गैडोलिनियम

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गैडोलिनियम (Gadolinium) एक रासायनिक तत्व है; इसका प्रतीक Gd और परमाणु क्रमांक 64 है। ऑक्सीकरण हटा दिए जाने पर यह एक चांदी जैसा सफेद धातु होता है। गैडोलिनियम एक तन्य (ductile) और आघातवर्धनीय दुर्लभ-मृदा तत्व (rare-earth element) है। यह वायुमंडलीय ऑक्सीजन या नमी के साथ धीरे-धीरे प्रतिक्रिया करके एक काली ऑक्साइड परत बनाता है। 20 C के अपने क्यूरी बिंदु (Curie point) से नीचे गैडोलिनियम लौहचुंबकीय (ferromagnetic) होता है, जिसमें निकल की तुलना में चुंबकीय क्षेत्र के प्रति अधिक आकर्षण होता है। इस तापमान से ऊपर यह सबसे अधिक अनुचुंबकीय (paramagnetic) तत्व है। यह प्रकृति में केवल ऑक्सीकृत रूप में पाया जाता है। जब इसे अलग किया जाता है, तो इसमें आमतौर पर अन्य दुर्लभ मृदा तत्वों की अशुद्धियाँ होती हैं क्योंकि उनके रासायनिक गुण समान होते हैं।

गैडोलिनियम की खोज 1880 में जीन चार्ल्स डी मारिग्नैक ने की थी, जिन्होंने स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके इसके ऑक्साइड का पता लगाया था। इसका नाम खनिज गैडोलिनाइट के नाम पर रखा गया है, जो उन खनिजों में से एक है जिनमें गैडोलिनियम पाया जाता है, और स्वयं इसका नाम फिनिश रसायनज्ञ जोहान गैडोलिन के नाम पर रखा गया है। शुद्ध गैडोलिनियम को पहली बार 1935 में रसायनज्ञ फेलिक्स ट्रोम्बे द्वारा अलग किया गया था।

गैडोलिनियम में असामान्य धातुकर्म (metallurgical) गुण होते हैं, इस हद तक कि केवल 1% गैडोलिनियम लोहे, क्रोमियम और संबंधित धातुओं की कार्यक्षमता और उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण के प्रतिरोध में काफी सुधार कर सकता है। धातु या नमक के रूप में गैडोलिनियम न्यूट्रॉन को अवशोषित करता है और इसलिए, कभी-कभी न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और परमाणु रिएक्टर में परिरक्षण (shielding) के लिए उपयोग किया जाता है।

अधिकांश दुर्लभ मृदा तत्वों की तरह, गैडोलिनियम प्रतिदीप्ति (fluorescent) गुणों वाले त्रिसंयोजक (trivalent) आयन बनाता है, और गैडोलिनियम(III) के लवणों का उपयोग विभिन्न अनुप्रयोगों में फॉस्फर के रूप में किया जाता है।

जल में घुलनशील लवणों में गैडोलिनियम(III) आयन स्तनधारियों के लिए अत्यधिक विषाक्त होते हैं। हालाँकि, कीलेटेड (chelated) गैडोलिनियम(III) यौगिक गैडोलिनियम(III) को जीव के संपर्क में आने से रोकते हैं, और अधिकांश स्वस्थ[1] गुर्दों द्वारा उत्सर्जित कर दिया जाता है, इससे पहले कि यह ऊतकों में जमा हो सके। अपने अनुचुंबकीय गुणों के कारण, कीलेटेड कार्बनिक गैडोलिनियम परिसरों (coordination complexes) के समाधानों का उपयोग चिकित्सा चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) में अंतःशिरा रूप से प्रशासित गैडोलिनियम-आधारित एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट के रूप में किया जाता है।

गैडोलिनियम के मुख्य उपयोग, एमआरआई स्कैन के लिए कंट्रास्ट एजेंट के रूप में उपयोग के अलावा, परमाणु रिएक्टरों में, मिश्र धातुओं में, चिकित्सा इमेजिंग में फॉस्फर के रूप में, गामा किरण उत्सर्जक के रूप में, इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में, ऑप्टिकल उपकरणों में और अतिचालकों (superconductors) में हैं।

विशेषताएँ

गैडोलिनियम धातु का एक नमूना

भौतिक गुण

गैडोलिनियम लैंथेनाइड श्रृंखला का आठवां सदस्य है। आवर्त सारणी में, यह अपने बाईं ओर यूरोपियम और दाईं ओर टर्बियम तत्वों के बीच, और एक्टिनाइड क्यूरियम के ऊपर दिखाई देता है। यह एक चांदी जैसा सफेद, आघातवर्धनीय, तन्य दुर्लभ-मृदा तत्व है। इसके 64 इलेक्ट्रॉन [Xe]4f75d16s2 के विन्यास में व्यवस्थित होते हैं, जिनमें से दस 4f, 5d और 6s इलेक्ट्रॉन संयोजकता इलेक्ट्रॉन होते हैं।

