103Pd核素分離純化方法研究及質(zhì)量控制

王曉明,段 菲,馬承偉,褚浩淼,李 光,王春林,王成志,溫 凱

(1.原子高科股份有限公司,北京 102413;2.國家原子能機(jī)構(gòu)核技術(shù)(放射性藥物工程轉(zhuǎn)化)研發(fā)中心,北京 102413;3.中核集團(tuán)放射性藥物工程技術(shù)研究中心,北京 102413)

103Pd核素是放射性近距離照射治療應(yīng)用最為廣泛的核素之一,其臨床應(yīng)用主要以粒籽源形式進(jìn)行前列腺癌的治療[1-4]。103Pd的半衰期為16.99 d,平均光子能量約為21 keV,臨床處方的初始劑量率為20～24 cGy/h,與另一種普遍使用的125I核素相比,具有更短的半衰期和更高的初始劑量率。通過長期的臨床對比研究顯示,103Pd粒籽源可以實(shí)現(xiàn)對前列腺癌患者良好的生化和臨床控制[5-6]。103Pd核素同時(shí)廣泛應(yīng)用于脈絡(luò)膜黑色素瘤的敷貼治療[7-8],人血白蛋白103Pd微球?qū)盒阅[瘤的治療研究亦有報(bào)道[9]。

目前,國內(nèi)尚無批準(zhǔn)商業(yè)化的103Pd粒籽源和敷貼器,在缺乏臨床應(yīng)用的背景下,對核素制備及質(zhì)量控制的研究亦少見報(bào)道。103Pd核素可以通過反應(yīng)堆或加速器輻照靶材制備[3],其中加速器通常以輻照銠靶材,通過103Rh(p,n)103Pd核反應(yīng)制備得到103Pd核素,以天然銀靶通過Ag(p,xn)103Pd核反應(yīng)制備103Pd核素亦有報(bào)道[10-12]。103Pd的分離純化主要為萃取法[13-16]和離子交換樹脂法[11-12,17-20]兩類方法,其中萃取法多使用如氯仿、丁二酮肟、α-呋喃二肟等有毒有害溶劑,而離子交換樹脂法通常使用無機(jī)酸或鹽,對實(shí)驗(yàn)人員和環(huán)境更為友好。本研究以Cyclone-30(C-30)加速器輻照銠靶,硫酸氫鉀熔融法溶解靶材,將待分離樣品轉(zhuǎn)化為鹽酸體系的待分離溶液,實(shí)驗(yàn)并優(yōu)化了不同樹脂、淋洗液用量及程序、解吸液組成等條件后,確定了分離純化方法,對得到的103Pd核素樣品的比活度、放射性核純度和放射性濃度進(jìn)行了質(zhì)量控制并完成了各關(guān)鍵檢測方法的驗(yàn)證。

1 儀器與材料

1.1 主要儀器

7800型電感耦合等離子體質(zhì)譜儀(ICP-MS):美國安捷倫公司;高純鍺γ譜儀:美國ORTEC公司;CRC-55tW型活度計(jì):美國CAPINTEC公司。

1.2 材料與試劑

AG 1-X 8陰離子樹脂(200-400目)、AG MP-1陰離子樹脂(200-400目):加拿大Bio-Rad公司;高純鹽酸:美國賽默飛公司;氯化銨、氨水:分析純,Sigma-Aldrich公司;ICP-MS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液(含F(xiàn)e、Cu、Zn等):美國安捷倫公司;Rh、Pd元素標(biāo)準(zhǔn)溶液:Sigma-Aldrich公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 分離純化方法的建立及優(yōu)化

