放射化学基礎 ７
２１年国家試験

解答 ３

原子炉内で２３５U に熱中性子（エネルギーの小さい中性子）を あてると、質量数が９０～１００ と１３０～１４０ の元素に核分裂しやすく、約２００MeVのエネルギーを放出する。

２１年国家試験

解答 1

原子核の崩壊

１．α崩壊

４

原子核がα線（ヘリウム原子核 ２Ｈｅ）を放出して崩壊
Ａ
Ｚ Ｘ

例

放射性同位元素が安定元素に壊変する現象

２２６Ｒａ８８＝Ａ－４Ｚ－２ Ｙ＋＝ ２２２ Ｒｎ

ラジウム

８６４２α＋αラドン

その他の α線放出核種

半減期１６００年
２３５Ｕ
９２２３８Ｕ
９２

各々の核種が出すα線のエネルギーは一定。
（単一スペクトル、線スペクトルを示す。）（ウラン）

２．βー崩壊Ａ
Ｚ Ｘ

原子核が電子（陰電子ｅｌｅｃｔｒｏｎ）を放出して崩壊＝

Ａ
Ｚ＋１ Ｙ＋ β ＋ ν
ニュートリノ（中性微子）

核内の変化は、

例

１４６Ｃ

＝

１４７Ｎｎ → ｐ ＋ β ＋ ν＋β ＋ ν
半減期５７３０年

その他のβ線放出核種

３Ｈ３２Ｐ４０Ｋ

１３１Ｉ

各々の核種が出すβ線のエネルギーは一定ではない。
（最大エネルギーは一定。） （連続スペクトルを示す。）
１３１Ｉ

は 甲状腺癌の治療に利用されている。

２＋．β＋崩壊
Ａ
Ｚ Ｘ

原子核が陽電子（ｐｏｓｉｔｒｏｎ）を放出して崩壊＝

Ａ
Ｚー１ Ｙ＋ β＋ ＋ ν
ニュートリノ（中性微子）

核内の変化は、

例

１１６Ｃ

＝

１１５Ｂ

ｐ → ｎ ＋ β＋ ＋ ν＋β＋ ＋ ν（半減期２０分）

その他の陽電子放出核種
１３Ｎ（半減期１０分）

１５Ｏ

（２分）

１８Ｆ

（１１０分）

各々の核種が出すβ＋線のエネルギーも一定ではない。
陽電子放出各種の半減期は短い。
ポジトロンＣＴ（ＰＥＴ）に利用されている。

３．軌道電子捕獲 ＥＣ （ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｃａｐｔｕｒｅ）
原子核がＫ殻（原子核に最も近い電子軌道）の電子を取り込んで崩壊。
ＡＸＺ

＝ＡＹ
Ｚ－１

核内の変化は、＋ νｐ ＋ ｅ → ｎ ＋ ν

空いたＫ殻に外側（Ｌ殻）の電子が落ちる。 Ｋ核電子の方がエネルギーが低いので、Ｌ殻電子が移動の際にＸ線（特性Ｘ線、Ｋ－Ｘ線）を放出する。エネルギーが一定の特殊なＸ線である。
例

１２５Ｉ

＝

１２５Ｔｅ

＋ ν ＋ ＫＸ （半減期６０日）

その他のＥＣ核種
１２３Ｉ（半減期１３時間） ６７Ｇａ （３．２日）

核医学検査、ＲＩＡに利用されている。

５１Ｃｒ（２８日）

４． γ 線放出
原子核が崩壊した際、まだ不安定な状態（励起状態、準安定状態）になっている場合、原子核内部から電磁波（エネルギー）を放出し安定状態（基底状態）になる。
９９ｍＴｃ

例→ ９９Ｔｃ ＋ γ

テクネシウム 半減期６時間

核異性体（ｉｓｏｍｅｒ）
質量数、原子番号が同じで、状態が異なる核種核異性体転移（ ＩＴ ： ｉｓｏｍｅｔｒｉｃ ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ）
核異性体からγ線が出る現象。
準安定状態の核種には、質量数に ｍ を付けて表示する。
例

９９ｍＴｃ

（６時間）

８１ｍＫｒ

核医学検査に利用されている。

（１３秒）

ｍ： meta-stable５．内部転換 （ ＩＣ ： ｉｎｔｅｒｎａｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ）励起状態の原子核が準安定状態、基底状態に移行する際にエネルギーをγ線として放出せず、Ｋ殻の軌道電子に与え、原子外へ電子を放出する（β線を出す）こと。
放出された電子（β線）を内部転換電子という。
一般のβ線は連続スペクトルを持つが、内部転換電子のエネルギーは一定。（線スペクトルを持つ。）
Ｋ殻の軌道が空くので、電子捕獲（ＥＣ）と類似のＬ殻電子の移動と、特性Ｘ線（ＫＸ線）の放出を伴う。
この特性Ｘ線が、さらに他の軌道電子を原子外に放出することがある。（オージェ電子 Ａｕｇｅｒ）