लैंथेनाइड श्रृंखला की अधिकांश अन्य धातुओं की तरह, तीन इलेक्ट्रॉन आमतौर पर संयोजकता इलेक्ट्रॉनों के रूप में उपलब्ध होते हैं। शेष 4f इलेक्ट्रॉन बहुत मजबूती से बंधे होते हैं: ऐसा इसलिए है क्योंकि 4f ऑर्बिटल इलेक्ट्रॉनों के अक्रिय क्सीनन कोर के माध्यम से नाभिक तक सबसे अधिक प्रवेश करते हैं, उसके बाद 5d और 6s आते हैं, और यह उच्च आयनिक आवेश के साथ बढ़ता है। गैडोलिनियम कमरे के तापमान पर हेक्सागोनल क्लोज-पैक्ड α-रूप में क्रिस्टलीकृत होता है। 1235 C से ऊपर के तापमान पर, यह अपने β-रूप में बनता या परिवर्तित होता है, जिसकी संरचना काय-केंद्रित घन (body-centered cubic) होती है।[2]

आइसोटोप गैडोलिनियम-157 में किसी भी स्थिर न्यूक्लाइड के बीच सबसे अधिक तापीय न्यूट्रॉन न्यूट्रॉन कैप्चर क्रॉस-सेक्शन होता है: लगभग 259,000 बार्न। केवल क्सीनन-135 का कैप्चर क्रॉस-सेक्शन अधिक है, लगभग 2.0 मिलियन बार्न, लेकिन यह रेडियोधर्मी है।[3]

माना जाता है कि गैडोलिनियम 20 C से नीचे के तापमान पर लौहचुंबकीय होता है[4] और इस तापमान से ऊपर यह दृढ़ता से अनुचुंबकीय होता है। वास्तव में, शरीर के तापमान पर, गैडोलिनियम किसी भी तत्व का सबसे बड़ा अनुचुंबकीय प्रभाव प्रदर्शित करता है।[5] इस बात के प्रमाण हैं कि गैडोलिनियम 20 C से नीचे लौहचुंबकीय के बजाय एक हेलिकल प्रतिलौहचुंबकीय (antiferromagnetic) है।[6] गैडोलिनियम एक मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव प्रदर्शित करता है, जिससे इसका तापमान बढ़ जाता है जब यह चुंबकीय क्षेत्र में प्रवेश करता है और कम हो जाता है जब यह चुंबकीय क्षेत्र छोड़ता है। Gd5(Si_{1−x}Ge_{x})4 यौगिक में उच्च तापमान पर, लगभग 300 K तक, एक महत्वपूर्ण मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव देखा जाता है।[7]

व्यक्तिगत गैडोलिनियम परमाणुओं को फुलेरीन अणुओं में समाहित करके अलग किया जा सकता है, जहाँ उन्हें ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोप के साथ देखा जा सकता है।[8] व्यक्तिगत Gd परमाणुओं और छोटे Gd समूहों को कार्बन नैनोट्यूब में शामिल किया जा सकता है।[9]

रासायनिक गुण

Gadolinium compounds गैडोलिनियम Gd(III) डेरिवेटिव बनाने के लिए अधिकांश तत्वों के साथ जुड़ता है। यह उच्च तापमान पर नाइट्रोजन, कार्बन, सल्फर, फास्फोरस, बोरॉन, सेलेनियम, सिलिकॉन और आर्सेनिक के साथ भी जुड़ता है, जिससे बाइनरी यौगिक बनते हैं।[10]

अन्य दुर्लभ-मृदा तत्वों के विपरीत, धात्विक गैडोलिनियम शुष्क हवा में अपेक्षाकृत स्थिर होता है। हालाँकि, यह नम हवा में जल्दी से कलंकित (tarnish) हो जाता है, जिससे एक ढीली-जुड़ी गैडोलिनियम(III) ऑक्साइड (Gd2O3) बनती है:

4 Gd + 3 O2 → 2 Gd2O3,

जो झड़ जाती है, जिससे ऑक्सीकरण के लिए अधिक सतह उजागर हो जाती है।

गैडोलिनियम एक मजबूत अपचायक (reducing agent) है, जो कई धातुओं के ऑक्साइड को उनके तत्वों में कम कर देता है। गैडोलिनियम काफी विद्युतधनात्मक है और ठंडे पानी के साथ धीरे-धीरे और गर्म पानी के साथ काफी तेजी से प्रतिक्रिया करके गैडोलिनियम(III) हाइड्रॉक्साइड (Gd(OH)3) बनाता है:

2 Gd + 6 H2O → 2 Gd(OH)3 + 3 H2.

गैडोलिनियम धातु को तनु सल्फ्यूरिक एसिड द्वारा आसानी से हमला किया जाता है ताकि रंगहीन Gd(III) आयनों वाले समाधान बन सकें, जो [Gd(H2O)9]3+ परिसरों के रूप में मौजूद होते हैं:[11]

2 Gd + 3 H2SO4 + 18 H2O → 2 [Gd(H2O)9]3+ + 3 SO_{4}2- + 3 H2.

रासायनिक यौगिक

अपने अधिकांश यौगिकों में, कई दुर्लभ-मृदा धातुओं की तरह, गैडोलिनियम +3 ऑक्सीकरण अवस्था अपनाता है। हालाँकि, गैडोलिनियम को दुर्लभ अवसरों पर 0, +1 और +2 ऑक्सीकरण अवस्थाओं में पाया जा सकता है। सभी चार ट्राइहेलाइड ज्ञात हैं। गैडोलिनियम(III) आयोडाइड को छोड़कर सभी सफेद हैं, जो पीला होता है। हैलाइड्स में सबसे अधिक पाया जाने वाला गैडोलिनियम(III) क्लोराइड (GdCl3) है। ऑक्साइड लवण देने के लिए एसिड में घुल जाता है, जैसे गैडोलिनियम(III) नाइट्रेट और गैडोलिनियम(III) सल्फेट।

गैडोलिनियम(III), अधिकांश लैंथेनाइड आयनों की तरह, उच्च समन्वय संख्या वाले समन्वय परिसर बनाता है। यह प्रवृत्ति कीलेटिंग एजेंट DOTA, एक ऑक्टादंतुर (octadentate) लिगैंड के उपयोग द्वारा स्पष्ट की गई है। [Gd(DOTA)]- के लवण चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग में उपयोगी हैं। गैडोडायमाइड सहित विभिन्न संबंधित कीलेट परिसरों को विकसित किया गया है।

अपचयित गैडोलिनियम यौगिक ज्ञात हैं, विशेष रूप से ठोस अवस्था में। गैडोलिनियम(II) हैलाइड्स को टैंटलम कंटेनरों में धात्विक Gd की उपस्थिति में Gd(III) हैलाइड्स को गर्म करके प्राप्त किया जाता है। गैडोलिनियम सेस्किक्लोराइड Gd2Cl3 भी बनाता है, जिसे 800 C पर एनीलिंग करके GdCl में और अपचयित किया जा सकता है। यह गैडोलिनियम(I) क्लोराइड स्तरित ग्रेफाइट जैसी संरचना के साथ प्लेटलेट्स बनाता है।[12]

आइसोटोप

मुख्य लेख: Isotopes of gadolinium

प्राकृतिक रूप से पाया जाने वाला गैडोलिनियम तत्व के छह स्थिर आइसोटोप - 154Gd, 155Gd, 156Gd, 157Gd, 158Gd, और 160Gd - के साथ-साथ आदिम रेडियोन्यूक्लाइड 152Gd से बना है, जिसकी अर्ध-आयु 1.08×1014 वर्ष है। इन आइसोटोप में से, 158Gd की प्राकृतिक प्रचुरता 24.8% के साथ सबसे अधिक है।ref

गैडोलिनियम के 35 ज्ञात रेडियोआइसोटोप हैं, जिनका द्रव्यमान संख्या 133 से 173 तक है।ref[13] इनमें से तीन सबसे स्थिर अल्फा क्षय के माध्यम से समैरियम के आइसोटोप में बदल जाते हैं: 152Gd (t½ = 1.08×1014 वर्ष), 150Gd (t½ = 1.79×106 वर्ष), और 148Gd (t½ = 86.9 वर्ष)।ref[14] शेष सभी रेडियोआइसोटोप की अर्ध-आयु एक वर्ष से कम है, और अधिकांश की अर्ध-आयु दो मिनट से कम है।ref 147 या उससे कम द्रव्यमान संख्या वाले गैडोलिनियम के रेडियोआइसोटोप मुख्य रूप से इलेक्ट्रॉन कैप्चर के माध्यम से यूरोपियम के आइसोटोप में रेडियोधर्मी क्षय करते हैं, जबकि 161 या उससे अधिक द्रव्यमान संख्या वाले रेडियोआइसोटोप मुख्य रूप से बीटा माइनस क्षय के माध्यम से टर्बियम के आइसोटोप में क्षय होते हैं।[14] गैडोलिनियम के चौदह ज्ञात मेटास्टेबल आइसोमर्स भी हैं, जिनमें तीन सबसे स्थिर 143mGd (t½ = 110 सेकंड), 145mGd (t½ = 85 सेकंड), और 141mGd (t½ = 24.5 सेकंड) हैं।ref

