質子引起天然鈾裂變產生醫(yī)用同位素鉬-99的研究

王潔茹，陳德勝，黃清鋼，秦 芝，郭治軍，吳曉蕾，初 劍，白 靜，田 偉，范芳麗，殷小杰，談存敏，曹石巍

(1.中國科學院近代物理研究所，蘭州 730000；2.蘭州大學 核科學與技術學院，蘭州 730000 3.中國科學院大學 核科學與技術學院，北京 100000)

單光子發(fā)射計算機斷層成像(Single-Photon Emission Computed Tomograp-hy, SPECT)廣泛應用于核醫(yī)學領域內人體多種臟器和組織的疾病診斷。目前，可用于SPECT的核素主要有99mTc、131I以及67Ga等。其中，99mTc的應用最為廣泛，在SPECT顯像中占70%以上。99mTc主要由其母體核素99Mo(T1/2=65.95 h)衰變獲得。目前，99Mo主要通過反應堆輻照高濃鈾(HEU)裂變制備，全球主要由加拿大NUR、法國OSIRIS、荷蘭HFR、比利時BR2、波蘭MARIA以及捷克LVR-15等反應堆生產供應[1]。但是，大多數(shù)反應堆由于長時間和高負荷運行，導致其在安全、技術以及材料等方面出現(xiàn)了大量的問題，反應堆多次發(fā)生檢修、停堆等事件，全球醫(yī)用同位素99Mo經常出現(xiàn)供不應求[2-4]。

在我國20世紀80年代初，中國核動力研究設計院和中國原子能科學研究院分別研制了高比活度的凝膠型和裂變型99mTc發(fā)生器，實現(xiàn)了國內99mTc的自主化生產，基本停止了進口。而到21世紀初，由于多方面原因，國內99Mo/99mTc生產停止供應，基本依賴進口母體核素99Mo制備99Mo/99mTc發(fā)生器來滿足國內臨床應用。目前，我國每年99Mo的進口量高達185 TBq以上，但仍然不能滿足國內臨床應用的需求[5]。

為了保證99Mo/99mTc的穩(wěn)定供應，雖然反應堆輻照高濃或低濃鈾制備99Mo得到的活度高，但是單純靠反應堆生產99Mo已經無法滿足應用需求，因此選用成本低、核擴散風險低、工藝簡單、安全性好的生產醫(yī)用同位素99Mo的新型技術尤為重要。近年來，基于加速器生產制備99Mo的研究備受關注[6-9]，例如，natU(p,f)99Mo、232Th(p,f)99Mo、96Zr(α,n)99Mo以及238U(γ,f)99Mo等。相對于其他核反應，以100Mo(p, n)反應生產制備的99Mo的活度較高。但從靶材料成本考慮，相對于100Mo和232Th，天然鈾成本較低、容易獲得。除此以外，質子轟擊天然鈾制備得到的99Mo比活度較高，有利于后續(xù)發(fā)生器的裝配。

中國科學院近代物理研究所自主研發(fā)的超導直線加速器可提供流強毫安量級的質子束流，能夠長時間穩(wěn)定運行，可為開展天然鈾裂變產生99Mo的研究提供理想的實驗平臺?；诖耍疚母倪M了α-安息香肟沉淀工藝，建立了從鈾和大量雜質核素中沉淀分離99Mo的工藝路線。在此基礎上，裝配了99Mo/99mTc發(fā)生器。研究結果以期能夠為國內加速器輻照天然鈾生產99Mo提供一定的參考。