２１年国家試験

解答 1

68Ge – 68Ga ジェネレータ

（旧式のＰＥＴで使用されていた）68Ge – 68Ga は、放射平衡状態のPET用核種。
68Ga は陽電子放出核種。PETのトランスミッション用線源の68Ga を院内で合成するジェネレータ装置。
旧式のPETでは、68Geから68Gaをミルキングして用意。

２１年国家試験

解答 1、５

電気化学的分離法
金属のイオン化傾向を利用して電気化学的にRI の分離を行う方法。
金属 RI を含む液体試料に、イオン化傾向の大きい金属板を入れると、その表面に液体中の金属 RI が析出し分離される。
異なる金属の間で電子の交換が行われる＝ 酸化還元反応が行われている。

放射性ヨウ素の蛋白質への標識
ＲＩＡ （Ｒａｄｉｏ Ｉｍｍｕｎｏ Ａｓｓａｙ）
放射免疫分析法

１２５Ｉ が RIA検査に適する。

ホルモン、抗原などの血液中微量タンパク質の量を測定する方法。
測定するタンパク質と同一の物質に１２５Ｉで（クロラミン-Ｔ 法 や ボルトンハンター法などで）標識した物と、測定するタンパク質と結合する抗体を、それぞれ一定量用意する。
その中に患者血液を入れて、目的とするタンパク質を定量する方法。

クロラミン-T 法 chloramine-T (直接的に125I 標識）
N-クロロ-p-トルエンスルホンアミドナトリウムの商品名。
白色結晶粉末で、殺菌消毒剤や、分析用試薬に使用。
アミノ酸の１種であるチロシンを直接的に 125I 標識する。
チロシンは甲状腺ホルモン（チロキシン）やドーパミン等の重要なホルモンの原料、前駆体となる。

効率よくチロシンに放射性ヨウ素を導入できるが、酸化力の強さや、反応持続時間が短いことが欠点。

ボルトンハンター 法 Bolton-Hunter (間接的125I 標識）
125I標識されたボルトンハンター試薬を使って、間接的に蛋白質に125I 標識を行う手法。
クロラミン-T 法はチロシン基を含む化合物しか125I 標識を行えないが、ボルトンハンター試薬は、リジン残基（多くの蛋白質が持つ必須アミノ酸）に125I 標識出来る。
反応時間が遅い、標識率が低い欠点がある。

生成原子の反跳エネルギーでＲＩを生成する方法を反跳合成法（ホットアトム法、直接標識法）という。
原子炉やサイクロトロンで、安定同位体に中性子や陽子などを照射して生成する原子は反跳エネルギー（ recoil energy ; 大きな運動エネルギーや高い電荷など）を伴う。 このように反応性の高い原子を反跳原子（ hot atom）という。
recoil【名】あとずさり,ひるむ, 反動ではね返る.

反跳合成法 の例
クロムの４価の安定同位体 50Cr を含むクロム酸カリウム結晶を原子炉に入れて熱中性子 n を照射すると、 50Cr ( n、γ) 51Crにて 51Cr が生成され、反跳エネルギーで結晶から分離する。
また 51Cr は３価に還元されるので化学的にも51Cr （ＯＨ） として共沈分離できる。
３51Cr は、臨床でも核医学検査でよく使う ＲＩ。

赤血球や血小板の放射能標識に用いる。

放射性核種の分離法生成した放射性核種は不純物を含む。
放射性核種の分離、精製の方法は数種類あり、それぞれの特徴を理解する。
１．共沈法
２．溶媒抽出法
３．イオン交換法
４．クロマトグラフィ
５．昇華・蒸留法
６．電気化学的分離法

７．ラジオコロイド
８．無担体分離１．共沈法 （沈殿法）
サイクロトロン等で生成した放射能を含む試料から微量の放射性同位元素（RI）の抽出は困難。
そこで、分離抽出したいRIと化学的挙動が同じ元素または化合物（担体、carrier）を試料に加え、沈殿などの化学分離反応を容易にする。

照射試料液体中に複数の RI が存在する場合、
１．分離したい RI を沈殿抽出するための担体を捕集剤（共沈剤、collector）という。
２．分離したい RI を試料液体中に保持するための担体を 保持担体（hold back carrier）という。
３．分離したい RI 以外を沈殿抽出するための担体をスカベンジャ-（scavenger） という。
scavenger 【名】１ 腐肉を食べる動物, 清掃動物
２ 市街清掃員, ごみ集め人 ( cleaner, sweeper ).
３ 〔化〕不純物除去剤.

