فلز گادولینیوم چیست؟ عنصری با خواص منحصر به فرد

گادولینیوم یک فلز خاکی کمیاب است که کاربردهای مختلفی در علم، فناوری و پزشکی دارد. در این مقاله تاریخچه، خواص، تولید و اثرات زیست محیطی گادولینیوم را بررسی خواهیم کرد. همچنین در مورد اهمیت و استفاده از گادولینیوم در ایران و همچنین ملاحظات ایمنی، عوارض جانبی و خطرات تزریق و استفاده پزشکی گادولینیوم بحث خواهیم کرد. بعد از مطالعه این مقاله، درک بهتری از اهمیت گادولینیوم خواهید داشت.

گادولینیوم چیست؟

گادولینیوم (به انگلیسی Gadolinium) یک عنصر شیمیایی با نماد Gd بوده و عدد اتمی گادولینیوم 64 است که از گروه فلزات کمیاب خاکی است که عناصری با خواص شیمیایی و فیزیکی مشابه هستند. جرم اتمی گادولینیوم 03/0 ± 25/157 است، به این معنی که میانگین جرم یک اتم گادولینیوم حدود 25/157 واحد جرم اتمی (amu) است. چگالی گادولینیم در دما و فشار اتاق 7.90 گرم بر سانتی متر مکعب (g/cm3) است که به این معنی است که یک سانتی متر مکعب گادولینیوم حدود 7.90 گرم وزن دارد.

نقطه ذوب و جوش گادولینیم

گادولینیوم به دلیل داشتن نیروهای بین مولکولی قوی دارای نقطه ذوب و جوش بالایی است. نقطه ذوب گادولینیوم 1313 درجه سانتیگراد است، به این معنی که گادولینیوم در این دما از حالت جامد به مایع تبدیل می‌شود. نقطه جوش گادولینیوم 3273 درجه سانتیگراد است، به این معنی که گادولینیوم در این دما از مایع به گاز تبدیل می‌شود. این دماها در فشار اتمسفر استاندارد 101.325 کیلو پاسکال اندازه گیری شده اند.

گادولینیوم در جدول تناوبی

عنصر گادولینیم هشتمین عضو از سری لانتانیدها است که عناصری با اعداد اتمی از 57 تا 71 هستند. لانتانیدها به عنوان فلزات واسطه داخلی نیز شناخته می‌شوند، زیرا آنها تا حدی اوربیتال‌های f را در پیکربندی الکترونی خود پر کرده‌اند. این عنصر در جدول تناوبی بین عناصر یوروپیوم در سمت چپ و تربیوم در سمت راست و بالای اکتینید کوریم ظاهر می‌شود. گادولینیوم متعلق به دوره 6 است که ششمین ردیف جدول تناوبی است و به بلوک f تعلق دارد که بلوک عناصر با اوربیتال‌های f به عنوان بیرونی ترین لایه فرعی آنهاست. گادولینیوم شماره گروه خاصی ندارد زیرا بخشی از هیچ یک از گروه‌ها یا ستون‌های اصلی جدول تناوبی نیست.

ترکیبات گادولینیوم

گادولینیوم می‌تواند با عناصر مختلف مانند اکسیژن، نیتروژن، کربن، گوگرد، فسفر، بور، سلنیوم، سیلیکون و آرسنیک ترکیباتی را تشکیل دهد. این ترکیبات می‌توانند انواع مختلفی از پیوندها و ساختارهای شیمیایی مانند یونی، کووالانسی یا فلزی داشته باشند. برخی از انواع رایج ترکیبات آن عبارتند از گادولینیوم اکسید، هالید، سولفید، نیترید، کاربید، فسفید، بورید، سلنید و سیلیسید. ترکیبات گادولینیوم را می‌توان بر اساس ساختار شیمیایی نیز به دو گروه تقسیم کرد: ترکیبات خطی یا با زنجیره باز و ترکیبات ماکروسیکلیک یا قفس مانند. ترکیبات خطی دارای لیگاندهایی هستند که مانند یک مار در اطراف یون‌های گادولینیوم می‌پیچند اما ترکیبات ماکروسیکلیک لیگاندهایی دارند که تقریباً مانند یک قفس یون‌های گادولینیوم را کاملاً محصور می‌کنند.

