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氟-18

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氟-18,18F
氟-18 衰变0至24小时后的含量
基本
符號18F
名稱氟-18、F-18、氟-18
原子序9
中子數9
CAS号13981-56-1  checkY
核素数据
豐度放射性同位素
半衰期109.771(20) min
衰变产物18O
原子量18.0009380(6) u
自旋1+
过剩能量873.431± 0.593 keV
结合能137369.199± 0.593 keV
衰變模式
衰变类型衰变能量MeV
正电子发射 (97%)0.6335
电子捕获 (3%)1.6555
氟的同位素
完整核素表

氟-1818F)是放射性同位素,在自然界中相當罕見。它的原子质量为 18.0009380(6) u ,半衰期為 109.771(20) 分钟。它有97%的概率会以正电子发射進行衰變,也有3%的概率以电子捕获來完成。两种衰变方式都会产生氧-18

氟-18是正电子的良好来源,因此是正子斷層造影中最常用的同位素[1]

制备

氟-18常見的形式有氟氣及水溶液兩種,它們的製備工序及化學性質都不相同,兩者間的化學性質差異可能會影響到後續的放射性藥品合成[1]。氟氣非常活躍,與許多基底物一接觸就會爆炸。故合成時,必須在低溫條件下,再以稀有气体稀釋再開始反應。醫學上通常在氖气中將其稀釋至0.1% 濃度。儘管如此,反應仍會在一瞬間完成,並造出大量副產物,基底物亦會被氧化破壞。目前只有少數放射性藥品仍會選用氟氣合成,如18F-FDOPA[1]

水溶液合成被發明後,已在大部分情景取代了氟氣合成。這條路線以親核反應為基礎,較為溫和,故可以與複雜精巧的藥品合成而不會將其破壞。目前最重要的正電子藥品氟代脱氧葡萄糖(FDG)正是以此方法合成,需時30分鐘,產率有50%[1]

水溶液製備

現今在核医学中用到的氟-18都是人工製造的水溶液。方法是利用迴旋加速器直線加速器,將高能量(約18MeV質子轰击纯水或浓缩的重氧水(又稱18O水),可製出含有氟-18陰離子的水溶液。[2]溶液立即與其他藥品(如甘露糖)進行化學反應,合成出所需的放射性药物。放射性药物不能通過將藥品與[18O]結合來製造,因為轟擊[18O]時所用到的高能量質子束會同時破壞掉藥品的化學結構。因此,製造含有氟-18的放射性药物時,只能先生产氟-18,再合成含氟药物。

氣體製備

製備氟氣的方法則有兩種。第一,用高能量(40 MeV以上)的氘核轰击含有0.1-0.2%氟氣雜質的高壓(約25氖气,可以制备出含氟-18的氟气。這是第一種被發明的氟-18製備方法,於1980年代面世[3],於1990年已十分常用。该方法产率約有一至兩成。由於氖有多種同位素,轰击產物有十多種,處理不便。[4]

另一種合成方法是以含有氧-18氧气为目标,在氪气中用11 MeV质子轰击,也可以得到含氟-18的氟气。本方法適合只能操作質子的舊式迴旋加速器。本方法可細分為兩部分:首先,以為基底,用質子轰击加壓的98% 氧-18氣體,可產生黏著在镍上的氟-18,可在低溫條件下收集。第二步則將1%的氟氣及99%的氪气混合物短暫轰向镍,通過同位素交換將氟-18置換出來。本方法的產率約有50%。如改用氟氣及氖气的混合物,則產率有25%。但因氟氣過於活躍,經常與基底物發生反應,故需用同位素交換將氟-18置換出來,降低了反應產率。此外,若氧气標靶有一星期以前未經使用,產率將大幅下跌。[5][6]

化学性质

由於氟-18 的電負性及空间位阻羟基相似,它可以替代母体分子中的羟基,合成為放射性追踪剂。例子包括氟代脱氧葡萄糖18F-FDG)。它可以替代羟基的原因是它们的物理性质类似。然而,由於氟-18的极性與羟基相反,這可能會影響到部分化學反應的進行[7]