2．溶媒抽出法 solvent extraction
混じり合わない２種類の液体、液層の一方に溶解している放射性物質を、他方の液層に抽出する方法。
この抽出法の利点は、微量（トレーサ量）でも抽出が可能なことである。
各液層中での溶質濃度C1、C2の比率は、溶質の分量に関係なく一定であり、その比を、分配係数 K という。 K = C1/C2

３．イオン交換法 ion exchange process
イオン交換樹脂を用いて RIを分離精製する方法。
イオン交換樹脂に分離したい溶質を含む溶液を接触させ、樹脂中と溶液中の同符号のイオンが交換され平衡状態に至る現象をイオン交換という。
この方法の利点は、大量のＲＩ抽出が可能なこと。
欠点は、長時間を必要とすること。

２１年国家試験

解答 ４、５

アマルガム【amalgam】
水銀と貴金属との合金。柔らかい合金になる。歯科治療に用いられる。金歯など。
水銀は蒸発しやすい。
アマルガム交換法は、金などの貴金属が混じった水銀を蒸発させて貴金属を抽出する方法。放射化学とは無関係。

７．ラジオコロイド

radiocolloid

通常の物質は溶解度より低い濃度ではコロイドを形成しないが、微量（10-10～10-18 g）のRI は、溶液中で安定なコロイド粒子（１～100μmφ）を形成する。これを ラジオコロイド という。
ラジオコロイドになりやすい元素
P、Y（イットリウム）、Zr（ジルコニウム）、Nb、Po、Bi、Th、Pu、Ba、La、Ce Ca、Ag

ラジオコロイドを利用した RI分離法
非放射性同位元素と物理化学的挙動が異なることに要注意。
重力や遠心分離で容易に沈殿する。
コロイドになるとイオンとしての挙動は示さなくなる。
特に、コロイドは、容器壁面やイオン交換樹脂に吸着しやすい性質を持つ。

標識化合物の合成法の種類
１．化学（的）合成法 （１４C、３H 標識化合物）
１４C は グリニヤール反応
２．生合成法 （天然有機化合物のRI標識）
３．同位体交換法 （３H、放射性ヨウ素交換）
３H ガス接触法は ウイルツバッハ法
４．反跳合成法 （ホットアトム法）
５．その他 （99mTc、 放射性ヨウ素の標識）
１２５Ｉ の直接的標識法は クロラミンＴ法、間接的標識法は ボルトンハンター法

３．同位体交換法
トリチウムガス（３H２）接触法＝ ウィルツバッハ法 （ Wilzbach ）有機化合物と ３H２ を密封して3～10日間放置するだけで、化合物中の H と３H が交換して ３H標識化合物ができる。
利点は、簡単であらゆる化合物に応用できる。
欠点は、分子内の３H標識位置が不定。

ウィルツバッハ法 （ Wilzbach ）の欠点
３Hの標識位置が不定で、均一標識化合物（U)が出来にくい。
３H の標識が外れやすく、比放射能が低い。

目的としない化合物（不純物）が生じる場合がある（放射化学的純度が低い）。
３Hの崩壊で出すベータ線またはHeで化合物が分解する場合がある。

放射性ヨウ素 （125I） を蛋白質に標識する方法
は、４種類ある。
クロラミン-T 法

chloramine - T

ボルトンハンター 法

Bolton - Hunter

ラクトパーオキシダーゼ 法 lactoper – oxidase
ヨードゲン 法

iodogen（ ウィルツバッハ法は、３H を標識する方法。 ）ラクトパーオキシダーゼ 法 lactoper – oxidase

過酸化水素水とラクトパーオキシダーゼでＮａ125I を酸化して、 125I を蛋白質に結合させる。
ヨードゲン 法 iodogen (C16H10Cl4N4O2)
ヨードゲンの弱い酸化作用でＮａ125I を酸化して、 125I を蛋白質に結合させる。
ともに、標識率が低い（比放射能が低い）欠点があるが、酸化作用が穏やかなので、標識する蛋白質（抗体など）の変性が生じにくい利点がある。

２１年国家試験

解答 １、５放射化分析法
サイクロトロンで陽子ｐ （proton）または重水素原子核ｄ (deuteron)を非放射性元素（ターゲット核種）に照射し、放射性元素を生成する。
その放射能のエネルギーや半減期などを調べ、核種の種類や重量を分析する方法。