خصوصیات ترکیبات گادولینیم

ترکیبات گادولینیم بسته به ترکیب و ساختارشان خواص فیزیکی، شیمیایی، مغناطیسی و نوری مختلفی از خود نشان می‌دهند. برخی از خواص و خصوصیات کلی ترکیبات گادولینیوم به شرح زیر است:

ترکیبات گادولینیوم معمولاً جامدات سفید یا بی رنگ در دما و فشار اتاق هستند. اما برخی از آنها به دلیل وجود ناخالصی‌ها یا مواد ناخالص می‌توانند رنگ‌های متفاوتی داشته باشند. این ترکیبات عمدتاً در آب نامحلول اما در اسیدها محلول هستند. آنها همچنین می‌توانند با آب و اکسیژن واکنش داده و هیدروکسید و اکسید تشکیل دهند.

این ترکیبات به دلیل نیروهای بین مولکولی قوی دارای نقطه ذوب و جوش بالایی هستند و به دلیل ساختار بلوری فشرده، چگالی و سختی بالایی دارند. این ترکیبات دارای رسانایی الکتریکی کم بوده اما به دلیل ماهیت فلزی رسانایی حرارتی بالایی هستند. آنها همچنین به دلیل جرم اتمی بزرگ خود دارای گرمای ویژه و ظرفیت گرمایی بالایی هستند.

ترکیبات گادولینیم به دلیل وجود الکترون‌های جفت نشده در یون‌های گادولینیوم خواص مغناطیسی قابل توجهی دارند. آنها بسته به دما و میدان مغناطیسی خارجی خود می‌توانند خصوصیات فرومغناطیس، پارامغناطیس، ضد فرومغناطیس یا دیامغناطیس را از خود نشان دهند. این ترکیبات به دلیل انتقال الکترون‌ها بین اوربیتال‌های f گادولینیوم یون دارای خواص نوری منحصر به فردی هستند. آنها می‌توانند نور را در نواحی مرئی و نزدیک به فروسرخ طیف الکترومغناطیسی جذب یا ساطع کنند.

ماده حاجب گادولینیوم چیست؟

گادولینیوم فلزی دارای خواص مغناطیسی قوی است که آن را برای افزایش کیفیت و وضوح اسکن‌های تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) مفید می‌کند. گادولینیوم به عنوان ماده حاجب استفاده می‌شود، ماده ای که قبل یا در طول اسکن MRI به جریان خون بیمار تزریق می‌شود تا کنتراست بین بافت‌های مختلف بدن افزایش یابد. گادولینیوم در ام ار ای می‌تواند به تشخیص بیماری‌های مختلف مانند تومور، التهاب، عفونت، خونریزی، ناهنجاری‌های عروقی و اختلالات مغزی کمک کند.

گادولینیوم زمان آرامش اسپین شبکه (T1) مولکول‌های آب را در بافت‌هایی که در آن انباشته می‌شود، کوتاه کرده و در نتیجه سیگنال روشن‌تری در تصاویر با وزن T1 ایجاد می‌کند. گادولینیوم همچنین می‌تواند اطلاعات بیشتری در مورد جریان خون، پرفیوژن و متابولیسم بافت‌ها ارائه دهد که می‌تواند به ارزیابی عملکرد و زنده ماندن آنها کمک کند. گادولینیوم با بیش از 500 میلیون دوز در سراسر جهان، پرمصرف ترین ماده حاجب برای اسکن MRI است.

