加速器生產(chǎn)103Pd的厚銠靶制備工藝研究

馬承偉,段 菲,褚浩淼,李 光,王曉明,趙紫宇,李 超,王成志,溫 凱

(1.原子高科股份有限公司,北京 102413;2.國(guó)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)

癌癥是威脅人類(lèi)健康的重大殺手,隨著核醫(yī)學(xué)的發(fā)展,放射性粒子近距離治療惡性腫瘤已經(jīng)成為一種有效的治療方法。目前,適合用于近距離治療的核素有10余種,主要有125I、103Pd、169Yb、198Au、131Cs、192Ir、60Co等[1-2]。其中,125I和103Pd具有合適的半衰期、能量低、能譜較簡(jiǎn)單、不會(huì)產(chǎn)生有害氣體、易于輻射防護(hù)等優(yōu)點(diǎn),是目前臨床上使用最廣泛的兩種核素。

與125I相比,103Pd核素具有半衰期短(T1/2=16.96 d)、能量低(20～23 keV)、初始劑量率高(19 Gy/h)等優(yōu)點(diǎn)[3],可以用較高的初始放射性劑量去攻擊具有活性的病變腫瘤細(xì)胞,從而縮短治療時(shí)間,并達(dá)到很好的治療效果。同時(shí),其X射線容易屏蔽,可以保護(hù)其他人員遭受不必要的輻射。Lazarescu等[4]認(rèn)為有效治療時(shí)間與腫瘤倍增時(shí)間有關(guān),倍增時(shí)間較短的腫瘤細(xì)胞宜采用初始計(jì)量率較高的放射性核素,因此對(duì)于增殖較快的腫瘤組織,103Pd更為適合[5]。體外實(shí)驗(yàn)表明,對(duì)于倍增時(shí)間小于10 d的腫瘤,103Pd的效果優(yōu)于125I。

目前,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)用于組織間近距離治療的密封籽源產(chǎn)品只有125I密封籽源,而且國(guó)內(nèi)也尚不具備規(guī)?；a(chǎn)103Pd的能力,限制了103Pd密封籽源的開(kāi)發(fā),也影響了其在近距離治療領(lǐng)域的應(yīng)用。在《醫(yī)用同位素中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》中也明確提出,要掌握加速器制備103Pd等醫(yī)用同位素的關(guān)鍵制備技術(shù)。加速器制備103Pd通常以天然金屬銠作為靶材,通過(guò)核反應(yīng)103Rh(p,n)103Pd進(jìn)行制備,工藝過(guò)程包括制靶、輻照和分離純化三個(gè)步驟。若要獲得規(guī)?；?03Pd核素制備能力,需要Rh鍍層致密、厚度較高的靶件。制靶是103Pd制備工藝中的關(guān)鍵技術(shù),用Cyclone-30加速器生產(chǎn)103Pd輻照用的銠靶鍍層質(zhì)量厚度應(yīng)大于150 mg/cm2,鍍層與靶托結(jié)合牢固[6],因此開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的厚銠靶制備工藝,才能實(shí)現(xiàn)核素103Pd的批量化生產(chǎn)。

Gulyaev等[7]采用擴(kuò)散焊的方法將銠片焊接在銅靶托上制備得到銠靶,然而在焊接過(guò)程中金屬銅會(huì)擴(kuò)散到銠片中,從而給后續(xù)分離純化過(guò)程帶來(lái)困難。Silverman等[8]則直接以銠箔作為靶材制備103Pd,但是該方法需要設(shè)計(jì)新的冷卻系統(tǒng),采用液態(tài)金屬射流對(duì)銠箔進(jìn)行冷卻,成本高、技術(shù)難度較大。除此之外,電沉積技術(shù)是銠靶制備的首選方法,也是目前最常用的方法。但是電沉積技術(shù)制備的銠鍍層會(huì)產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力,容易造成鍍層的起皮開(kāi)裂,是電沉積技術(shù)制備厚銠靶面臨的最大技術(shù)難點(diǎn)。

鍍銠液有硫酸型、磷酸型、硫酸-磷酸型、氨基磺酸型等[9],其中硫酸型鍍銠具有工藝簡(jiǎn)單,鍍液易維護(hù),電流效率相對(duì)較高的優(yōu)點(diǎn)。Sadeghi等[10-12]對(duì)103Pd生產(chǎn)用銠靶的制備進(jìn)行了較為詳細(xì)的研究,分別選擇樂(lè)斯化學(xué)生產(chǎn)的硫酸銠鍍液或回收后自制的硫酸銠溶液,采用直流電鍍法進(jìn)行銠靶制備,但是只得到了厚度在45～50 μm之間的銠鍍層。