154Gd, 155Gd, और 160Gd अवलोकन योग्य स्थिर हैं,[15][16] जिसका अर्थ है कि उनके क्षय होने का अनुमान है, लेकिन उनका क्षय कभी नहीं देखा गया है। 154Gd और 155Gd के क्रमशः 150Sm और 151Sm में अल्फा क्षय होने की उम्मीद है,[16] जबकि 160Gd के 160Dy में डबल बीटा क्षय होने की उम्मीद है।[15] 160Gd की अर्ध-आयु के लिए एक प्रयोगात्मक निचली सीमा 1.3×1021 वर्ष मापी गई है।[15]

इतिहास

Black and white bust painting of a young man with neckerchief in a coat. The hair is only faintly painted and looks grey.
जोहान गैडोलिन गैडोलिनाइट के नामकरणकर्ता हैं, वह खनिज जिसके नाम पर गैडोलिनियम का नाम रखा गया है

1794 में, फिनिश रसायनज्ञ और खनिज विज्ञानी जोहान गैडोलिन उस खनिज का रासायनिक विश्लेषण करने वाले पहले व्यक्ति बने जिसे अब गैडोलिनाइट के रूप में जाना जाता है,[17][18] जिसका नाम 1802 में जर्मन रसायनज्ञ मार्टिन क्लैप्रोथ द्वारा उनके नाम पर रखा गया था।[19][2] 1880 में, स्विस रसायनज्ञ जीन चार्ल्स गैलिसार्ड डी मारिग्नैक ने गैडोलिनाइट (जिसमें वास्तव में बहुत कम गैडोलिनियम होता है, लेकिन स्पेक्ट्रम दिखाने के लिए पर्याप्त है) और अलग खनिज सेराइट के नमूनों में एक अज्ञात तत्व, गैडोलिनियम की स्पेक्ट्रोस्कोपिक रेखाओं का अवलोकन किया, जिसमें नए तत्व की काफी अधिक मात्रा साबित हुई। डी मारिग्नैक ने अंततः सेराइट से एक खनिज ऑक्साइड को अलग किया, जिसे उन्होंने महसूस किया कि यह तत्व का ऑक्साइड था। उन्होंने तत्व को अनंतिम प्रतीक Yα के साथ नामित किया। फ्रांसीसी रसायनज्ञ पॉल-एमिल लेकॉक डी बोइसबॉड्रान ने 1886 में गैडोलिनाइट के नाम पर तत्व का नाम "गैडोलिनियम" रखा।[20][21][22][23] शुद्ध गैडोलिनियम धातु को पहली बार 1935 में फेलिक्स ट्रोम्बे द्वारा अलग किया गया था।[24]

प्राप्ति

गैडोलिनाइट

गैडोलिनियम कई खनिजों का एक घटक है, जैसे मोनाज़ाइट और बैस्टनेसाइट। धातु इतनी प्रतिक्रियाशील है कि यह स्वाभाविक रूप से मौजूद नहीं हो सकती है। विरोधाभासी रूप से, जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, खनिज गैडोलिनाइट में वास्तव में इस तत्व के केवल निशान होते हैं। पृथ्वी की पपड़ी में प्रचुरता लगभग 6.2 mg/kg है।[2] मुख्य खनन क्षेत्र चीन, अमेरिका, ब्राजील, श्रीलंका, भारत और ऑस्ट्रेलिया में हैं, जहाँ भंडार दस लाख टन से अधिक होने की उम्मीद है। शुद्ध गैडोलिनियम का विश्व उत्पादन लगभग 400 टन प्रति वर्ष है। आवश्यक गैडोलिनियम वाला एकमात्र ज्ञात खनिज, लेपरसोनाइट-(Gd), बहुत दुर्लभ है।[25][26]

उत्पादन

गैडोलिनियम का उत्पादन मोनाज़ाइट और बैस्टनेसाइट दोनों से किया जाता है।

  1. कुचले हुए खनिजों को हाइड्रोक्लोरिक एसिड या सल्फ्यूरिक एसिड के साथ निकाला जाता है, जो अघुलनशील ऑक्साइड को घुलनशील क्लोराइड या सल्फेट में परिवर्तित करता है।
  2. अम्लीय फिल्ट्रेट को कास्टिक सोडा के साथ pH 3–4 तक आंशिक रूप से उदासीन किया जाता है। थोरियम अपने हाइड्रॉक्साइड के रूप में अवक्षेपित हो जाता है, और फिर इसे हटा दिया जाता है।
  3. शेष समाधान को दुर्लभ मृदा तत्वों को उनके अघुलनशील ऑक्सालेट में बदलने के लिए अमोनियम ऑक्सालेट के साथ उपचारित किया जाता है। ऑक्सालेट को गर्म करके ऑक्साइड में बदल दिया जाता है।
  4. ऑक्साइड को नाइट्रिक एसिड में घोला जाता है जो मुख्य घटकों में से एक, सीरियम को बाहर करता है, जिसका ऑक्साइड HNO3 में अघुलनशील होता है।
  5. समाधान को गैडोलिनियम, समैरियम और यूरोपियम के डबल लवणों का एक क्रिस्टलीकृत मिश्रण बनाने के लिए मैग्नीशियम नाइट्रेट के साथ उपचारित किया जाता है।
  6. लवणों को आयन एक्सचेंज क्रोमैटोग्राफी द्वारा अलग किया जाता है।
  7. दुर्लभ-मृदा आयनों को फिर एक उपयुक्त जटिल एजेंट द्वारा चुनिंदा रूप से धोया जाता है।[2]

