基于聚銻酸的雙柱型90Sr-90Y發(fā)生器研制

耿自勝，李 波，吳建榮，陳云明，羅 寧，孫志中，曾俊杰，張勁松

(1.中國核動力研究設(shè)計院，四川 成都 610005；2.四川省放射性同位素工程技術(shù)研究中心，四川 成都 610213)

90Y是一種純β放射性核素，半衰期為64 h，衰變產(chǎn)生的β-射線最大能量可達到2.28 MeV，90Y的衰變子體90Zr穩(wěn)定無毒，不會對人體產(chǎn)生影響。此外，90Y具有良好的螯合化學性質(zhì)，易標記于單抗、微球、多肽等用于癌癥的體內(nèi)放射治療[1]。以90Y核素為原料制備的相關(guān)放射性藥物及制品包括90Y標記單抗、90Y微球和90Y標記多肽等[2-5]。

醫(yī)用90Y核素的生產(chǎn)途徑主要有反應(yīng)堆、核素發(fā)生器、加速器等[6-8]。其中通過90Sr-90Y核素發(fā)生器生產(chǎn)90Y具有操作簡便快捷、使用不受區(qū)域限制等優(yōu)點，且所用原料90Sr是235U的裂變產(chǎn)物，可從長時間冷卻后的乏燃料中獲得，是目前生產(chǎn)90Y的主要方法。90Sr-90Y發(fā)生器的制備方法主要有萃取法、色譜法、沉淀法、電沉積法、液膜法等[9-13]，目前90Y核素主要依靠萃取型發(fā)生器獲得，但這種方法存在操作繁瑣、引入有機溶劑、產(chǎn)生大量放射性廢液等缺點，相比之下，色譜型發(fā)生器操作更為簡捷，是理想的90Sr-90Y發(fā)生器制備方法。

色譜型90Sr-90Y發(fā)生器研制需要解決兩個關(guān)鍵技術(shù)問題：一是要嚴格控制母體核素90Sr的漏穿，確保90Y洗脫液中90Sr-90Y活度比低于10-6；二是要保證分離材料具備良好的耐輻照性能，能在90Sr和90Y放出的β射線輻照下保持良好的分離性能，以延長發(fā)生器的使用壽命。聚銻酸(PAA)對Sr具有較好的選擇吸附性，且具有相對較好的耐輻照性能[14]，但制備成型困難，顆粒不均勻，裝柱后材料容易發(fā)生板結(jié)、堵塞，對Sr的吸附容量偏低。基于以上考慮，本工作對現(xiàn)行的聚銻酸制備工藝進行創(chuàng)新和優(yōu)化，以制備具有大吸附容量、粒徑均一、適用于色譜柱操作的分離材料，開展90Sr-90Y發(fā)生器的研制。

1 實驗部分

1.1 實驗儀器與試劑

SPE固相萃取柱：BOJIN儀器；IRIS-HR-DUO電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀：Thermo Jarrell Ash公司；FD-10S真空冷凍干燥機：山東博科生物有限公司；BH2116低本底α/β測量儀：中核控制系統(tǒng)公司；MIRA3XH掃描電子顯微鏡：捷克TESCAN公司；NICOLET 6700傅里葉變換紅外光譜儀：森諾高科公司；ASAP 202比表面與孔隙度分析儀：Micromeritics公司；S3500激光粒度儀：美國Microtrac公司；STA8000熱重分析儀：美國PerkinElmer公司；氯化鍶[89Sr]溶液：中國核動力院生產(chǎn)，放射性濃度4.07×108Bq/mL，鍶含量37.28 g/L；實驗用水為去離子水，其他化學試劑均為分析純。

1.2 聚銻酸合成

以Sb2O3為原料，H2O2為氧化劑合成聚銻酸，在制備工藝流程中重點考察合成反應(yīng)條件、陳化條件、干燥方式等對聚銻酸吸附性能的影響，在合成反應(yīng)中針對影響聚銻酸合成的氧化溫度、氧化時間、H2O2體積開展3因素3水平的正交試驗L9(33)，考察不同陳化溫度和陳化時間下聚銻酸吸附性能的影響，并采用真空冷凍干燥法對陳化后的樣品進行干燥，與普通烘干法進行對比。