کاربرد گادولینیوم در سایر صنایع

گادولینیوم به دلیل داشتن خواص مغناطیسی، الکتریکی و نوری عالی در صنایع دیگر مانند الکترونیک و کاتالیزور نیز کاربرد دارد. گادولینیوم در ساخت دستگاه‌های تبرید مغناطیسی استفاده می‌شود که از میدان‌های مغناطیسی برای خنک کردن مواد بدون استفاده از مبردهای مضر استفاده می‌کنند. گادولینیوم همچنین در ساخت دستگاه‌های ضبط مغناطیسی مانند دیسک‌های سخت و نوارها نقش دارد که داده‌ها را با استفاده از میدان‌های مغناطیسی برای تغییر جهت آهن‌رباهای کوچک روی سطح ذخیره می‌کنند.

گادولینیم همچنین دارای خواص کاتالیزوری است، به این معنی که می‌تواند واکنش‌های شیمیایی را بدون مصرف یا تغییر خود ماده سرعت ببخشد یا تسهیل کند. گادولینیم به عنوان یک کاتالیزور در فرآیندهای مختلفی مانند پالایش نفت، تولید پیل سوختی و تبدیل دی اکسید کربن استفاده می‌شود. این ماده همچنین می‌تواند به عنوان یک کاتالیزور کمکی یا یک پروموتر برای سایر کاتالیزورها مانند پلاتین یا نیکل عمل کند تا عملکرد یا پایداری آنها را بهبود بخشد.

معادن گادولینیوم

گادولینیم معمولا در کانی‌هایی مانند مونازیت، باستنازیت، گادولینیت، زنوتیم و یوکسنیت یافت می‌شود. این مواد معدنی به طور گسترده در مناطق مختلف جهان پراکنده هستند اما منابع اصلی گادولینیوم چین، استرالیا، میانمار، روسیه و مالزی هستند. طبق گزارش سازمان زمین شناسی ایالات متحده، ذخایر جهانی گادولینیوم حدود 1.2 میلیون تن تخمین زده می‌شود و تولید جهانی گادولینیوم در سال 2020 حدود 7500 تن بود. چین تولید کننده غالب گادولینیوم است که حدود 86 درصد از این آمار را به خود اختصاص می‌دهد.

گادولینیوم در ایران

ایران یکی از کشورهایی است که علاقه و پتانسیل خود را در استفاده از گادولینیوم برای مقاصد مختلف نشان داده است. بر اساس یک مقاله مروری منتشر شده در سال 2022، ایران در سنتز، شناسایی و ارزیابی نانوذرات مبتنی بر گادولینیوم برای کاربردهای زیست پزشکی مانند MRI، دارورسانی و هایپرترمی شرکت داشته است.

یکی از موارد استفاده ایران از گادولینیوم به عنوان جاذب نوترون در راکتورهای هسته ای است. هدف برنامه هسته ای ایران تولید برق و ایزوتوپ‌های پزشکی برای مقاصد صلح آمیز است. یکی از چالش‌هایی که ایران با آن مواجه است مدیریت سوخت هسته ای مصرف شده خود است که حاوی پلوتونیوم و سایر عناصر رادیواکتیو بوده که می‌تواند خطرات زیست محیطی و امنیتی را به همراه داشته باشد. از گادولینیوم می‌توان برای کاهش میزان پلوتونیوم تولید شده در راکتورهای هسته ای با گرفتن نوترون‌ها و جلوگیری از ایجاد شکافت آنها استفاده کرد.

گادولینیوم همچنین می‌تواند برای کنترل سطح توان و واکنش راکتورهای هسته ای با عمل به عنوان یک سم قابل سوختن یا میله کنترل استفاده شود. گزارش شده است که ایران از اکسید گادولینیوم به عنوان سم قابل سوختن در راکتور تحقیقاتی تهران (TRR) که ایزوتوپ‌های پزشکی تولید می‌کند استفاده کرده است. ایران همچنین با گادولینیوم نیترات به عنوان یک جاذب نوترون محلول در راکتور آب سنگین اراک (AHWR) آزمایش انجام داده است که برای کاهش پتانسیل تولید پلوتونیوم در دست طراحی مجدد است.

