電鍍法制備富集112Cd靶

高 靖，夏靈廳，胡映江，李飛澤，蘭 圖，楊吉軍，廖家莉，劉 寧，楊遠(yuǎn)友

(四川大學(xué) 原子核科學(xué)技術(shù)研究所，輻射物理及技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610064)

放射性核素111In具有優(yōu)良的核性質(zhì)(T1/2=2.80,Eγ=171.3 keV,Iγ=90.3% &Eγ=245.4 keV,Iγ=94%)，可用于肝癌的靶向診斷和治療、胃癌和淋巴結(jié)轉(zhuǎn)移的診斷、直腸癌診斷、心肌損傷檢測等核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[1-4]。獲得足量的高放射性核純度111In是開展111In放射性藥物研究及臨床應(yīng)用的前提和基礎(chǔ)，但目前大多數(shù)方法制備的111In存在低產(chǎn)額或低放射性核純度的問題[5]，限制了111In在核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。

111In一般可以通過以下幾種核反應(yīng)產(chǎn)生[6-12]：(1)用α輻照天然銀，通過natAg(α，xn)111In核反應(yīng)制備；(2)用質(zhì)子輻照天然錫，通過natSn(p，x)111In獲得；(3)用質(zhì)子或氘輻照天然或富集鎘通過natCd(p，xn)111In或112Cd(p，n)111In生產(chǎn)。與銀或錫作為靶材相比，鎘靶制備的111In產(chǎn)額普遍較高[5]。然而，由于天然鎘含有111Cd(12.80%)、112Cd(24.13%)、113Cd(12.22%)和114Cd(28.73%)等8種穩(wěn)定同位素，質(zhì)子或氘輻照天然鎘除了產(chǎn)生111In外，還會產(chǎn)生114mIn、115mIn、110mIn、109mIn等雜質(zhì)核素[9-11,13]，嚴(yán)重影響111In放射性核純度。北京師范大學(xué)[10]、原子高科[11]、中國原子能科學(xué)研究院[14]和本課題組[9]等曾開展過利用天然Cd靶制備111In的工藝流程研究，發(fā)現(xiàn)111In的放射性核純度一般僅為96%，難以滿足臨床實(shí)驗(yàn)要求，為提高111In的放射性核純度，需要尋求新的方法。由于產(chǎn)額高、雜質(zhì)少，國內(nèi)外學(xué)者普遍認(rèn)為質(zhì)子輻照富集的112Cd是制備醫(yī)用111In最合適的方法[15-16]。

為加快推進(jìn)111In標(biāo)記藥物在國內(nèi)核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的研究，計(jì)劃利用四川大學(xué)CS-30回旋加速器通過112Cd(p,2n)111In核反應(yīng)制備高放射性核純度111In。使用富集112Cd制備111In，首先要考慮制備適合CS-30回旋加速器輻照的富集112Cd靶件。長期以來，研究人員大多采用硫酸鹽電鍍或氰化物電鍍來制備鎘靶[17-19]。由于硫酸鹽浴一般都含有銨離子和螯合劑等成分，直接與重金屬離子絡(luò)合，不利于回收富集112Cd[20]。采用氰化物電鍍效果雖好，但氰化物為劇毒，易導(dǎo)致環(huán)境污染。陳玉清等[22]開展了一種簡單新型的硫酸體系電鍍，該方法避免了氰化物以及大量銨離子和螯合劑等成分的使用，但并未對低濃度鎘的電鍍進(jìn)行研究，考慮到富集112Cd價(jià)格相對昂貴，因此有必要進(jìn)行進(jìn)一步的探索。

本研究擬利用富集112Cd制備適合CS-30回旋加速器輻照靶件，對電鍍工藝進(jìn)行相關(guān)探索，在盡可能控制成本的條件下，對影響富集112Cd靶質(zhì)量及厚度的各種因素進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳工藝條件，并對富集112Cd靶厚與實(shí)際產(chǎn)額的關(guān)系進(jìn)行初步探索。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試劑

1.1.1儀器設(shè)備 BS201S電子天平：最大測量量程210 g，精度0.1 mg，德國Sartorius公司；0～15 V/1 A兩路直流穩(wěn)流電源：廣州郵科電源；自制聚四氟乙烯電沉積槽：外部尺寸：16 cm×7 cm×7 cm，內(nèi)部尺寸：13 cm×4.5 cm×4.5 cm；直尺，最大量程10 cm；丁基防水膠帶，用于制作電鍍模具；CS-30回旋加速器：美國TCC公司；掃描電子顯微鏡(JSM-7500F)：日本電子(JEOL)。