1 實驗材料

1.1 主要儀器與裝置

超導直線加速器(China ADS Front End, CAFE)：中國科學院近代物理研究所；SK-G06163K-R高溫管式爐：天津市中環(huán)實驗電爐有限公司；DY-20壓片機：天津科器高新技術公司；DGH-9076A鼓風干燥箱：上海一恒科學儀器有限公司；THZ-300C型恒溫培養(yǎng)搖床：上海一恒科學儀器有限公司；TGL-200MC離心機：長沙平凡儀器儀表有限公司；SevenExcellence S470 pH計：配有Intab?Expert Pro-ISM電極，梅特勒-托利多公司；XSR104精密電子天平：梅特勒-托利多公司；BT-100FCE蠕動泵：配有DT10泵頭，保定雷弗流體科技有限公司；Agilent 5100電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)：美國安捷倫科技有限公司；GEM-30200 HPGe-γ探測器：探測效率約為25%，使用152Eu(121.7 keV、344.3 keV 1 408 keV、964.1 keV、1 112.1 keV、778.9 keV)、60Co(1 173.2 keV,1 132.5 keV)進行能量刻度、能量分辨率(FWHM)為1.7 keV(1 332.5 keV)，配有DSPEC-502TM數(shù)字化γ譜儀，美國EG& Ortec公司。

1.2 主要材料與試劑

二氧化鈾(UO2)：分析純，中核北方核燃料元件有限公司提供；八氧化三鈾(U3O8)：分析純，UO2在空氣下773 K燒結5 h制備；金屬鉬(Mo粉)：分析純，薩恩化學技術(上海)有限公司；硬脂酸鋅：分析純，薩恩化學技術(上海)有限公司；乙醇：分析純，天津市富宇精細品化學有限公司；氫氧化鈉：分析純，利安隆博華(天津)醫(yī)藥化學有限公司；α-安息香肟(α-BO)：分析純，Alfa Aesar化學有限公司；酸性氧化鋁柱(A-Al2O3)：美國waters公司。

2 實驗方法

2.1 natUO2靶的制備與輻照

向natUO2粉末中添加5 wt%的U3O8粉末和3 wt%硬脂酸鋅，并加入乙醇濕法混合均勻后進行壓片(模具尺寸：13 mm；壓力：450 MPa；時間：10 min)。最后，將壓制好的靶片在氬氣氣氛(660 mL/min)中加熱至873 K保溫1 h，1 473 K時通入CO2/Ar(VCO2/VAr=2%)混合氣保溫4 h，實驗完成后，立即停止通入CO2，然后以10 K/min降溫至1 073 K后，自然降溫至室溫取出。

將制備好的natUO2靶片裝入如圖1和圖2所示的靶托中，并用銦絲密封后，置于靶室中放置強流超導直線加速器終端進行輻照(如圖2所示)，質子能量為20 MeV、流強為2.7 eμA的束流輻照natUO2靶片1 h。

圖1 靶片裝靶對比圖Fig.1 The loading of the natUO2

圖2 超導直線加速器及靶系統(tǒng)結構示意圖Fig.2 China ADS Front End (CAFE) and the structure of the target system

2.2 99Mo的分離以及發(fā)生器的裝配

2.2.199Mo的分離以及99Mo沉淀再處理 將冷卻1 d后的靶件分為平行三次實驗，每次稱量200 mgnatUO2靶片，并添加2 mg Mo粉一并置于高壓反應釜中，再加入7 mL 2 mol/L HNO3放入烘箱373 K恒溫1 h。待完全溶解并降溫后，移取溶解的鈾靶溶液置離心管中，并加入7 mL 20 g/L α-BO的乙醇溶液，置于搖床中震蕩10 min(250 r/min)，過濾后，向沉淀加入15 mL 0.1 mol/L HNO3進行洗滌過濾，重復三次。再加入20 mL去離子水洗滌并過濾。最后，加入7 mL 0.5 mol/L NaOH溶解99Mo沉淀。利用HPGe-γ探測器對沉淀分離前后的鈾靶溶液和99Mo沉淀中的99Mo和雜質核素進行測量，計算99Mo的回收率以及雜質核素的去除率。

將制備的99Mo沉淀溶解液在373 K下蒸干。放置管式爐中363 K下保溫0.5 h，再升溫至673 K下保溫3 h，升溫速率為10 K/min。自然冷卻至室溫后，用7 mL 0.2 mol/L氨水溶解并過濾，得到99Mo的澄清濾液。實驗流程示于圖3。