गैडोलिनियम धातु को इसके ऑक्साइड या लवणों से आर्गन वातावरण में 1450 C पर कैल्शियम के साथ गर्म करके प्राप्त किया जाता है। स्पंज गैडोलिनियम का उत्पादन पिघले हुए GdCl3 को कम दबाव पर 1312 C (Gd का गलनांक) से नीचे के तापमान पर एक उपयुक्त धातु के साथ अपचयित करके किया जा सकता है।[2]

अनुप्रयोग

गैडोलिनियम के कोई बड़े पैमाने पर अनुप्रयोग नहीं हैं, लेकिन इसके विभिन्न विशेष उपयोग हैं।

न्यूट्रॉन अवशोषक

चूंकि गैडोलिनियम में उच्च न्यूट्रॉन क्रॉस-सेक्शन होता है, इसलिए यह न्यूट्रॉन रेडियोग्राफी और परमाणु रिएक्टरों के परिरक्षण के साथ उपयोग के लिए प्रभावी है। इसका उपयोग कुछ परमाणु रिएक्टरों में, विशेष रूप से CANDU रिएक्टर प्रकार के, एक माध्यमिक, आपातकालीन शट-डाउन उपाय के रूप में किया जाता है।[2] गैडोलिनियम का उपयोग परमाणु समुद्री प्रणोदन प्रणालियों में बर्न करने योग्य जहर (burnable poison) के रूप में किया जाता है। ट्यूमर को लक्षित करने के लिए कैंसर की न्यूट्रॉन कैप्चर थेरेपी में गैडोलिनियम के उपयोग की जांच की गई है, और गैडोलिनियम युक्त यौगिक आशाजनक साबित हुए हैं।[27]

मिश्र धातु

गैडोलिनियम में असामान्य धातुकर्म गुण होते हैं, जिसमें 1% गैडोलिनियम लोहे, क्रोमियम और संबंधित मिश्र धातु की कार्यक्षमता और उच्च तापमान और ऑक्सीकरण के प्रति उनके प्रतिरोध में सुधार करता है।[28]

चुंबकीय कंट्रास्ट एजेंट

अनुचुंबकीय आयन, जैसे गैडोलिनियम, परमाणु स्पिन विश्राम दर को बढ़ाते हैं, जिससे गैडोलिनियम चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (MRI) के लिए एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट के रूप में उपयोगी हो जाता है। कार्बनिक गैडोलिनियम समन्वय परिसर और गैडोलिनियम यौगिकों के समाधानों का उपयोग चिकित्सा और चुंबकीय अनुनाद एंजियोग्राफी (MRA) प्रक्रियाओं में छवियों को बढ़ाने के लिए अंतःशिरा कंट्रास्ट एजेंट के रूप में किया जाता है। मैग्नेविस्ट (Magnevist) सबसे व्यापक उदाहरण है।[29][30] गैडोलिनियम से भरे नैनोट्यूब, जिन्हें "गैडोनैनोट्यूब" कहा जाता है, सामान्य गैडोलिनियम कंट्रास्ट एजेंट की तुलना में 40 गुना अधिक प्रभावी हैं।[31] पारंपरिक गैडोलिनियम-आधारित कंट्रास्ट एजेंट गैर-लक्षित होते हैं, जो इंजेक्शन के बाद आम तौर पर पूरे शरीर में वितरित हो जाते हैं, लेकिन वे आसानी से बरकरार रक्त-मस्तिष्क बाधा को पार नहीं करेंगे।[32] ब्रेन ट्यूमर, और अन्य विकार जो रक्त-मस्तिष्क बाधा को खराब करते हैं, इन एजेंटों को मस्तिष्क में प्रवेश करने और कंट्रास्ट-वर्धित MRI द्वारा उनकी पहचान की सुविधा प्रदान करते हैं। इसी तरह, उपास्थि की विलंबित गैडोलिनियम-वर्धित चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग एक आयनिक यौगिक एजेंट का उपयोग करती है, मूल रूप से मैग्नेविस्ट, जिसे इलेक्ट्रोस्टैटिक प्रतिकर्षण के आधार पर स्वस्थ उपास्थि से बाहर रखा जाता है, लेकिन ऑस्टियोआर्थराइटिस जैसी बीमारियों में प्रोटियोग्लाइकन-क्षीण उपास्थि में प्रवेश करेगा।

