water; (~18~O)water

CAS號：14314-42-2

分子量：20.015

純度：≥97%

豐度：1～99at%

物化性質(zhì)天然豐度的氫和100%18O的化合物。分子量20.01496。沸點100.13℃，熔點0.28℃。25℃密度1.10935g/cm3，最大密度1.11253g/cm3時的溫度為4.305℃。無色無臭、無味液體。一些物理性質(zhì)與普通水略有差異。用水精餾、 NO低溫精餾和氧低溫精餾等方法制取。

用途說明主要應(yīng)用于化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)等科研領(lǐng)域作示蹤劑。亦可和同位素純的H216O配制人工校正樣品。

重氧水作為示蹤劑在核醫(yī)學(xué)成像、生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測以及化學(xué)反應(yīng)機(jī)理研究等領(lǐng)域具有重要的用途。例如:在核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域,重氧水主要用于制備正電子顯像藥物SF一FDG,,該藥物是正電子發(fā)射計算機(jī)斷層顯像(POSitron EmiSSI On computedTomograPhy,PET)技術(shù)的必需品,SF一FDG的合成過程是利用醫(yī)用回旋加速器轟擊重氧水中的氧一18獲得氟一18離子,再與非放射性原料經(jīng)過親核取代反應(yīng)制得。

制備裝備與方法目前,重氧水主要通過H2和02在貴金屬催化劑的作用下發(fā)生氧化還原反應(yīng)制取。其中,02是通過電解雙標(biāo)水(D2O)產(chǎn)生，而D2O是由天然水精餾所得。專利eNloo342955e和CN101618857B披露了一種以天然水為原料經(jīng)精餾、電解及催化反應(yīng)得到重氧水,其主要特征是使用鉑金絲網(wǎng)或把觸媒等貴金屬催化劑。

一種以H2和1802為原料制備重氧水的裝置和方法

具體是指一種使H2和1802的混合氣在無催化劑的條件下經(jīng)等離子體自由基反應(yīng)制備H2180(重氧水)的裝置和方法。裝置由等離子體反應(yīng)器、氣體流量控制、等離子體電源、冷卻水循環(huán)裝置和檢測尾氣組成的氣相色譜儀五部分構(gòu)成。其中,由石英和硬質(zhì)玻璃等材料加工而成的等離子體反應(yīng)器是該裝置的核心。用18O2濃度為1一5mol%的H2一1802混合氣為原料可直接得到重氧水，裝置簡單,易于操作,所得的重氧水不含有其它雜質(zhì)，可直接利用。

一種以H2和1802為原料制備重氧水的裝置,包括等離子體反應(yīng)器、氣體流量控制、等離子體電源、冷卻水循環(huán)裝置和檢測尾氣組成的氣相色譜儀;其特征在于,等離子體反應(yīng)器由三部分組成，分別是放電反應(yīng)管、冷凝管及重氧水收集罐；

放電反應(yīng)管為管式套筒結(jié)構(gòu)，主體是由外徑8一15mm的石英玻璃管加工而成，中心電極采用外徑為2一4mm的金屬棒,接地電極采用與石英玻璃管緊貼的金屬套管;冷凝管是由硬質(zhì)玻璃加工而成,內(nèi)管采用螺旋形結(jié)構(gòu)以增大反應(yīng)氣體與冷卻循環(huán)水接觸面積,螺旋管外部由玻璃套管包圍,并充滿冷卻循環(huán)水，冷凝管下部有冷卻循環(huán)水入口,上部有冷卻循環(huán)水出口；

重氧水收集罐也是由硬質(zhì)玻璃加工而成,在收集罐下端有取樣口,并由取樣閥門控制,在收集罐上端有尾氣出口；

氣體流量控制采用質(zhì)量流量計分別控制H2和1802的流量,再經(jīng)混合器混合均勻進(jìn)入等離子體反應(yīng)器；

等離子體電源采用交流高壓電源，高壓線與反應(yīng)器中心的金屬高壓電極相連,接地線與反應(yīng)器外部的金屬接地極相連,通過調(diào)節(jié)電壓來控制反應(yīng)器中的放電功率；