圖3 99Mo分離流程Fig.3 The separation scheme of 99Mo

2.2.299Mo/99mTc發(fā)生器的裝配 用生理鹽水平衡A-Al2O3柱(A-Al2O3填裝量為1.71 g，尺寸為50～300目；柱長：3 cm； 柱徑：1 cm)，以1 mL/min速度淋洗，共收集50 mL。同時，將分離純化的99Mo溶液的pH調節(jié)至4～5。待A-Al2O3柱平衡結束后，將99Mo溶液以1 mL/min通過A-Al2O3柱，99Mo吸附完成后，用生理鹽水淋洗50 mL，制備成99Mo/99mTc發(fā)生器，如圖4所示。每隔約24 h，利用生理鹽水淋洗99mTc，并利用HPGe-γ探測器測量淋洗液中99mTc，計算99mTc的回收率。

2.3 99mTc化學純度和放射性核純度的測定

利用HPGe-γ高純鍺探測器，對收集的99mTc生理鹽水產品進行測定。待99mTc生理鹽水產品放置3 d后，利用ICP-OES測定產品中的Al、Mo以及U的含量。

圖4 99Mo/99mTc發(fā)生器Fig.4 99Mo/99mTc generator

2.4 放射性活度、回收率以及去除率的計算

核素的活度計算公式(1)如下：

(1)

式中：A為核素的活度；N為樣品全能峰凈面積，計數(shù)；N0為本底譜全能峰凈面積，計數(shù)；t為測量的活時間，s；η為全能峰效率；Iγ為全能峰分支比；K為核素活度衰變修正因子。

99Mo回收率的計算公式(2)如下：

(2)

式中：A0為分離前鈾靶溶液中99Mo活度；A為分離后沉淀中核素99Mo活度。

雜質核素的去除率，計算公式(3)如下：

(3)

式中：A0為去除前鈾靶溶液中雜質某核素活度；A為去除后沉淀中雜質某核素活度。

3 結果與討論

3.1 天然UO2靶的制備與輻照

本文UO2靶的制備主要參考核燃料UO2芯塊制備燒結工藝[20-22]，通過添加一定量的U3O8和硬脂酸鋅提高UO2的壓縮性、成形性以及致密性，從而改善UO2的壓制能力。如圖 5a所示，通過此方法得到了成形的UO2靶片。UO2靶片的燒結主要在微氧化氣氛下完成，其原因在于可以大幅度降低燒結溫度，不易導致UO2靶片的碎裂，同時降低對煅燒設備的要求。首先在873 K下保溫1 h，主要是為了去除有機物、水以及硬脂酸鋅。在1 473 K下保溫4 h，此階段為UO2靶片致密化階段，其中，靶片中氣體基本被排空，體積減小。最終制得的靶片密度為8.4 g/cm3。燒結后靶片示于圖5b。

a——壓制靶片；b——燒結靶片圖5 natUO2靶片a——The target after suppression;b——The target after incinerationFig.5 natUO2 target

輻照后的UO2靶的γ能譜圖如圖6所示。由圖6可見，輻照后的UO2靶中含有多種核素，主要以99Mo、99mTc、132Te、131I、103Ru、132I以及140La等為主。

圖6 輻照后natUO2靶γ能譜圖Fig.6 The γ spectrum of the natUO2 target after irradiation

3.2 99Mo的分離

輻照后的UO2靶和沉淀分離后的99Mo的γ譜圖示于圖7。為了從鈾和大量雜質核素中完全沉淀99Mo，因此通過添加Mo粉進行共沉淀分離，提高99Mo的回收率。由實驗結果可知，三次沉淀分離中99Mo的回收率分別為94.8%、98.7%以及93.5%。由此可以得到，通過α-安息香肟沉淀，99Mo的回收率大于90%。

a——沉淀前鈾溶液；b——沉淀后99Mo溶解液圖7 99Mo沉淀分離前后對比γ譜圖a——before precipitation;b——after precipitationFig.7 The γ spectrum of before and after precipitation of 99Mo

雜質核素的去除率列于表1。由圖7b和表1可知，通過α-安息香肟沉淀后，大部分雜質核素被去除，例如131I、140La、95Y、132Te、132I以及103Ru等，去除率可達90%以上，其中，95Zr去除率可達80%以上。