फॉस्फर

गैडोलिनियम का उपयोग चिकित्सा इमेजिंग में फॉस्फर के रूप में किया जाता है। यह एक्स-रे डिटेक्टरों की फॉस्फर परत में निहित होता है, जो एक बहुलक मैट्रिक्स में निलंबित होता है। फॉस्फर परत पर टर्बियम-डोप्ड गैडोलिनियम ऑक्सीसल्फाइड (Gd2O2S:Tb) स्रोत से निकलने वाली एक्स-रे को प्रकाश में परिवर्तित करता है। यह सामग्री Tb3+ की उपस्थिति के कारण 540 nm पर हरा प्रकाश उत्सर्जित करती है, जो इमेजिंग गुणवत्ता को बढ़ाने के लिए बहुत उपयोगी है। Gd का ऊर्जा रूपांतरण 20% तक है, जिसका अर्थ है कि फॉस्फर परत से टकराने वाली एक्स-रे ऊर्जा का पांचवां हिस्सा दृश्य फोटॉन में परिवर्तित किया जा सकता है।[33] गैडोलिनियम ऑक्सीऑर्थोसिलिकेट (Gd2SiO5, GSO; आमतौर पर 0.1–1.0% Ce द्वारा डोप किया जाता है) एक एकल क्रिस्टल है जिसका उपयोग पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी जैसी चिकित्सा इमेजिंग में सिंटिलेटर के रूप में और न्यूट्रॉन का पता लगाने के लिए किया जाता है।[34]

गैडोलिनियम यौगिकों का उपयोग रंगीन टीवी ट्यूबों के लिए हरे फॉस्फर बनाने के लिए भी किया जाता था।[35]

गामा किरण उत्सर्जक

गैडोलीनियम-153 का उत्पादन परमाणु रिएक्टर में मौलिक यूरोपियम या संवर्धित गैडोलीनियम लक्ष्यों से किया जाता है। इसकी अर्ध-आयु 240 ± 10 दिन होती है और यह 41 keV और 102 keV पर मजबूत शीर्षों (peaks) के साथ गामा विकिरण उत्सर्जित करता है। इसका उपयोग कई गुणवत्ता-आश्वासन अनुप्रयोगों में किया जाता है, जैसे कि लाइन स्रोत और अंशांकन फैंटम (calibration phantoms), ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि परमाणु-चिकित्सा इमेजिंग सिस्टम सही ढंग से काम कर रहे हैं और रोगी के भीतर रेडियोआइसोटोप वितरण की उपयोगी छवियां तैयार कर रहे हैं।[36] इसका उपयोग एक्स-रे अवशोषण माप में और ऑस्टियोपोरोसिस स्क्रीनिंग के लिए अस्थि घनत्व गेज (bone density gauges) में गामा-किरण स्रोत के रूप में भी किया जाता है।

इलेक्ट्रॉनिक और ऑप्टिकल उपकरण

गैडोलीनियम का उपयोग गैडोलीनियम यट्रियम गार्नेट (Gd:Y3Al5O12) बनाने के लिए किया जाता है, जिसके माइक्रोवेव अनुप्रयोग हैं और इसका उपयोग विभिन्न ऑप्टिकल घटकों के निर्माण में तथा मैग्नेटो-ऑप्टिकल फिल्मों के लिए सब्सट्रेट सामग्री के रूप में किया जाता है।[37]

ईंधन कोशिकाओं में इलेक्ट्रोलाइट

गैडोलीनियम सॉलिड ऑक्साइड फ्यूल सेल (SOFCs) में इलेक्ट्रोलाइट के रूप में भी काम कर सकता है। सीरियम(IV) ऑक्साइड ( गैडोलीनियम-डोप्ड सीरिया के रूप में) जैसी सामग्रियों के लिए डोपेंट के रूप में गैडोलीनियम का उपयोग करने से एक ऐसा इलेक्ट्रोलाइट प्राप्त होता है जिसमें उच्च आयनिक चालकता और कम परिचालन तापमान दोनों होते हैं।

मैग्नेटोकैलोरिक के माध्यम से चुंबकीय प्रशीतन

कक्ष तापमान के निकट चुंबकीय प्रशीतन के अध्ययन में गैडोलीनियम मानक संदर्भ सामग्री है।[7]:1528 शुद्ध Gd स्वयं अपने 20 C के क्यूरी तापमान के निकट एक बड़ा मैग्नेटोकैलोरिक प्रभाव प्रदर्शित करता है, और इसने अधिक प्रभाव और ट्यून करने योग्य क्यूरी तापमान वाले Gd मिश्र धातुओं के उत्पादन में रुचि जगाई है। Gd5(Si_{x}Ge_{1−x})4 में, क्यूरी तापमान को समायोजित करने के लिए Si और Ge की संरचनाओं को बदला जा सकता है। गैडोलीनियम-आधारित सामग्रियां, जैसे कि Gd5(Si_{x}Ge_{1−x})4, अपने उच्च क्यूरी तापमान और विशाल मैग्नेटो-कैलोरिक प्रभाव के कारण वर्तमान में सबसे आशाजनक सामग्रियां हैं। चुंबकीय प्रशीतन पारंपरिक प्रशीतन विधियों की तुलना में महत्वपूर्ण दक्षता और पर्यावरणीय लाभ प्रदान कर सकता है।[7]

