钠钾液态金属与水反应的热效应分析

钠钾合金是一类化学性质非常活泼的合金［19-21］，通常情况下保存在煤油中，具有银白色金属光泽（图11.16）。当钾的质量百分比为40%～90%时，钠钾合金在常温下呈现液态。当合金中钾的质量百分比为77.8%时为共晶配比，钠钾合金的熔点最低，仅为-12.8℃。

由于钠和钾活泼的化学性质，钠钾合金遇水会发生剧烈反应，同时释放大量的热量［21］。化学反应方程式如下：

图11.16　钠钾合金性质［19］

a.钠钾液态金属形态；b.钠钾合金（1∶1）液态金属的理论放热效应。

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基于上述反应式，当钠钾合金（1∶1）以固定的速率注射到1 mL水溶液中，水溶液的温升及产氢量和注射率之间的关系如图11.18b所示（理论计算值）。从中可见，即使是微量的钠钾合金产热量也十分可观。

钠钾液态金属与水反应释放的热效应，可用作肿瘤消融治疗。中科院理化所Rao等开展了相应实验［19-21］，发现在离体的猪肉组织中同一位置处，每次分别注射0.1 mL、0.15 mL及0.1 mL钠钾合金（1∶1）时，均伴随着强烈的温度脉冲，三次注射后的峰值温度分别为94.43℃、117.13℃和99.67℃。注射量为0.1mL时，组织的温升约为80℃；注射量为0.15 mL时，最大温升可达100℃。局部的强烈释热对组织造成了热损伤，注射之后的猪肉组织呈现出烧伤之后的蛋白变性。损伤区为不规则圆柱体，圆柱体的高度为20 mm，圆柱体的平均直径为8 mm，而注射针的直径仅为0.5 mm，说明热传导及扩散仍主要是沿径向传播。损伤区体积经估算为1 cm3，为钠钾合金注射量的3倍。这组概念性实验也直接验证了微量钠钾液态金属可以在无需任何外部设备的情况下，通过与组织中自含水分的化学反应实现高能量密度的热量释放。

借助于红外热像仪，可以记录碱金属与组织水分发生反应开始的发生、发展、衰减及结束的全过程（图11.17）。当碱金属注射到肿瘤组织后1 min时，放热开始；随着反应进行，加热区持续不断扩大，而且在注射点附近温度上升很快。在红外热像仪的辅助下，损伤区域的大小及形状实时地显示于屏幕。从加热5 min红外图可见，高温区主要集中在两个插入点附近，而插入点之间仍有一部分区域并未得到升温。因此，红外图的信息提示操作者需通过调整注射点位置来控制治疗过程。为了获取更为准确的温度信息，利用红外表面影像信息对体内温度进行无损重构，可望对手术方案的实时监测和评估起到重要的应用价值。

图11.17　EMT6肿瘤组织在碱金属消融过程中的红外热像图

在实际的手术监测和引导方面，碱金属热疗法由于避免了电磁辐射，其温度测量和成像会变得相对简化且准确，因而更能灵活地满足治疗要求。比如，体内温度精确测量可通过发展镀膜的针式多点温度传感器解决；pH值分布可通过探测试验加以评估；而在影像引导方面，由于注入肿瘤部位的碱金属是非磁性物质，不会引起抗磁效应，因此新方法与大多数常规影像仪器如MRI、超声及X-CT等有很好的相容性。