1.3 吸附性能

為考察不同制備條件下合成的聚銻酸對Sr的吸附性能的影響，開展聚銻酸對Sr的靜態(tài)吸附實驗。稱取25.0 mg聚銻酸樣品置于50 mL錐形瓶中，加入25 mLC(Sr)=200 mg/L的硝酸鍶溶液(0.01 mol/L硝酸體系)，將瓶口密封后置于恒溫振蕩器中振蕩48 h，經(jīng)過濾后取樣測量吸附后溶液中的Sr濃度，根據(jù)公式(1)計算靜態(tài)飽和吸附容量。

(1)

式中：Qeq為靜態(tài)飽和吸附量，mg/g；V為含Sr樣品溶液的體積，L；m為干態(tài)吸附劑的質(zhì)量，g；C0為吸附前鍶的初始濃度，mg/L；Ceq為吸附后鍶的平衡濃度，mg/L。

動態(tài)吸附實驗方法如下，選取內(nèi)徑8.85 mm，長度為70 mm的SPE固相萃取柱，稱取3.6 g聚銻酸樣品采用濕法裝入柱中，裝柱后高徑比約為7∶1，向柱中加入CSr=200 mg/L的硝酸鍶溶液(0.01 mol/L硝酸體系)，以0.5 mL/min的流速收集流出液，每5 mL收集一次，測量流出液中的Sr濃度，當流出液中Sr濃度上升至初始濃度的0.9倍時，認為達到吸附飽和。根據(jù)測量結(jié)果計算動態(tài)吸附容量qd，qd計算方法見公式(2)。

(2)

式中，V1為達到吸附飽和時流出液的體積，L；C0為上柱前Sr的初始濃度，mg/L；C1為達到吸附飽和時流出液中的Sr濃度，mg/L；m為裝入柱中的吸附劑質(zhì)量，g。

1.4 柱分離

采用1.3節(jié)中所述方法將吸附材料裝柱，向色譜柱中加入20 mLCSr=1 000 mg/L、CY=0.3 mg/L的硝酸鍶/釔混合溶液(0.01 mol/L硝酸體系)，以HCl作為洗脫劑，開展發(fā)生器模擬吸附及解吸實驗，以0.5 mL/min的流速收集流出液，每5 mL收集一次，測量流出液中Sr和Y的濃度，考察聚銻酸對Sr和Y的分離效果。

1.5 二次柱分離

采用1.3節(jié)中所述方法將吸附材料裝柱。分別配制CSr=1、10、100、1 000 μg/L，CY=250 μg/L的Sr/Y混合溶液各50 mL(1.2 mol/L HCl體系)。將配制好的溶液分別加入到色譜柱中，以0.5 mL/min流速收集流出液，每10 mL收集一次。每一組溶液的流出液收集完畢后，用50 mL高純水淋洗過柱后再將下一組溶液過柱，測量流出液中的Sr和Y濃度，考察Sr反載體對于提高Sr和Y 分離因數(shù)的可行性。分離因數(shù)α計算方法見公式(3)。

(3)

式中：Kd為分配系數(shù)，mL/g，可根據(jù)公式(4)計算得到。

(4)

式中：V為樣品溶液的體積，L；m為吸附劑的質(zhì)量，g；C0為吸附前初始離子濃度，mg/L；Ce為吸附后樣品離子濃度，mg/L。

1.6 89Sr模擬實驗

利用氯化鍶[89Sr]作為示蹤劑代替90Sr開展發(fā)生器模擬吸附及解吸熱實驗，取0.536 mL89SrCl2原液(約5 mCi)進行加熱蒸干處理，用0.01 mol/L硝酸溶液溶解，制成溶液體系為0.01 mol/L硝酸的硝酸鍶[89Sr]溶液，再向其中加入1 mLCY=6 mg/L的硝酸釔溶液，最后用0.01 mol/L硝酸溶液稀釋至20 mL，配制成90Sr-90Y模擬溶液，開展雙柱分離實驗。驗證聚銻酸在輻照條件下對Sr和Y的分離效果，同時更為直接地驗證反載體法對降低洗脫液中90Sr沾污、提高90Y核純度的可行性。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚銻酸合成

2.1.1合成反應(yīng)條件對聚銻酸吸附性能的影響 針對聚銻酸合成反應(yīng)過程中影響較大的3個因素，設(shè)計了3因素3水平的正交實驗，L9(33)。因素A，氧化溫度分別取40、60、80 ℃；因素B，反應(yīng)時間分別取1.5、2.0、2.5 h；因素C，H2O2體積分別取4、6、8 mL，得到正交實驗計劃列于表1，依據(jù)表1的實驗條件，分別開展9組聚銻酸的合成實驗，并考察不同制備條件下合成的聚銻酸對Sr的靜態(tài)吸附容量(合成反應(yīng)后陳化條件為25℃下陳化3 d，干燥方式采用真空冷凍干燥)。