अतिचालक (Superconductors)

गैडोलीनियम बेरियम कॉपर ऑक्साइड (GdBCO) एक अतिचालक है[38][39][40] जिसके अनुप्रयोग अतिचालक मोटरों या जनरेटरों में होते हैं, जैसे कि पवन टर्बाइनों में।[41] इसे सबसे व्यापक रूप से शोधित क्यूप्रेट उच्च तापमान अतिचालक, यट्रियम बेरियम कॉपर ऑक्साइड (YBCO) के समान तरीके से निर्मित किया जा सकता है और यह एक समान रासायनिक संरचना (GdBa2Cu3O_{7−δ}) का उपयोग करता है।[42] इसका उपयोग 2014 में एक थोक उच्च तापमान अतिचालक में उच्चतम फंसे हुए चुंबकीय क्षेत्र के लिए एक नया विश्व रिकॉर्ड स्थापित करने के लिए किया गया था, जिसमें दो GdBCO थोक के भीतर 17.6T का क्षेत्र फंसा हुआ था।[43][44]

अस्थमा का उपचार

अस्थमा में फेफड़ों के ऊतकों के निशान (scarring) को रोकने के लिए गैडोलीनियम की एक संभावित उपचार के रूप में जांच की जा रही है। चूहों में इसका सकारात्मक प्रभाव देखा गया है।[45]

विशिष्ट और पूर्व अनुप्रयोग

गैडोलीनियम का उपयोग जापानी सुपर-कामियोकांडे डिटेक्टर में सुपरनोवा विस्फोटों को महसूस करने के लिए एंटीन्यूट्रिनो का पता लगाने के लिए किया जाता है। डिटेक्टर के अति-शुद्ध पानी में प्रोटॉन द्वारा एंटीन्यूट्रिनो अवशोषण से उत्पन्न होने वाले कम-ऊर्जा वाले न्यूट्रॉन गैडोलीनियम नाभिक द्वारा पकड़ लिए जाते हैं, जो बाद में गामा किरण उत्सर्जित करते हैं जिन्हें एंटीन्यूट्रिनो हस्ताक्षर के हिस्से के रूप में पहचाना जाता है।[46]

गैडोलीनियम गैलियम गार्नेट (GGG, Gd3Ga5O12) का उपयोग नकली हीरों और कंप्यूटर बबल मेमोरी के लिए किया जाता था।[47]

सुरक्षा

ज्ञानसन्दूक
Container only yes
Hazards
Ghssignalword Danger
Hphrases 261
Pphrases 422[48]
Nfpa-h 0
Nfpa-f 0
Nfpa-r 1
Nfpa-s w

मुक्त आयन के रूप में, गैडोलीनियम को अक्सर अत्यधिक विषाक्त बताया जाता है, लेकिन एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट कीलेटेड यौगिक होते हैं और इन्हें अधिकांश व्यक्तियों में उपयोग के लिए सुरक्षित माना जाता है। जानवरों में मुक्त गैडोलीनियम आयनों की विषाक्तता कई कैल्शियम-आयन चैनल निर्भर प्रक्रियाओं के साथ हस्तक्षेप के कारण होती है। 50% घातक खुराक लगभग 0.34 mmol/kg (IV, चूहा)[49] या 100–200 mg/kg है। कृंतकों में विषाक्तता अध्ययन से पता चलता है कि गैडोलीनियम का कीलेशन (जो इसकी घुलनशीलता में भी सुधार करता है) मुक्त आयन के संबंध में इसकी विषाक्तता को 31 के कारक से कम कर देता है (अर्थात, Gd-कीलेट के लिए घातक खुराक 31 गुना बढ़ जाती है)।[50][51][52] इसलिए यह माना जाता है कि मनुष्यों में गैडोलीनियम-आधारित कंट्रास्ट एजेंटों (GBCAs[53]) की नैदानिक विषाक्तता कीलेटिंग एजेंट की ताकत पर निर्भर करेगी; हालाँकि यह शोध अभी पूरा नहीं हुआ है। दुनिया भर में लगभग एक दर्जन विभिन्न Gd-कीलेटेड एजेंटों को एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट के रूप में अनुमोदित किया गया है।[54][55][56]