2.1.1分離純化模擬樣品 取Rh、Pd、ICP-MS混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,配制成上述成分濃度依次為1 000 μg/mL、15 μg/mL、0.1 μg/mL的混合溶液,配制成不同HCl濃度的模擬樣品。分別將分離純化模擬樣品的HCl濃度調(diào)整為3 mol/L和6 mol/L,各平行配制兩份,分別以AG 1-X 8和AG MP-1樹脂進(jìn)行分離純化,樣品上柱后淋洗程序依次為0.03 mol/L HCl,10 mL×10次;6 mol/L HCl,10 mL×10次;純化水,5 mL×2次;隨后以5%氨水或氨水-氯化銨混合溶液解吸Pd。從上柱液開始收集過柱溶液,以ICP-MS測定Rh、Pd以及Fe、Cu、Zn元素雜質(zhì)的含量,根據(jù)體積計(jì)算Rh和Pd的絕對量,據(jù)此繪制淋洗曲線。

2.1.2熔融法模擬樣品 取銠金屬靶材,研磨成金屬粉末,按照摩爾比1∶50加入過量硫酸氫鉀,置于馬弗爐中450 ℃恒溫1 h,再升溫至700 ℃恒溫3 h后停止加熱,冷卻至室溫后取出;加入適量1 mol/L HCl,加熱使燒結(jié)物完全溶解,冷卻過濾殘?jiān)?以NaOH溶液調(diào)節(jié)pH至10～12,形成沉淀,抽濾并用純化水洗滌沉淀3次,最后將沉淀溶解于6 mol/L HCl中,定量加入Pd標(biāo)準(zhǔn)溶液,制備得到熔融法模擬樣品。

2.1.3分離程序 將樹脂以濕法裝柱(柱床φ1 cm×10 cm),以6 mol/L HCl和純化水交替清洗樹脂后備用;樣品上柱前以待分離樣品相同濃度HCl溶液平衡樹脂;將樣品一次性上柱,依次以6 mol/L HCl、0.03 mol/L HCl、純化水淋洗Rh及雜質(zhì)元素,以5%氨水或1 mol/L氨水與1 mol/L氯化銨1∶1混合溶液(氨水-氯化銨混合溶液)解吸Pd。

2.1.4方法優(yōu)化 以銠靶材進(jìn)行103Pd核素的制備,銠靶材的量為克級,輻照生成的103Pd含量為微克級,相差約5個(gè)數(shù)量級,因此銠的去除率和103Pd核素的回收率可以作為評判分離純化方法的重要參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)以張春富等[17-18]報(bào)道的分離方法為基礎(chǔ),通過實(shí)驗(yàn)不同鹽酸濃度的模擬樣品、雜質(zhì)淋洗程序及淋洗液用量、不同類型樹脂,以及不同成分的解吸液,完成分離純化方法的優(yōu)化。

2.2 103Pd樣品的制備及質(zhì)量控制

2.2.1103Pd樣品的制備103Pd樣品的制備程序主要包括銠靶的制備、加速器輻照靶材、熔融法制備待分離樣品溶液和分離純化,具體如下。

(1) 銠鈀的制備。稱取不少于5 g的硫酸銠溶液,其中銠的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%(w/w),將10 mol/L的NaOH溶液緩慢滴加到硫酸銠溶液中,采用冰水浴控制溶液溫度,不斷攪拌,調(diào)節(jié)pH至10～12。抽濾后以濃硫酸溶解沉淀,得到改性處理后的硫酸銠溶液。分取適量改性硫酸銠溶液,稀釋后調(diào)節(jié)溶液中硫酸含量至1～3 mol/L,加入適量氨基磺酸得到硫酸銠鍍液。以脈沖電鍍法將銠電鍍至銅靶片上,靶片上銠質(zhì)量厚度大于150 mg/cm2。

(2) 加速器輻照靶材。C-30加速器輻照銠靶片,其中質(zhì)子能量為15.5 MeV,束流強(qiáng)度200 μA,根據(jù)擬制備的103Pd量確定輻照時(shí)間。