分析正交實驗數(shù)據(jù)結(jié)果可以得出，因素A氧化溫度的極差為52.9，因素B反應(yīng)時間的極差為5.6，因素C中H2O2體積的極差為3.2。3個因素對聚銻酸吸附容量的影響大小順序為：A>B>C，氧化溫度對聚銻酸制備的影響最大，氧化溫度較低時吸附容量更高，而其他兩種條件對材料吸附性能的影響較小。為進一步確定氧化反應(yīng)溫度對聚銻酸合成反應(yīng)的影響，得到最佳的氧化反應(yīng)溫度范圍，在正交實驗的基礎(chǔ)上，繼續(xù)考察了在冰浴(3 ℃)、室溫(25 ℃)、40 ℃、50 ℃不同氧化溫度條件下制備的聚銻酸對鍶的吸附性能(氧化時間2 h，H2O2體積8 mL)，實驗結(jié)果列于表 2，由表2可以看出，氧化溫度過高或過低都會導致吸附劑性能下降。溫度過高加快H2O2分解，溫度過低時氧化反應(yīng)速度較慢，可能導致氧化不完全，使吸附性能下降。因此，綜合考慮，在L9(33)正交實驗設(shè)計中初步篩選的材料制備條件為：氧化溫度40 ℃，氧化時間2 h，H2O2體積8 mL。

表1 L9(33)正交實驗制備的聚銻酸對鍶的吸附性能Table 1 Adsorption performance of PAA prepared by orthogonal experiment on Sr

表2 氧化溫度對聚銻酸吸附性能的影響Table 2 Effect of oxidation temperature on adsorption capacity of polyantimonic acid

2.1.2陳化條件對聚銻酸吸附性能的影響 在聚銻酸合成反應(yīng)后對料液進行陳化處理有利于聚銻酸分子結(jié)合水的生成，提高聚銻酸吸附劑的機械性能。為此，開展了不同陳化時間和不同陳化溫度條件下的聚銻酸制備實驗，實驗結(jié)果列于表3和表4。從表中數(shù)據(jù)可以看出，樣品陳化一定時間可以提高材料的吸附性能，且低溫條件下需要陳化更長時間。

表3 陳化時間對聚銻酸吸附性能的影響(25 ℃)Table 3 Effects of aging time on the adsorption properties of PAA (25 ℃)

表4 陳化溫度對聚銻酸吸附性能的影響Table 4 Effect of aging temperature on the adsorption capacity of PAA

通過對制備工藝流程的優(yōu)化，聚銻酸的吸附性能得到大幅提升，對鍶的靜態(tài)飽和吸附容量大于121 mg/g，已超過文獻報道中對鍶的吸附容量(表5)，聚銻酸分離材料對鍶吸附容量的提升能有效延緩發(fā)生器洗脫時90Sr的漏穿，對順利開展發(fā)生器吸附及解吸實驗具有良好的支撐作用。

表5 各種制備工藝流程所得聚銻酸對鍶的吸附容量Table 5 Adsorption capacity of PAA on strontium prepared by various preparation processes

2.1.3干燥方式對聚銻酸吸附性能的影響 干燥方式和干燥溫度是影響聚銻酸的機械性能、比表面積和吸附容量的重要因素。真空冷凍干燥技術(shù)可以使物料低溫直接脫水干燥，不會因為液態(tài)水的表面張力對物質(zhì)的內(nèi)部微孔結(jié)構(gòu)造成影響，使物料原有結(jié)構(gòu)和形狀得到最大程度保護[15]。本文將相同制備條件下合成的聚銻酸分別進行真空冷凍干燥和普通烘箱干燥，考察不同干燥方式制備的聚銻酸對鍶的靜態(tài)吸附容量qe隨接觸時間的變化情況。結(jié)果顯示，采用凍干法制備得到的聚銻酸對鍶的吸附平衡時間顯著縮短為4 h(圖1)，動態(tài)吸附容量增大為73 mg/g(圖2)。此外，從表征分析結(jié)果看出，凍干法制備的聚銻酸具有更大的比表面積，真空冷凍干燥比表面積為23.6 m2·g-1，遠高于普通烘箱干燥法比表面積9.5 m2·g-1。更加均一的粒徑分布(圖3)，材料表面孔隙更多(圖4)，更有利于鍶快速地吸附。在聚銻酸的制備工藝中引入真空冷凍干燥法，有效解決了聚銻酸吸附劑粒徑不均一，裝柱后材料容易發(fā)生板結(jié)、堵塞的問題，所得材料適合用作發(fā)生器柱填料。

