核磁共振的造影剂--稀土钆

稀土元素于新能源、新材料等高科技发展不可或缺，在航天航空、国防军工等领域尤其具有广泛的应用价值。现代战争结果表明，稀土武器主导战局，稀土技术优势代表着军事技术优势，拥有资源则有保障。因此，稀土也成为世界各大经济体争夺的战略资源，稀土等关键原材料战略往往上升至国家战略。欧日美等国家地区针对稀土等关键材料更为重视，2008年，稀土材料被美国能源部列为“关键材料战略”；2010年初，欧盟宣布建立稀土战略储备；2007年日本文部科学省、经产省就已经提出了“元素战略计划”，“稀有金属替代材料”计划，他们在资源储备、技术进步、资源获取、替代材料寻求等方面采取了持续的措施和政策。从这篇开始，小编将分别详细的为大家介绍一下这些稀土元素的重要甚至可以说是不可或缺的历史发展使命和作用。

钆是以芬兰化学家Johan Gadolin的名字而命名的。Gadolin在芬兰长期担任化学家。他在1787年瑞典Ytterby镇附近发现一种不寻常的黑石头，他也是第一个研究这个石头的人。这块石头是一个非常重要的发现。化学家工作了将近一个世纪才将其混合物分离，并判断它们是什么元素。至此所有的十五中稀土元素在这两块瑞典岩石中发现，其中一个就是钆。

钆是一种脆性的银白色稀土金属，柔软，延展，韧性好。与其他稀土金属不同，它在干燥空气中是稳定的，但暴露于潮湿空气时会形成白色氧化物。本质上钆的出现只是氧化形式。当分离时，通常会含有其他稀土元素的杂质。 钆的熔点为1312℃（2,394°F），沸点约为3000℃（5,400°F）；密度为7.87克/立方厘米。已知它有27个同位素，158Gd是最常见的同位素。它具有中等毒性的，但它仍然可用于使用钆螯合物的MRI和MRA等医疗手术。在室温下，它是顺磁性的，但是当冷却到低于室温时，它变成铁磁性的（并因此与磁体相互作用）。

钆具有优异的超导的性能。当含有少至1％的钆时，铁和铬的电阻和可加工性可得到极大的改善。硫酸钆由于其低噪声特性，展示其在复制放大器上的应用潜力。

钆元素是1880年首先由Jean Charles de Marignacac发现的。那时候他用光谱法检测出钆的氧化物形态，但是钆是以芬兰化学家Johan Gadolin的名字而命名的。钆在大自然中很少见。我们可以在一些矿物中，如钆石，巴斯特纳斯矿，独居石，堇青石，发现这个元素。地球表面的钆丰度为4.5〜6.5ppm。

钆作为地球上最稀有的化学元素之一，在稀有化学元素稀有级别中，钆位于溴和铀元素之上，但位于铅和硼元素之下。 在商业用途中，钆通常通过离子交换和溶剂萃取过程进行分离。

此外，还可以通过无水氟化钆与金属钙的还原过程来实现钆的生产。 由于这种情况，钆在日常生活中的使用并没有像其他金属化学元素一样多。 但是，仍然可以在一些重要的领域看到钆元素的应用。

核工业

钆在核工业中扮演重要角色，钆元素可用于控制核电站中的棒。在核电厂，利用核裂变过程所产生的能量来生产电力。核裂变本身是核原子，大原子，通常是铀或钚元素，分解然后释放一定量的能量。 将存在从该裂变反应产生的残余原子。这些原子是具有较小尺寸和放射性的裂变产物。这种裂变反应也产生中子。核电厂运行周期应控制裂变产生的中子数。控制系统将确保电厂正常工作，没有任何损害风险。在这个核电厂，他们使用由钆元素制成的特殊棒来控制中子的生产。控制棒通过升高和降低到核反应堆中运行，并控制保留在裂变反应中的中子数。除了作为控制棒的功能外，钆也可以用作核反应堆中的关闭措施。他们使用钆作为某些核反应堆的次要和紧急关闭测量系统，特别是在CANDU（CANADA氘铀）核反应堆型。 核工业中的另一种钆用途是在核海洋推进系统中的可燃毒物。

七十年代初以来，人们普遍对Gd(钆)发生了兴趣。因为155Gd和157Gd是具有最大热中子吸收截面的天然同位素，加进少量的钆便可以满足反应性控制要求；Gd的子体同位素热吸收截面很低，在活性区寿期末了时又能保证Gd基本烧尽，不留残余；Gd2O3在UO2中有着较宽的固溶度，极易加入到UO2燃料中，而且Gd吸收中子后不会产生原来UO2中所没有的寄生元素，给后处理带来方便。故目前世界上几乎所有的沸水堆都选用Gd作可燃毒物，而且在压水堆里也获得了成功的运行经验。

医疗应用

钆实际上在医疗领域还有一些其他用途，如检测疾病和医疗工具中的化学药剂。该化学元素可用于确定内耳中的肿瘤。这种方法通常在中子治疗中进行。这种钆元素将被注入人血液中，然后它将通过可能存在于内耳中的任何肿瘤。在X射线检查中，钆检测显示的暗区极可能有肿瘤。