تزریق گادولینیوم چیست؟

تزریق گادولینیوم تزریق محلولی حاوی گادولینیوم در رگ بیمار است که تحت MRI قرار دارد. هدف از تزریق گادولینیوم افزایش کیفیت و وضوح تصاویر MRI با افزایش کنتراست بین بافت‌های مختلف بدن است. تزریق گادولینیوم دارای مزایا و عوارض متعددی برای تصویربرداری MRI هستند. برخی از مزایای آن عبارتند از:

• می تواند حساسیت و ویژگی اسکن‌های MRI را با آشکار ساختن ضایعات، تومورها و متاستازهایی که در غیر این صورت ممکن است نادیده گرفته شوند یا اشتباه تفسیر شوند بهبود ببخشد.
• می تواند اطلاعات بیشتری در مورد جریان خون، پرفیوژن و متابولیسم بافت‌ها ارائه دهد که می‌تواند به ارزیابی عملکرد و زنده ماندن آنها کمک کند.
• می تواند تجسم ساختارهای آناتومیک خاص مانند رگ‌های خونی، اعصاب و مجاری را افزایش دهند که می‌تواند برنامه ریزی و مداخله جراحی را تسهیل کند.

عوارض گادولینیوم

گادولینیوم معمولاً طی 24 تا 36 ساعت پس از تزریق از طریق کلیه‌ها از بدن دفع می‌شود. با این حال در برخی موارد، مقادیر کمی از گادولینیوم ممکن است برای مدت طولانی‌تری در بدن باقی بماند و در طول زمان تجمع پیدا کند. این امر به عنوان احتباس یا رسوب گادولینیوم شناخته می‌شود. احتباس گادولینیوم می‌تواند در افرادی با عملکرد طبیعی یا اختلال کلیه رخ دهد و می‌تواند بافت‌ها و اندام‌های مختلف مانند مغز، استخوان ها، پوست، کبد، طحال و چشم‌ها را تحت تاثیر قرار دهد.

اثرات طولانی مدت احتباس گادولینیوم بر سلامت انسان به طور کامل شناخته نشده است. در حال حاضر هیچ مدرکی وجود ندارد که نشان دهد رسوب گادولینیوم در مغز باعث ایجاد اثرات نامطلوب عصبی در بیماران با عملکرد طبیعی کلیه شده است. با این حال، برخی از مطالعات نشان داده اند احتباس گادولینیوم ممکن است با اختلالات شناختی، از دست دادن حافظه، سردرد، مشکلات بینایی یا تغییرات پوستی در برخی از بیماران مرتبط باشد. تحقیقات بیشتری برای تایید ارتباط علی بین احتباس گادولینیوم و این علائم مورد نیاز است.

خطر احتباس گادولینیوم ممکن است به نوع و مقدار مواد حاجب مبتنی بر گادولینیوم مورد استفاده برای اسکن MRI بستگی داشته باشد. مواد حاجب خطی پیوند ضعیف تری با گادولینیوم دارند و نسبت به مواد حاجب ماکروسیکلیک که پیوند قوی تری با گادولینیوم دارند و پایدارتر هستند، گادولینیوم بیشتری را در بدن آزاد می‌کنند. بنابراین، مواد حاجب خطی نسبت به مواد ماکروسیکلیک دارای خطر بیشتری برای احتباس گادولینیوم هستند. FDA توصیه کرده است ارائه دهندگان مراقبت‌های بهداشتی هنگام انتخاب ماده حاجب برای اسکن MRI، نوع ماکروسیکلیک را در نظر بگیرند.