圖1 接觸時間對聚銻酸吸附鍶的影響(Co=200 mg/L，pH=2，V=25 mL，T =25 ℃，m=25 mg)Fig.1 Effect of contact time on strontium adsorption by PAA(Co=200 mg/L, pH=2, V=25 mL,T =25 ℃, m=25 mg)

圖2 聚銻酸對鍶的動態(tài)吸附曲線(Co=1 000 mg/L，m=3.6 g，pH=2，高徑比3∶1，流速為0.5 mL/min，T=25 ℃)Fig.2 Dynamic adsorption curve of PAA on strontium(Co=1 000 mg/L, m=3.6 g, pH=2, Aspect ratio is 3∶1, flow rate is 0.5 mL/min, T=25 ℃)

2.2 柱分離實驗

根據(jù)靜態(tài)吸附實驗結(jié)果，選定對Sr吸附性能較好的0.01 mol/L的硝酸溶液作為吸附體系，向色譜柱中加入20 mLCSr=1 000 mg/L、CY=0.3 mg/L的硝酸鍶/釔混合溶液，以HCl作為洗脫劑(90Y洗脫液為鹽酸體系便于藥物標記)，開展不同洗脫劑濃度下的柱分離實驗，以確定最佳的洗脫劑濃度，結(jié)果如圖5所示，可以看出，洗脫效率隨著洗脫劑的濃度升高而增加。實驗中發(fā)現(xiàn)，當所用鹽酸濃度上升至1.5 mol/L時，Sr開始發(fā)生漏穿，而1.2 mol/L鹽酸體系具有較高的洗脫效率(85.4%)且Sr未發(fā)生漏穿，故選定1.2 mol/L鹽酸作為洗脫劑。

a——烘干法；b——凍干法圖3 不同干燥方法制備的聚銻酸的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of PAA prepared by different drying methods

a——烘干法；b——凍干法圖4 聚銻酸的SEM圖Fig.4 SEM of PAA

圖5 不同濃度鹽酸對90Y的洗脫曲線Fig.5 Elution curves of different concentrations of hydrochloric acid on 90Y

在模擬發(fā)生器吸附及解吸實驗時，進行多次重復吸附和解吸，當上一次洗脫完成后，繼續(xù)向色譜柱中加入等量的硝酸釔溶液繼續(xù)進行吸附和洗脫，計算90Y的洗脫效率(洗脫液中Y的含量與加入分離柱中90Y含量的比值)，洗脫效率如圖6所示，各次解吸實驗中90Y的洗脫效率均大于80%，且洗脫液中均未出現(xiàn)Sr明顯漏穿，其中第8次解吸實驗的洗脫曲線示于圖7。從90Y的洗脫曲線可以看出拖尾現(xiàn)象，這可能是由于聚銻酸對90Y存在一定的吸附。整個吸附及解吸過程中液體流速保持恒定，分離材料未發(fā)生板結(jié)和堵塞的情況。初步驗證采用此工藝方法研究90Sr-90Y發(fā)生器可行。

圖6 發(fā)生器模擬解吸實驗中90Y的洗脫效率Fig.6 Leaching efficiency of 90Y in the simulated leaching experiment by the generator

圖7 發(fā)生器模擬洗脫曲線(第8次)Fig.7 Eluent curve simulated by generator (8th time)