गैडोलीनियम-आधारित कंट्रास्ट एजेंटों का उपयोग मस्तिष्क, हड्डी, त्वचा और अन्य ऊतकों में गैडोलीनियम के जमाव का कारण बनता है, जिसकी मात्रा गुर्दे के कार्य, कीलेट्स की संरचना (रैखिक या मैक्रोसाइक्लिक) और दी गई खुराक पर निर्भर करती है।[57] गुर्दे की विफलता वाले रोगियों में, नेफ्रोजेनिक सिस्टमिक फाइब्रोसिस (NSF)[58] नामक एक दुर्लभ लेकिन गंभीर बीमारी का खतरा होता है जो गैडोलीनियम-आधारित कंट्रास्ट एजेंटों के उपयोग के कारण होती है। यह बीमारी स्क्लेरोमाइक्सेडेमा और कुछ हद तक स्क्लेरोडर्मा जैसी दिखती है। यह कंट्रास्ट एजेंट के इंजेक्शन के महीनों बाद हो सकती है। गैडोलीनियम के साथ इसका संबंध, न कि वाहक अणु के साथ, इस तथ्य से पुष्टि होती है कि यह विभिन्न कंट्रास्ट सामग्रियों के साथ होता है जिनमें गैडोलीनियम को बहुत अलग वाहक अणुओं द्वारा ले जाया जाता है। NSF के जोखिम के कारण, इन एजेंटों का उपयोग गुर्दे की अंतिम चरण की विफलता वाले किसी भी व्यक्ति के लिए अनुशंसित नहीं है क्योंकि उन्हें आपातकालीन डायलिसिस की आवश्यकता हो सकती है।

कैनेडियन एसोसिएशन ऑफ रेडियोलॉजिस्ट के वर्तमान दिशानिर्देशों में शामिल है[59] कि डायलिसिस रोगियों को गैडोलीनियम एजेंट केवल तभी प्राप्त करने चाहिए जब आवश्यक हो और उन्हें परीक्षा के बाद डायलिसिस प्राप्त करना चाहिए। यदि किसी डायलिसिस रोगी पर कंट्रास्ट-वर्धित एमआरआई किया जाना आवश्यक है, तो यह अनुशंसित है कि कुछ उच्च-जोखिम वाले कंट्रास्ट एजेंटों से बचा जाए, लेकिन यह नहीं कि कम खुराक पर विचार किया जाए।[59] अमेरिकन कॉलेज ऑफ रेडियोलॉजी अनुशंसा करता है कि कंट्रास्ट-वर्धित एमआरआई परीक्षाएं एहतियाती उपाय के रूप में डायलिसिस के जितना संभव हो सके करीब की जानी चाहिए, हालांकि यह साबित नहीं हुआ है कि इससे NSF विकसित होने की संभावना कम हो जाती है।[60] FDA अनुशंसा करता है कि कई जीवनकाल खुराक की आवश्यकता वाले रोगियों, गर्भवती महिलाओं, बच्चों और सूजन संबंधी स्थितियों वाले रोगियों में उपयोग किए जाने वाले GBCA के प्रकार का चयन करते समय गैडोलीनियम प्रतिधारण की संभावना पर विचार किया जाना चाहिए।[61]

एनाफिलेक्टॉइड प्रतिक्रियाएं दुर्लभ हैं, जो लगभग 0.03–0.1% में होती हैं।[62]

मानवीय उपयोग के कारण गैडोलीनियम संदूषण के दीर्घकालिक पर्यावरणीय प्रभाव चल रहे शोध का विषय हैं।[63][64]

जैविक उपयोग

गैडोलीनियम की कोई ज्ञात मूल जैविक भूमिका नहीं है, लेकिन इसके यौगिकों का उपयोग बायोमेडिसिन में अनुसंधान उपकरणों के रूप में किया जाता है। Gd3+ यौगिक एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट के घटक हैं।[65] इसका उपयोग सोडियम लीक चैनलों और स्ट्रेच एक्टिवेटेड आयन चैनलों को ब्लॉक करने के लिए विभिन्न आयन चैनल इलेक्ट्रोफिजियोलॉजी प्रयोगों में किया जाता है।[66] गैडोलीनियम का उपयोग हाल ही में इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस के माध्यम से एक प्रोटीन में दो बिंदुओं के बीच की दूरी को मापने के लिए किया गया है, जो कि w-बैंड (95 GHz) आवृत्तियों पर EPR संवेदनशीलता के कारण गैडोलीनियम के लिए विशेष रूप से उपयुक्त है।[67]

नोट्स

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बाहरी कड़ियाँ

gadolinium

स्रोत: अंग्रेज़ी विकिपीडिया के "Gadolinium" लेख पर आधारित। मूल लेख: https://en.wikipedia.org/wiki/Gadolinium यह लेख स्वचालित रूप से तैयार किया गया है।

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