应用

氟-18是正电子发射计算机断层扫描(PET)自發展早期(1960年代)就開始使用的核素之一。[8]其主要優勢是半衰期適中(約2小時),對人體長遠影響較少,但仍有足夠時間進行後續的藥物合成步驟及運輸到其他醫院;以及所發射的正电子動能較低,故在體內的移動路徑較短,造成的影像定位失真較輕微。此外,在化學層面上,碳-氟鍵相當穩定,氟-18很少從放射性药物中分解,故不會污染其他正常的器官。與其他卤素相比,氟擁有較小的离子半径,讓它可以模擬成人體已有的分子,參與生物反應。至今,氟-18依然是大多數正电子扫描所使用的核素[1]

放射性示踪剂的機理可以分為以下數種:模擬成骨頭所需的礦物質、模擬成熱量的提供物、模擬成磷脂蛋白質DNA合成所需的原材料、參與配體反應、或是針對某種疾病而特製的分子影像試劑。氟-18於上述各類的示踪剂中均有應用。

氟化钠於1972年獲美国食品药品监督管理局批准用於骨骼成像,是第一批獲准使用的放射性示踪剂。骨頭的主要成分羥磷灰石本身就含有少量氟離子,故氟-18可借此途徑進入骨頭。經靜脈注射後,氟化钠迅速從血液中進入骨頭,短時間內即可產生骨骼背景對比值很高的影像[9]。氟化钠造影可以判斷成骨性及蝕骨性的腫瘤遠端轉移[1],效果比傳統的Tc99m-MDP英语Technetium (99mTc) medronic acid要準確[10]

氟代脱氧葡萄糖 (FDG)則模擬成葡萄糖,引誘細胞將其吸收。FDG的結構與葡萄糖極為相似,但其中 18F 取代了一个氢氧基葡萄糖載體蛋白英语Glucose transporter將FDG運輸進入細胞後,由於FDG並非葡萄糖,無法被分解,故會在細胞內積存。利用此項特性,可以偵測出體內大量消耗葡萄糖的身體部分[11]。FDG被廣泛用於偵測心臟肌肉活性、發炎部位、腫瘤等[1]。由於FDG的吸收量與腫瘤的增生速度有密切關係,它亦被用於腫瘤分級[12]

在磷脂合成時需要大量胆碱,故將氟-18與胆碱合成,則可讓氟-18參與磷脂合成。採用此方法的示踪剂包括18F-FMC[13]18F-FECh[14]等。癌細胞的增生需要大量磷脂來製造細胞膜,所以本類藥物能偵測出癌細胞活躍的部位。目前18F-FMC主要用於前列腺癌的監察[1]

蛋白質合成則以氨基酸為材料,故18F-FET18F-DOPA等示踪剂則是將氟-18標記到氨基酸上,讓示踪剂參與蛋白質合成[15]。本方法常用於脑肿瘤神經內分泌腫瘤的造影,以至偵測帕金森氏症相關的神經元退化[1]

同樣地,在DNA合成時,細胞外的核苷會經由补救途径進入細胞參與合成,故將氟-18標記到胸苷上,示踪剂就可進入細胞參與DNA合成。採用此方法的示踪剂包括18F-FLT[16]。由於癌細胞增生時會合成大量新的DNA,DNA合成速度,以至18F-FLT的細胞內濃度都可以用作反映癌細胞的增生速度。目前18F-FLT主要用於監察治療癌症的成效[1]

有部分示踪剂則利用荷爾蒙受体結合的特性,將氟-18標記到荷爾蒙上。採用此方法的氟-18示踪剂包括:仿造雌激素18F-FES、仿造雄激素18F-FDHT、含氟-18標記的攝護腺特異性膜抗原18F-DCFBC)等等[17] [1]

在分子影像試劑方面,示踪剂則針對某種疾病的特性,與其某部分的產物結合,從而偵測出該種疾病。例如Vizamyl英语Flutemetamol (18F)能與阿茲海默症產生的類澱粉蛋白結合,有助診斷輕微的阿茲海默症[18]氟咪唑則只會停留在缺乏氧氣的細胞內,正常細胞則會將它重新氧化並排出細胞外。由於癌細胞經常缺氧,這項特性可用於偵測缺氧的癌細胞[19]。其他正在研究的分子影像試劑包括仿造胱天蛋白酶18F-CP18、仿造整合素αVβ3氟-18标记多肽英语18F-fluciclatide等等[1]

此外,亦有研究嘗試將氟-18標記到抗体上,與癌症抗原英语Tumor antigen結合來偵測癌細胞 [20]

参考资料

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相邻较轻同位素:
氟-17
氟-18是
同位素
相邻较重同位素:
氟-19
母同位素
氖-18
氟-18的
衰變鏈
衰變產物
氧-18