2.3 二次柱分離

醫(yī)用90Y產(chǎn)品要求90Sr/90Y的活度比低于10-6，而經(jīng)一次柱分離對90Sr的分離因數(shù)僅達104～105量級，難以符合醫(yī)用要求，考慮利用二次柱進一步分離。一次柱分離后洗脫液中的90Sr含量已接近10-8g量級，濃度已低至μg/L量級，用常規(guī)方法直接進行二次柱分離難以進一步提高核純度，故采用加入適量Sr作為反載體的方法，以期進一步降低90Sr的沾污程度。從4組二次柱分離實驗結(jié)果(表7)可以看出，將1.2 mol/L鹽酸體系的Sr/Y混合溶液上柱淋洗，濃度分別為1.5、10.2、99.1、1 004 μg/L 的Sr過柱后，絕大部分保留于色譜柱中，流出液中Sr濃度在0.1～0.5 μg/L范圍內(nèi)，說明淋洗液中有少量Sr殘留，無法全部除去。但4組實驗中過柱前后濃度比分別為8.5、82.7、803.5、4 858.1，當過柱前Sr濃度越大時，過柱前后Sr的濃度比就越高，雖然分離后都有少量Sr殘留，但分離前加入適量Sr可使分離因數(shù)增大，這表明向90Sr濃度為μg/L量級的一次柱洗脫液中加入適量的Sr載體混合后再經(jīng)二次柱淋洗分離，可以實現(xiàn)將一次柱洗脫液中μg/L量級的90Sr載帶并保留在二次柱中，降低90Sr的沾污。因此，在90Sr-90Y發(fā)生器吸附及解吸實驗中，向第一個分離柱的洗脫液中加入適量Sr作為反載體，再經(jīng)第二個分離柱分離可使洗脫液中90Sr的含量進一步降低，分離因數(shù)可以進一步提高。同時，Y經(jīng)二次過柱后只有少量被保留在柱中，對Y的總洗脫效率不會產(chǎn)生顯著影響。

表7 不同Sr/Y濃度比的混合溶液過柱(二次柱)結(jié)果Table 7 Experimental results of mixed solutions with different Sr/Y concentration ratios passing through the column (secondary column)

2.4 89Sr吸附及解吸

為驗證聚銻酸在輻照條件下對Sr/Y的分離效果，同時更為直接地驗證反載體法對降低洗脫液中90Sr沾污的可行性，本文利用89SrCl2作為示蹤劑代替90Sr開展發(fā)生器模擬吸附及解吸熱實驗，向每份一次柱洗脫液樣品中各加入0.1 mL鍶濃度為100 mg L-1的硝酸鍶溶液，然后將混合溶液加入二次柱中進行進一步分離，結(jié)果列于表8?？梢姡蛞淮沃疵撘褐屑尤胍欢糠€(wěn)定的Sr作為反載體后再進行二次柱分離使得一次柱洗脫液中殘留的放射性89Sr得以保留在二次柱中，二次柱洗脫液中89Sr的沾污程度進一步降低，分離因數(shù)可達107量級，進一步驗證了反載體的加入對提高90Y洗脫液的核純度是切實有效的。一次柱和二次柱洗脫液中Y的濃度曲線如圖8所示，一次柱洗脫液中的Y的洗脫效率為87.2%，經(jīng)二次柱分離后，Sr被吸附在柱中，但大部分Y都隨洗脫液流出，Y的損失量僅為11.1%，經(jīng)兩次柱分離后Y的總洗脫效率為77.5%。因此，采用雙柱法策略進行Sr/Y分離不僅能有效的將Sr除去，還能保證Y有較高的回收率。

表8 鍶/釔分離模擬熱實驗結(jié)果Table 8 Data results of simulated thermal experiment for Sr/Y separation

圖8 雙柱法分離實驗中Y的洗脫曲線Fig.8 Leaching curve of Y in the two-column separation experiment

3 小結(jié)

通過對聚銻酸合成反應(yīng)條件、干燥方式等因素的改進和優(yōu)化，大幅提高了聚銻酸對鍶的吸附性能。在0.01 mol/L HNO3溶液中對鍶的吸附容量為121 mg/g，平衡吸附時間為4 h，動態(tài)吸附容量達到73 mg/g。采用雙柱法以及反載體法分離策略開展了90Sr-90Y Sr/Y發(fā)生器模擬研究，以1.2 mol/L HCl作為洗脫劑進行Sr/Y柱分離，Sr與Y的分離因數(shù)約為104，Y的洗脫效率>80%。針對一次柱洗脫液中Sr與Y的分離因數(shù)未能達到醫(yī)用指標要求，提出采用雙柱法進行Sr/Y分離，采用89Sr作為示蹤劑替代90Sr，向一次柱洗脫液中加入適量Sr反載體后再進行二次柱分離，可使Sr與Y的分離因數(shù)達到107以上，分離因數(shù)滿足醫(yī)用指標要求。本研究針對90Sr-90Y發(fā)生器研制過程中的面臨的關(guān)鍵技術(shù)問題提出了新的思路和方法，并進行了實驗驗證，對90Sr-90Y發(fā)生器的研制具有重要意義，為了得到性能穩(wěn)定可靠的90Sr-90Y發(fā)生器，后續(xù)可對吸附材料的化學穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性進行更深入研究。