冷卻水循環(huán)裝置采用低溫冷卻循環(huán)泵控制冷卻水的溫度和流量；

檢測尾氣組成的氣相色譜儀采用5A分子篩柱,以檢測1802是否反應(yīng)完全。

利用重氧水合成同位素標(biāo)記化合物的方法同位素標(biāo)記化合物可以在對反應(yīng)機(jī)理等方面的研究中起重要的作用,為了了解反應(yīng)中特定的化學(xué)鍵的斷裂、形成等情況,可以使用在特定的位置標(biāo)記的化合物。對其合成的研究也廣泛開展2。

在自然界中存在的氧以O(shè)-16為主,也含有穩(wěn)定的同位素O-18。對天然產(chǎn)物的同位素氧進(jìn)行富集,可得到富含O-18的產(chǎn)物,通常情況下,以重氧水H182O的形式儲存。制備O-18標(biāo)記的有機(jī)化合物,可以重氧水為原料引進(jìn)O-18。

對大多數(shù)同位素而言,同位素取代的化合物,在熱力學(xué)及動力學(xué)性質(zhì)上與天然產(chǎn)物并無大的差別。穩(wěn)定同位素取代的化合物的合成,可以遵循與天然成分化合物相同的原則和方法，但仍須注意到其特點。由于標(biāo)記化合物的價格比較昂貴，必須注意節(jié)約原料,選用合適的制備反應(yīng)及操作方法。在普通合成過程中，為了推動某些水解反應(yīng)的平衡移動,提高產(chǎn)量,常加入過量的水,或以水為溶劑。而制備標(biāo)記化合物時,就不能采取這種方法,而應(yīng)選用易于進(jìn)行的水解反應(yīng)。

在合成同位素O-18標(biāo)記化合物時，經(jīng)常利用的水解反應(yīng)是腈、原酸的三酰鹵和三酯、亞胺等的水解反應(yīng)。有時,利用同位素交換反應(yīng)也可得到較好的效果。

我國首套重氧水裝置投產(chǎn)我國首套 100 千克/年重氧水(氧-18)生產(chǎn)裝置已在上海金山產(chǎn)業(yè)化基地完成土建工程。該裝置主要由一系列高效分離塔構(gòu)成，于 2007 年 3 月投產(chǎn)，將填補(bǔ)我國重氧水產(chǎn)業(yè)化的空白，并徹底結(jié)束該產(chǎn)品全部依賴進(jìn)口的歷史3。

重氧水是一種高附加值的產(chǎn)品，可廣泛應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、生命科學(xué)、醫(yī)藥研究、核醫(yī)學(xué)等高端研究領(lǐng)域。據(jù)介紹，重氧水的生產(chǎn)是以天然水為原料，通常天然水中含有 0.2%的重氧水，但要將這含量極微的重氧水提取出來，必需有高效的分離技術(shù)與設(shè)備，技術(shù)難度極大，過去世界上只有美國、俄羅斯、以色列 3 個國家可以生產(chǎn)此類產(chǎn)品。

該套重氧水裝置的生產(chǎn)技術(shù)來自上?；ぱ芯吭?。上?；ぱ芯吭簭?2002 年開始從事天然水中氧-18 的分離，經(jīng)過 3 年多的研制，生產(chǎn)出了含量為 98%左右的高純度重氧水。經(jīng)臨床試用證明，產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國際標(biāo)準(zhǔn)，完全可替代國外進(jìn)口產(chǎn)品，且生產(chǎn)成本低于國外同類產(chǎn)品。

在國際市場上，每克重氧水的售價是 90～120 美元，國內(nèi)市場售價在 1000 元/克以上。目前全球?qū)Ω呒兌戎匮跛目傂枨罅考s為 600 千克/年，并以年均 20%～30%的速度遞增；我國目前年需求量約為 10 千克，預(yù)計到 2010 年前國內(nèi)需求量將超過 50 千克。因此，100 千克/年裝置投產(chǎn)后，我國將有一大部分產(chǎn)品出口到國際市場。