1.1.2試劑 5 g富集112CdO粉末(98.8%)：ISOFLEX公司(美國)，其同位素組成如下：106Cd=0.01%，108Cd=0.01%，110Cd=0.014%，111Cd=0.313%，112Cd=98.8%，113Cd=0.458%，114Cd=0.347%，116Cd=0.048%；98%濃硫酸(H2SO4)、無水乙醇(C2H5OH)：成都市科龍化工廠；試劑苯酚(C6H5OH)：分析純，重慶北培精細(xì)化工廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1富集112Cd制備 在CS-30回旋加速器中進(jìn)行輻照時(shí)，需要在銅襯底上鍍上一層堅(jiān)固致密的112Cd金屬涂層。富集112Cd靶采用無氰硫酸鹽電鍍法制備。依據(jù)加速器質(zhì)子速流輻照位置，采取定向區(qū)域電鍍。首先使用含有天然鎘離子、H2SO4、苯酚和乙醇的電鍍液進(jìn)行電鍍條件的探索，然后選取最佳條件進(jìn)行富集112Cd鍍層電鍍。

1.2.2富集112Cd輻照 在CS-30回旋加速器中，對不同厚度112Cd靶進(jìn)行輻照。質(zhì)子能量選取21 MeV，然后以40 μA的束流輻照富集112Cd靶1～2 h[13]。

2 結(jié)果與討論

2.1 利用天然Cd優(yōu)化電鍍條件

在CS-30回旋加速器中進(jìn)行輻照時(shí)，需要在銅襯底上鍍上一層堅(jiān)固致密的112Cd金屬鍍層。首先，根據(jù)加速器束流轟擊徑跡(束斑)位置，制作出電鍍模具，覆蓋于銅襯底上，然后把模具和銅襯底一起放置于電鍍槽中進(jìn)行區(qū)域定向電鍍。CS-30回旋加速器銅襯底電鍍區(qū)域示于圖1。

圖1 CS-30回旋加速器銅襯底電鍍區(qū)域Fig.1 CS-30 cyclotron copper substrate plating area

112Cd2+濃度、電流密度等條件直接影響112Cd金屬鍍層的質(zhì)量。在定向區(qū)域電鍍的基礎(chǔ)上，對各種電鍍條件進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整，使得成本更低，改進(jìn)后的電鍍條件更有利于富集112Cd鍍層的制備。實(shí)驗(yàn)過程中，先采用天然鎘進(jìn)行條件實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)中，對鎘離子濃度、電流密度、H+濃度等影響電鍍質(zhì)量的條件進(jìn)行探索，結(jié)果列于表1。

表1 不同條件對鎘靶電鍍質(zhì)量的影響Table 1 The quality of cadmium target under different conditions

鎘離子濃度是影響鍍層厚度的關(guān)鍵因素，在其他條件相同時(shí)，陰極電流密度范圍隨鎘含量的降低而降低，陰極被還原的有效鎘離子也降低；鎘含量過高時(shí)，會降低陰極極化作用，使鍍層結(jié)晶粗大，鍍液的均鍍能力下降[21]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，鎘離子濃度為15 g/L時(shí)，調(diào)整其他影響因素，即使增加電鍍時(shí)間至24 h，鍍層厚度依然小于30 mg/cm2；當(dāng)鎘離子濃度為25 g/L時(shí)，電鍍8 h時(shí)，鍍層平均厚度大于118 mg/cm2，然而靶越厚，其牢固性、致密性越差(圖2)。當(dāng)鎘離子濃度為20 g/L時(shí)，鍍層厚度適中，為56～96 mg/cm2。當(dāng)氫離子含量過低時(shí)，電流效率降低，電解液堿度增大，鍍層發(fā)暗并帶黑條紋，容易起泡；氫離子含量過低，沉積層分布不均勻。電流密度過大時(shí)陽離子容易集中在高電流密度區(qū)域，被還原金屬來不及擴(kuò)散，表面不平整；電流密度過低時(shí)，沉積速率低，沉積不均勻[22]。因此，實(shí)驗(yàn)過程中H+濃度和電流過大或者過小都會導(dǎo)致鍍層變得較粗糙(圖3)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最佳H+濃度為3 mol/L、電流密度為2.5～5.0 mA/cm2。為使鍍層更加牢固和光滑，在電鍍液中加入了5 g/L的苯酚以及20%的乙醇。為獲得厚度適中、光滑、致密的鍍層，最佳電鍍條件為：ρ(112Cd2+)=20 g/L、c(H+)=3 mol/L、ρ(C6H5OH)=5 g/L、V(C2H5OH)/V(總)=1∶5，電鍍時(shí)間=12 h，電流密度J=2.5～5.0 mA/cm2。