(3) 熔融法制備分離樣品溶液。靶片輻照完成后轉(zhuǎn)移至熱室,使用油壓機(jī)切除大部分銅靶片,以9 mol/L HNO3溶解除去剩余的銅,得到含103Pd核素的銠金屬碎片。將銠碎片研磨后置于石英坩堝中,加入適量硫酸氫鉀,在馬弗爐中于700 ℃條件下形成塊狀燒結(jié)物,以稀鹽酸溶解燒結(jié)物使其完全溶解,加入氫氧化鈉溶液使銠及103Pd形成沉淀,抽濾并清洗沉淀物,最后以6 mol/L HCl溶解沉淀物,得到待分離樣品溶液。

(4) 分離純化。將AG 1-X 8樹脂以濕法裝柱,以6 mol/L HCl和純化水各10 mL交替淋洗3次后,使用20 mL的6 mol/L HCl平衡樹脂,以淋洗程序2完成樣品溶液的分離純化。取純化后樣品以高純鍺γ譜儀進(jìn)行γ能譜鑒別及放射性核純度測試,以活度計(jì)測試放射性濃度;以ICP-MS測試天然Pd元素含量并計(jì)算樣品103Pd的比活度。

2.2.2質(zhì)量控制 由于103Pd主要用于粒籽源及敷貼器的制備,其質(zhì)量控制目的是在確定的制備工藝條件下,可生產(chǎn)出安全、質(zhì)量穩(wěn)定可靠的產(chǎn)品。主要質(zhì)量指標(biāo)為放射性濃度、放射性核純度、比活度以及元素雜質(zhì)含量,其中放射性濃度、放射性核純度、元素含量分別通過活度計(jì)、高純鍺γ譜儀和ICP-MS分析測試得到,由于ICP-MS測得的Pd元素為不包含103Pd的天然Pd元素的含量,因此需要結(jié)合103Pd的活度計(jì)算得到Pd元素的總量,具體過程如下:

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到樣品中103Pd的質(zhì)量,以ICP-MS測得的天然Pd的含量及樣品體積計(jì)算出樣品中天然Pd的質(zhì)量,最后根據(jù)公式(2)計(jì)算得到樣品中103Pd的比活度。

(1)

式中,m為103Pd的質(zhì)量,mg;A為樣品的總活度,Bq;M為103Pd的摩爾質(zhì)量數(shù),g/mol;T1/2為103Pd的半衰期,s;NA為阿伏伽德羅常數(shù),mol-1。

(2)

式中,a為103Pd的比活度;A為樣品的總活度,GBq;m為樣品中103Pd的質(zhì)量,mg;mn為樣品中天然Pd元素的質(zhì)量。

2.3 分析方法驗(yàn)證

參照《中國藥典》2020版四部分析方法驗(yàn)證指導(dǎo)原則(通則9101),對103Pd核素產(chǎn)品檢驗(yàn)的關(guān)鍵方法,包括放射性核純度和Pd元素含量進(jìn)行方法學(xué)驗(yàn)證,驗(yàn)證項(xiàng)目主要為專屬性、檢測限(探測下限)和/或定量限、線性范圍、精密度、準(zhǔn)確度。

3 結(jié)果與討論

3.1 分離純化模擬樣品

模擬樣品淋洗曲線示于圖1。由圖1結(jié)果可見,上述各條件均可實(shí)現(xiàn)Rh和Pd的有效分離,但3 mol/L HCl和6 mol/L HCl樣品溶液體系的淋洗曲線存在顯著差異,6 mol/L HCl體系上柱階段Rh在樹脂上不易吸附,3 mol/L HCl體系的Rh主要在6 mol/L HCl淋洗階段被洗脫下來,因此6 mol/L HCl有利于Rh的去除;兩種類型樹脂在相同HCl濃度的分離過程中,具有近似的淋洗曲線,但從圖1a和1b對比可知,6 mol/L HCl體系下AG MP-1樹脂上Rh更容易被洗脫下來。對于兩種Pd解吸液的對比,其中a、b兩個(gè)條件使用氨水-氯化銨混合溶液解吸Pd,10 mL解吸液Pd的回收率>96%;圖1c、1d可見,兩個(gè)條件使用5%氨水解吸Pd,Pd出現(xiàn)了明顯的拖尾現(xiàn)象,不利于Pd的回收,因此后續(xù)均采用氨水-氯化銨混合溶液進(jìn)行Pd的解吸。