放射化分析法
非放射性の試料にγ線や粒子線を照射して、放射性核種を生成し、その定量を行う分析法。
放射化分析法の長所
１．分析感度が高い。
短半減期核種でも分析可能。
２．放射化試料の化学的取扱が容易。
照射前後で試料の化学的操作を行わないので、化学物質の混入や周囲の放射能汚染などは生じない。

３．放射化の核反応は化学的性質と無関係。
化学的に類似した物質が混在する場合でも目的物質を放射化すれば正確に分離分析できる。
４．非破壊検査が可能。
粒子線照射のみで放射化分析は可能で、短半減期核種の放射化であれば、短時間で検査前の元の試料に戻るので、貴重資料や考古学的試料の分析測定に適する。

放射化分析法の短所
１．精度が低い。
核反応の統計誤差（粒子束の不均一性や副反応の発生などによる）のため分析誤差は１０％近くある。
２．化学的情報は分析できない。
測定する核種の物理的特性（半減期やエネルギーなど）は判るが、核種が試料化合物のどこに結合しているか等の化学的情報は得られない。

放射化分析法の短所
３．試料自身による自己遮蔽の影響を受ける。
試料内部から放出されるγ線などは、試料自身の質量に伴うコンプトン散乱などの影響のため分析誤差を伴う。
４．装置が大掛かりで高価。

放射化分析はサイクロトロン施設が必要で、高価な測定装置となる。

ＰＩＸＥ（ピクシー）分析 放射化分析の一種（ Particle Induced Ｘ-Ray Emission ）水素原子核（陽子ｐ）に超高電圧をかけて加速して試料に照射すると高エネルギー水素イオンと衝突した元素から特性X線が発生する。
これを半導体検出器で検出しコンピュータに取り込み構成元素を解析する分析法。
一度に試料に含まれる複数個の元素の定量分析ができる。

２１年国家試験

解答 ５

生成放射能サイクロトロンで陽子ｐ （proton）または重水素原子核ｄ (deuteron)を非放射性元素（ターゲット核種）に照射し、放射性元素を生成する。
病院内サイクロトロンでPET用の陽電子放出RI生成など。
例 ： 12C (d, n) 13N
炭素12 に deuteron を照射して半減期10分の放射性窒素13 を生成。

生成放射能の算出法
No : ターゲット核種の原子数
N : 生成放射性核種の原子数
φ : 照射粒子の数 （フルエンス数）
σ : 放射化断面積 （反応の起こりやすさ）
λ : 生成核種の崩壊定数１秒間に生成する放射性核種の数 = Noφσ
１秒間に崩壊する放射性核種の数 = λN
１秒間に増加する放射性核種の数= d N / dt = Noφσ – λN

φ : 照射粒子の数 、流束量 （フルエンス数）
大円の面積 da の球に入射する粒子数をｄＮ とすると、

φ ＝ ｄＮ／ｄａd N / dt = Noφσ – λNの式を積分すると ( t = 0 のとき N = 0 とする)
N = Noφσ/λ （ １ – e –λt )定数係数１階線形微分方程式の公式を使う。
dy /dx + a y = F(x) の解は、
y = e-ax (∫eax F(x) ｄｘ + C )ｙ に N、 x に t、 a に λ を代入し、F(x) を Noφσ とすると、

dy /dx + a y = F(x) は、
d N / dt + λN = Noφσy = e-at (∫eat F(x) dt + C ) は、
N = e-λt∫eλt Noφσ dt= e-λt Noφσ ∫eλt dttλt[ e /λ] 0= e-λt Noφσ/λ (eλt – e0 )= e-λt Noφσ-λt
N = Noφσ/λ ( 1 - e)

この問題では、 φ＝ ｆ

さらにターゲット核種 ( 60M ) の原子数 No は、
No = NA x ( 0.08 x w / m )(原子数 ＝ アボガドロ数 NA ｘ モル数)

（ターゲット核種 の モル数は 0.08 x w / m )生成放射能 A= Noφσ （ １ – e –λt )= NA ( 0.08 x w / m ) fσ （ １ – e –λt )（１ – e –λt ) を 飽和係数 S とすると、生成放射能 A = NA (0.08 x w/m ) fσS

S に λT = log2 の式を代入すると、照射時間 t が 2半減期 2T の場合、
S = 1 – e –2λT = 1 – e –2log2 = 1- 1/4 = 3/4
したがって生成放射能 A は、

A = NA (0.08 x w/m ) fσｘ 3/4= (8/100) x (3/4) x w NA fσ/m
= (3/50) x w NA fσ/m