表1 沉淀后雜質核素的去除率Table 1 Decontamination of impurity nuclides after precipitation

3.3 99Mo的純化

99Mo的純化前后對比γ譜圖示于圖8。通過對99Mo沉淀進行溶解、蒸干、焚燒以及過濾等處理步驟后，大部分雜質核素再次被去除，99Mo得到進一步純化。例如132Te、140La、95Y、140Ba以及95Zr等，在燒結過程中可能形成氧化物，這些核素的氧化物均不溶于氨水，進而幾乎全部被去除。而在圖8b中可以看到，在純化后99Mo的γ能譜圖中，131I和132I的γ峰仍明顯存在，未被完全去除。但是在后續(xù)發(fā)生器的裝配過程中，用過量的生理鹽水淋洗酸性氧化鋁柱，會幾乎全部去除I的相關核素，由圖10可以看到，最終在99mTc產品的γ能譜圖中未看見與I相關核素的γ能量峰。

a——再純化前99Mo；b——再純化后99Mo圖8 99Mo再純化對比γ譜圖a——before purification of 99Mo;b——after purification of 99MoFig.8 The γ spectrum of the further purification of 99Mo

3.4 99Mo/99mTc發(fā)生器的淋洗

圖9 99mTc淋洗曲線Fig.9 The elution curve of 99mTc

99Mo/99mTc發(fā)生器的99mTc的淋洗曲線和淋洗累積曲線示于圖9。由淋洗曲線可知，99mTc主要集中在4.5 mL以內。從累積曲線中可以看出，在淋洗前11 mL，隨著淋洗體積的增加，99mTc的累積產率逐漸增加；在體積達到11 mL之后，99mTc的累積產率沒有明顯增加，達到80%以上。因此，過量的淋洗體積，不會增加99mTc的回收率，反而導致99mTc濃度的下降。值得注意的是，在淋洗體積前3 mL，99mTc的濃度較低，最好棄去，從第4 mL開始收集99mTc至第11 mL左右為止，共收集8 mL為宜。

根據(jù)文獻[23]報道，99Mo/99mTc發(fā)生器在24 h內，隨著時間的增長，99mTc的回收率逐漸增加。當時間達到24 h后，99Mo-99mTc達到放射性平衡，99mTc的活度不再增加，因此，在本次實驗中，每隔24 h淋洗一次99mTc，具體淋洗回收率和99mTc的相對活度如表2所示。由表2可知，每次淋洗99mTc的回收率均大于80%。除此以外，隨著時間的推移，99mTc的活度逐漸下降，淋洗一周后，99mTc的相對活度降至第一次淋洗99mTc的28%。

最終收集的99mTc產品的γ能譜圖如圖10所示，在99mTc淋洗液中未檢測到99Mo以及其他雜質核素γ能量峰。表3給出了99mTc產品中Al、Mo以及U的含量。結果發(fā)現(xiàn)，99mTc的產品中Al、Mo以及U的含量均低于檢出限。綜上，99mTc產品中未檢測到99Mo以及其他γ雜質核素，同時，99mTc產品中Al、Mo以及U的含量極低。

表2 99mTc的淋洗回收率Table 2 Recovery yield of 99mTc

圖10 99mTc產品的γ能譜圖Fig.10 The γ spectra of 99mTc

表3 99mTc產品中Al、Mo以及U的含量Table 3 The content of Al, Mo and U in the 99mTc product

4 結論

通過本文研究，成功建立了質子引起天然鈾裂變產物中99Mo分離的工藝路線，并將提取的99Mo裝配為99Mo/99mTc發(fā)生器。與反應堆輻照鈾制備99Mo相比，雖然此方法制備的99Mo活度不高，但是整體制備分離流程原理簡單、可操作性強、安全系數(shù)高、成本低，其具有一定的應用潛力。期望本工作結果能夠為國內加速器輻照天然鈾裂變生產99Mo提供參考。

致謝：感謝中國科學院近代物理研究所直線加速器中心的老師和同學們在此工作中提供的支持與幫助。