a——AG 1-X 8樹脂,上柱液6 mol/L HCl介質(zhì);b——AG MP-1樹脂,上柱液6 mol/L HCl介質(zhì);c——AG 1-X 8樹脂,上柱液3 mol/L HCl介質(zhì);d——AG MP-1樹脂,上柱液3 mol/L HCl介質(zhì)

對于主要金屬元素雜質(zhì),主要考察了可能由靶托、分離熱室器具及環(huán)境引入的Fe、Cu和Zn元素,上述4個(gè)條件具有相似的洗脫結(jié)果,以圖1b條件為例,測試結(jié)果示于圖2。0.03 mol/L HCl對以上三種元素并不具有顯著的洗脫效果,6 mol/L HCl對Fe、Cu元素具有顯著的洗脫效果,Zn元素則在除0.03 mol/L HCl洗脫過程外的其他各個(gè)階段均有出現(xiàn),因此使用大量的0.03 mol/L HCl并不能有效去除常見的元素雜質(zhì)。

圖2 金屬元素雜質(zhì)淋洗曲線Fig.2 The elution curve of Fe, Cu and Zn

3.2 淋洗程序優(yōu)化

為明確分離過程中各淋洗液的作用,優(yōu)選淋洗參數(shù),以熔融法制備的模擬樣品進(jìn)行分離純化方法的進(jìn)一步優(yōu)化。根據(jù)圖1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果,調(diào)整分離程序,減少0.03 mol/L HCl淋洗次數(shù),對比兩種樹脂純化效果。以20 mL的6 mol/L HCl分兩次平衡樹脂柱后,將模擬樣品一次性上柱,淋洗程序1:0.03 mol/L HCl,10 mL×5次;6 mol/L HCl,10 mL×10次;純化水,10 mL×1次;氯化銨-氨水混合溶液解吸Pd,10 mL×5次。

淋洗程序1 Rh、Pd淋洗曲線示于圖3。由圖3可見,淋洗程序1僅在起始階段減少了0.03 mol/L HCl的用量,后續(xù)程序與初始方法基本一致,Rh、Pd可實(shí)現(xiàn)有效的分離。但6 mol/L HCl淋洗時(shí)仍有大量的Rh被淋洗下來,由此可見Rh更易被6 mol/L HCl淋洗去除。在此基礎(chǔ)上調(diào)整高低濃度HCl的順序,進(jìn)行交替淋洗,同時(shí)減少淋洗液總的用量,具體為淋洗程序2:6 mol/L HCl,10 mL×4次;0.03 mol/L HCl,10 mL×3次;6 mol/L HCl,10 mL×3次;0.03 mol/L HCl,10 mL×3次;氯化銨-氨水混合溶液解吸Pd,10 mL×3次。

a——AG 1-X 8樹脂;b——AG MP-1樹脂

淋洗程序2 Rh、Pd淋洗曲線示于圖4。淋洗程序2在樣品上柱后直接以6 mol/L HCl淋洗,Rh洗脫效果明顯,過程中交替使用高、低濃度HCl,后續(xù)過程并未有顯著量的Rh被洗脫,最終解吸得到的樣品中,Rh的總量較程序1得到的樣品更低,推測交替淋洗過程Rh被進(jìn)一步降低。同時(shí)純化步驟進(jìn)一步縮短,分離程序得到優(yōu)化。