اقدامات احتیاطی برای افراد مبتلا به نارسایی کلیه

افراد مبتلا به نارسایی کلیه نسبت به افراد دارای عملکرد طبیعی کلیه در معرض خطر بیشتری برای عوارض تزریق گادولینیوم هستند. این امر به این دلیل است که کلیه‌های آنها کمتر قادر به فیلتر کردن و حذف گادولینیوم از بدن خود هستند. یکی از جدی ترین عوارض فیبروز سیستمیک نفروژنیک (NSF) است، یک اختلال پوستی نادر اما بالقوه کشنده که باعث ضخیم و سفت شدن پوست می‌شود و می‌تواند سایر اندام‌ها مانند ریه ها، قلب، ماهیچه‌ها و مفاصل را تحت تاثیر قرار دهد. NSF می‌تواند در افراد مبتلا به نارسایی شدید کلیه که انواع خاصی از مواد حاجب خطی را برای اسکن MRI دریافت می‌کنند رخ دهد.

حساسیت به گادولینیوم

حساسیت به گادولینیوم شرایطی است که در آن بیمار واکنش آلرژیک یا حساسیت به تزریق گادولینیوم را تجربه می‌کند. این امر ممکن است در بیمارانی رخ دهد که سابقه حساسیت به مواد حاجب دارند یا قبلا در معرض گادولینیوم قرار گرفته اند. حساسیت به گادولینیوم ممکن است به صورت علائم خفیف مانند خارش، بثورات پوستی، گرگرفتگی یا حالت تهوع؛ علائم متوسط مانند برونکواسپاسم، افت فشار خون یا تاکی کاردی یا علائم شدید مانند شوک آنافیلاکسی، یا ایست قلبی ظاهر شود.

نکات موردنظر برای خرید گادولینیوم

خلوص و کیفیت گادولینیوم: گادولینیوم بسته به منبع و روش تولید می‌تواند دارای سطوح مختلف خلوص و کیفیت باشد. شما باید به دنبال گادولینیومی باشید که دارای خلوص بالا (> 99٪) و سطح پایین ناخالصی‌ها یا آلاینده‌هایی باشد که ممکن است بر عملکرد یا ایمنی آن تأثیر بگذارد.

شکل و کمیت گادولینیوم: گادولینیوم را می‌توان به اشکال مختلف مانند فلز، اکسید، نیترات، کلرید یا استات خریداری کرد. شما باید شکلی را انتخاب کنید که مناسب کاربرد مورد نظر و شرایط ذخیره سازی شما باشد. همچنین باید مقدار گادولینیوم مورد نیاز خود را بر اساس بودجه و تقاضا تعیین کنید.

قیمت گادولینیم

مواد گادولینیوم بسته به نوع، شکل، کیفیت و کمیت محصول دارای رنج قیمتی متفاوتی هستند. با توجه به داده‌های بازار متوسط قیمت فلز گادولینیوم در ایالات متحده تا سپتامبر سال گذشته 0.65 دلار در هر گرم بود. قیمت اکسید گادولینیوم در چین تا سپتامبر 2021 به ازای هر کیلوگرم 28.5 دلار بود. قیمت داروی گادولینیوم در بازارهای داخلی به ازای هر 100 میلی لیتر 2،500،000 تومان و قیمت آمپول گادولینیوم 140،000 تومان است.

جمع‌بندی

گادولینیوم با خواص منحصر به فرد و کاربردهای همه جانبه خود، به یک جزء جدایی ناپذیر در صنایع مختلف به ویژه در تصویربرداری پزشکی تبدیل شده است. درک ترکیبات، منابع استخراج، ملاحظات استفاده، و عوارض آن برای متخصصان و مصرف کنندگان ضروری است. ارزیابی مستمر فواید و خطرات بالقوه گادولینیوم، کاربرد آن را افزایش داده و ایمنی بیمار را تضمین می‌کند.

فلزات, مقالات در گروه صبا | نویسنده : امید مرادی | بروزرسانی : 14 آبان 1402