圖2 粗糙鎘靶Fig.2 Rougher cadmium target

圖3 較粗糙鎘靶Fig.3 Rough cadmium target

2.2 富集112Cd靶電鍍

按照優(yōu)化后的電鍍條件，配制50 mL含有富集112Cd的電鍍液進(jìn)行電鍍，最終得到厚度為70 mg/cm2的厚靶。根據(jù)加速器束流轟擊徑跡(束斑)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)電鍍，對比傳統(tǒng)電鍍(圖4)，112Cd用量僅為傳統(tǒng)方法的1/6，最大限度的減少了112Cd用量，節(jié)約了成本(圖5)。

圖4 天然鎘靶(傳統(tǒng)電鍍)Fig.4 Natural cadmium target (Traditional electroplating)

圖5 富集112Cd靶(定向區(qū)域電鍍)Fig.5 Enriched 112Cd target (Precision electroplating)

已經(jīng)使用過的含有富集112Cd的電鍍液，只需補(bǔ)充一定量的富集112Cd，使鍍液中112Cd2+濃度維持在15～20 g/L，控制鍍液中的H+濃度約為0.5 mol/L，電鍍液可以循環(huán)利用，且鍍層能夠適中，整個(gè)過程中電鍍液澄清。

對電鍍的富集112Cd鍍層進(jìn)行SEM-EDS測試，在放大100倍條件下，鍍層致密，沒有孔洞(圖6)；同時(shí)對鍍層進(jìn)行成分分析，鍍層主要是鎘的同位素，電鍍液中只有一種112Cd，因此鍍層主要是富集112Cd，以及少量Cu(圖7，表2)。

表2 富集112Cd靶表面成分Table2 The surface composition of enriched 112Cd target

圖6 富集112Cd靶SEM圖像Fig.6 SEM of enriched 112Cd target

圖7 富集112Cd靶表面成分能譜Fig.7 The energy spectrum of the surface composition of enriched 112Cd target

2.3 富集112Cd靶輻照

富集112Cd靶成功制備后，需要對鍍層的散熱以及與銅襯底的結(jié)合程度進(jìn)行輻照檢驗(yàn)。輻照參數(shù)(質(zhì)子)：能量為21 MeV，束流為40 μA，輻照2 h。經(jīng)過輻照后富集112Cd鍍層未發(fā)生脫落，損壞，且質(zhì)子束流全部在電鍍區(qū)域內(nèi)(圖8)，這驗(yàn)證了制靶方式的可行性。

圖8 輻照后的富集112Cd靶Fig.8 Enriched 112Cd target after irradiation

2.4 靶厚與產(chǎn)額關(guān)系

目前國外對于富集112Cd靶制備111In的產(chǎn)額僅進(jìn)行了相關(guān)理論計(jì)算，基于此，對不同厚度的富集112Cd靶進(jìn)行輻照，然后經(jīng)過放化分離，得到不同產(chǎn)額的111In，通過多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示在一定范圍內(nèi)隨著靶厚增加，產(chǎn)額也增加。富集112Cd是天然鎘制備111In產(chǎn)額的4～5倍，輻照4～5 h，單次產(chǎn)量可達(dá)1～1.2 Ci(表3)。

表3 富集112Cd與天然鎘制備111In的產(chǎn)額Table 3 Yield of 111In prepared by enriched112Cd and natural Cd

當(dāng)富集112Cd靶靶厚為90 mg/cm2，高核純111In產(chǎn)額能夠達(dá)到222 MBq/μA·h，已經(jīng)接近國外理論計(jì)算水平，在中低能條件下，目前的產(chǎn)額已經(jīng)接近國外的最高理論計(jì)算值(248.9 MBq/μA·h)[16]，在該輻照條件下，富集112Cd靶最佳厚度為90～110 mg/cm2。

3 結(jié)論

本文根據(jù)四川大學(xué)CS-30回旋加速器束流轟擊徑跡(束斑)實(shí)現(xiàn)定向區(qū)域電鍍，極大的控制了成本；對112Cd2+濃度、H+濃度、電流密度等條件進(jìn)行了一定優(yōu)化，最終確定最佳條件為：ρ(112Cd2+)=20 g/L、c(H+)=3 mol/L、ρ(C6H5OH)=5 g/L、V(C2H5OH)/V(總)=1∶5，電鍍時(shí)間=12 h，電流密度J=2.5～5.0 mA/cm2，得到表面平整、致密，厚度達(dá)到50～100 mg/cm2的富集112Cd靶。初步研究了富集112Cd靶與產(chǎn)額的關(guān)系，質(zhì)子輻照能量約為21 MeV，當(dāng)富集112Cd靶厚為90 mg/cm2時(shí)，111In產(chǎn)額為222 MBq/μA·h。