a——AG 1-X 8樹脂;b——AG MP-1樹脂

兩種淋洗程序分離純化對比結(jié)果列于表1。兩個(gè)分離程序?qū)h的去除率均大于99.9%;使用10 mL氨水-氯化銨混合解吸液時(shí),AG 1-X 8樹脂對Pd回收率分別為98.38%和104.41%,略高于AG MP-1樹脂的96.13%和95.06%,但無顯著性差異;此時(shí),Pd解吸液中Pd/Rh,淋洗程序2高于淋洗程序1約2.5～4.9倍,說明淋洗程序2對Rh的去除更徹底;同時(shí),淋洗程序2中AG 1-X 8樹脂較AG MP-1 M的Pd/Rh高1.7倍;當(dāng)解吸液體積增大至20 mL時(shí),Pd/Rh反而降低,說明增大解吸液用量后有更多殘留在樹脂上的Rh被洗脫,因此不宜增大解吸液的用量。

表1 兩種淋洗程序?qū)Ρ萒able 1 Comparison of two different elution program

綜上分析,使用AG 1-X 8樹脂,以淋洗程序2純化模擬樣品,不僅可以獲得較高的Pd回收率,在解吸液中Rh的量相對最少,淋洗液用量較文獻(xiàn)方法減少約1倍;此條件的解吸液中,Fe、Cu、Zn雜質(zhì)總含量小于0.3 μg/mL,表明雜質(zhì)元素控制在較低水平,因此確定淋洗程序2作為優(yōu)選方法進(jìn)行后續(xù)熱實(shí)驗(yàn)樣品的分離純化。

3.3 質(zhì)量控制及分析方法驗(yàn)證

為確保產(chǎn)品檢驗(yàn)所用分析方法準(zhǔn)確、可靠,對放射性核純度及Pd元素含量的ICP-MS分析方法進(jìn)行了方法學(xué)驗(yàn)證,驗(yàn)證項(xiàng)目主要包括專屬性、檢測限(探測下限)和/或定量限、線性范圍、精密度以及準(zhǔn)確度。放射性核純度驗(yàn)證結(jié)果列于表2,103Pd特征γ譜示于圖5;Pd元素含量分析驗(yàn)證結(jié)果匯總列于表3。對三批次輻照銠靶并以熔融法制備得到的樣品進(jìn)行分離純化,得到的103Pd樣品的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)列于表4。結(jié)果表明,以淋洗程序2可以純化制備獲得質(zhì)量穩(wěn)定的103Pd樣品。

表2 放射性核純度分析方法驗(yàn)證結(jié)果Table 2 Validation results of analytical method for radionuclic purity

表3 Pd元素含量分析方法驗(yàn)證結(jié)果Table 3 Results of validation of analytical method for Pd concentration

表4 三批次樣品測試結(jié)果Table 4 Test result of three batches 103Pd products

圖5 103Pd的γ能譜圖Fig.5 γ spectrum of 103Pd

4 結(jié)論

本研究通過冷實(shí)驗(yàn),對比了AG 1-X 8和AG MP-1兩種樹脂在不同分離條件下對銠靶材中Pd元素的分離純化效果,確定以前者通過6 mol/L HCl和0.03 mol/L HCl交替淋洗除去Rh和可能由靶材及環(huán)境引入的金屬雜質(zhì)元素,以1 mol/L氨水與1 mol/L氯化銨的等體積比混合溶液解吸目標(biāo)核素的程序進(jìn)行Pd的分離純化。此條件下Rh元素的去除率大于99.9%,Pd元素回收率可接近100%。同時(shí),分離程序較文獻(xiàn)方法簡化,分離純化時(shí)間縮短近一倍,對實(shí)驗(yàn)人員及環(huán)境更為友好。以此方法,對三批次加速器輻照的銠靶進(jìn)行分離純化,并進(jìn)行樣品檢驗(yàn),103Pd樣品的放射性核純度、比活度等各項(xiàng)檢測結(jié)果保持穩(wěn)定,證明本分離純化方法可用于制備居里級活度的103Pd,實(shí)現(xiàn)國內(nèi)103Pd核素的商業(yè)化生產(chǎn)。