钆也用于X射线和MRI等医学成像系统。 在X射线中，您可以看到荧光检测中含有钆元素。在这种情况下，钆掺杂的Gd2O2S：Tb的氧硫化钆，将在光源放出的X射线转换成光时起重要作用。 钆能够发射高达540纳米的绿光，伴随着Tb3 +离子的存在。这种材料对于提高医疗检测工具中的图像质量非常有用。氧化原硅酸钆（Gd2SiO5）用作闪烁体，用于检测正电子发射断层扫描中的中子，也是医学成像方法之一。

在MRI（磁共振成像）应用中，由于其磁特性，钆被用作静脉内注射剂。钆在室温下作为顺磁元件， 像磁钆这样的顺磁元件对于提高MRI应用中重要的核弛豫率是非常有用的。作为静脉注射剂，钆具有提高MRI或MRA（磁共振血管造影）中产生的图像质量的能力。 注射到体内后，钆剂会积聚在人体和身体的异常组织中。 这将在正常和异常组织之间产生更好的图像对比度。 因此，我们更容易找出人体异常增长。

磁共振成像作为一种有效的非侵入性的成像技术，具有较高的分辨率，在一定程度上可以显示生理学和解剖学细节，且没有电离辐射。但是磁共振成像的分辨率在某些情况下还不能满足临床需要，所以在某些磁共振检查中需要使用磁共振造影剂以达到增强造影的目的。据文献报道大约30%的磁共振检查需要使用造影剂。钆鳌合物是临床上常用的一种磁共振造影剂。传统的钆造影剂缺乏靶向性、半衰期较短、弛豫效能较低且大量使用可导致毒副作用等。目前，己有较多文献报道将钆造影剂制备成纳米制剂后可以使其具有靶向性，延长血中滞留时间，提高弛豫效能，减少总剂量从而降低毒副作用等。钆造影剂纳米制剂主要包括:脂质体、树形分子、胶束、纳米粒、碳纳米管和富勒烯等。

用于微波应用

另一种钆的常见的应用试用来制造钆钇石榴石（Gd：Y3Al5O12）的材料。这个材料是在微波设备中应用的钆合金。该钆合金通过混合和熔化两种或更多种金属元素而制成。该混合物的产品将具有与之前的各种金属形式不同的特性。钆钇石榴石用于微波炉等微波炉。 它也可用于制造许多光学元件。 该合金也是用于磁光膜的良好的基材。

用于电视管

钆也可用作彩色电视管中的绿色荧光体。荧光体本身是如果用电子撞击会发光的材料。由磷光体发射的颜色将取决于形成磷光体的元素。

用于氧化工艺

钆还可以用于铁和铬的合金种。含钆的合金对较高的温度和氧化过程具有更好的耐受性。如前所述，钆具有独特的冶金性能，其小浓度可以增加某些合金的电阻。从研究中我们知道，即使是1％的钆可以提高铁，铬和某些合金在较高温度和氧化过程中的性能和阻力。

用于磁性制冷

由于其特殊性质，钆在磁性制冷应用中具有广泛的应用前景。 钆在室温下具有强磁热效应。 这意味着该元件的温度会随着磁场面积的增加而增加，并且随着磁场面积的减小而降低。众所周知，具有硅和锗元素Gd5（SixGe1-x）4的钆合金具有很高的居里温度和较高的磁热效应水平。

钆具有显着的磁热性质。当其进入磁场时，温度升高，离开时降低。这一特性使其适用于室温磁力制冷领域。作为磁制冷技术的心脏，磁制冷材料的性能直接影响到磁制冷的功率和效率等性能，因而性能优异的磁制冷材料的研究激发了人们极大的兴趣。磁制冷材料根据应用温度范围可大体分为三个温区，即极低温温区(20K以下)、低温温区(20-77K)及高温温区(77 K以上)。

  (1) 20K以下的磁制冷材料:主要研究了Gd3Ga5O12， Dy3Al5O12:以及Y2（SO4）3等。

  (2) 20- 77K温区的磁制冷材料:近年来，非常细致地研究了RNiAl ,

(GdxEr1-x)NiAl及((Dy1-xErx)A12等系列成分。

  (3) 77K以上温区的磁制冷材料

其中稀土金属Gd是其中的典型代表，其4f层有7个未成对电子，居里温度(Tc=293K)恰好在室温区间，且具有较大的磁热效应。人们主要对金属Gd及其化合物做了大量深入的研究。

目前一种新型磁制冷材料Gd5Si2Ge:已被开发出来，它的优点是磁热效应大，使用温度可以达到290K。2002年美国Ames实验室的科研人员研制出了世界上第一台能在室温下工作的磁冰箱。近期又与美国通用公司开发汽车磁制冷空调，磁体磁场强度1.5T，最大输入功率273 W，最大制冷量达到1100W，冷端温度15.5℃，热端温度35℃，制冷系数4.10。2003年日本又开发了一台旋转式室温磁制冷样机，制冷量比2002年提高了1.5倍。我国在磁制冷材料方面的研究起步较晚，目前，中科院物理所在LaFe系及其加氢合金方面、四川大学在GdSiGeSn合金方面、南京大学在LaCaNaMnO等化合物方面都取得了好的结果，已开发出样机，但总体上与美国和口本相比还有很大差距。到2010年我国将禁止生产和使用氟里昂等氟氯碳和氢氟氯碳类化合物。因此，钆制冷剂等到了极大的发展。目前正在进行研究以获得更多关于用于磁性制冷应用的钆用途的数据，特别是在室温磁性制冷中。

虽然钆的应用不是很广泛，但是目前其在核工业和医疗领域的应用还是无可取代的。