美國(guó)Michael等[13]發(fā)明了一種以單體狀態(tài)硫酸銠配合物為主的銠鍍液,用此鍍液制備的鍍層表現(xiàn)出了低內(nèi)應(yīng)力,并且很少出現(xiàn)裂紋和突起,由此證明硫酸銠的構(gòu)型也會(huì)影響銠鍍層。Abys等[14]經(jīng)過(guò)研究后認(rèn)為,標(biāo)準(zhǔn)水解形成的硫酸銠配合物因?yàn)榫哂秀?銠鍵合和通過(guò)硫酸根基團(tuán)的鍵合,這是銠電鍍時(shí)產(chǎn)生高應(yīng)力的主要原因。據(jù)此,通過(guò)控制水解反應(yīng)的溫度制備開(kāi)發(fā)了低內(nèi)應(yīng)力銠鍍液。

根據(jù)電流的不同,電沉積技術(shù)又可以分為直流電鍍法和脈沖電鍍法,直流電鍍制備的銠鍍層存在內(nèi)應(yīng)力大、易開(kāi)裂的問(wèn)題,相較而言脈沖法更具優(yōu)勢(shì)[9]。原子高科股份有限公司[15]采用脈沖電鍍法可以制備厚銠靶,證明采用脈沖電鍍法可以降低銠鍍層內(nèi)應(yīng)力,不過(guò)方法只對(duì)部分電鍍工藝參數(shù)進(jìn)行了研究,工藝穩(wěn)定性較差,制備的銠鍍層質(zhì)量不穩(wěn)定,仍無(wú)法用于穩(wěn)定生產(chǎn)103Pd,因此需要開(kāi)發(fā)穩(wěn)定的厚銠靶制備工藝。而且諸多研究表明,鍍銠添加劑也能降低鍍層內(nèi)應(yīng)力,防止產(chǎn)生裂紋,使銠鍍層變得致密平滑[16-18]。從已有研究可知,為穩(wěn)定制備厚銠靶,進(jìn)一步降低銠鍍層內(nèi)應(yīng)力是關(guān)鍵,本研究旨在研究脈沖電鍍銠靶工藝,在已有研究基礎(chǔ)上改變銠鍍液分子構(gòu)型、選取合適的電鍍添加劑,進(jìn)一步降低銠鍍層應(yīng)力,提升鍍層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性,以獲得致密平整、與基底結(jié)合牢固、鍍層質(zhì)量厚度達(dá)到150 mg/cm2的銠靶。

1 試劑與儀器

1.1 試劑

氫氧化鈉、硫酸:分析純,國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;硫酸銠:10%(以銠計(jì)),上海拓思化學(xué)有限公司;電鍍添加劑A:國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司;紫銅靶片,非標(biāo)加工;超純水:美國(guó)Millipore純水儀;0.45 μm PTFE 濾膜:Omnipore。

1.2 儀器

ML303電子天平:德國(guó)Mettler Toledo公司;高頻脈沖整流器:北京浩越天電源技術(shù)有限公司;置頂式電動(dòng)攪拌器:常州恩培儀器制造有限公司; 超級(jí)恒溫水浴鍋:上海博訊實(shí)業(yè)有限公司醫(yī)療設(shè)備廠;高純鍺多道γ譜儀:美國(guó)ORTEC公司;Agilent 7800 電感耦合等離子體質(zhì)譜儀:安捷倫科技(中國(guó))有限公司。

2 實(shí)驗(yàn)方法

2.1 銠鍍液配制

鍍銠液配置時(shí),首先將10%的NaOH溶液緩慢滴加到硫酸銠溶液中,不斷攪拌,維持溶液溫度在25 ℃以下,調(diào)節(jié)硫酸銠溶液pH至10～12,使Rh3+轉(zhuǎn)化為黃色沉淀。然后抽濾,使用高純水沖洗濾餅2～3次,用濃H2SO4將沉淀溶解,最后用高純水將溶液稀釋至一定體積,并用濃硫酸調(diào)節(jié)硫酸濃度,加入一定量的電鍍添加劑A,即可得到銠鍍液。

2.2 脈沖電鍍制備銠靶

紫銅靶片預(yù)先做鏡面拋光處理,用去污粉清洗靶片表面油污和灰塵,高純水清洗電鍍槽,組裝試漏。加入0.1 mol/L的H2SO4,活化1 min后倒出,接通脈沖電源后,加入銠鍍液開(kāi)始電鍍(圖1)。

圖1 電鍍銠實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup for Rhodium Plating

為探究最佳的Rh電鍍條件,開(kāi)展條件實(shí)驗(yàn),改變一項(xiàng)電鍍條件,保持其他實(shí)驗(yàn)條件不變,分別測(cè)試獲得鍍層的厚度與質(zhì)量,以確定最佳的電鍍條件。脈沖電源參數(shù):正脈寬100 μs,周期1.0 ms,占空比10%。

電鍍條件實(shí)驗(yàn)參數(shù)包括鍍液組成和電鍍工藝參數(shù)兩部分。鍍液組成:Rh3+濃度6～24 g/L,硫酸濃度0.5～4 mol/L,電鍍添加劑A濃度6～22 g/L;電鍍工藝參數(shù):電流密度2～20 mA/cm2,鍍液溫度20～50 ℃,攪拌速度300～1 600 r/min。

銠靶的測(cè)試包括墜落和熱沖擊實(shí)驗(yàn)。墜落實(shí)驗(yàn)將靶片在1 m高度處自由墜落,觀察鍍層與基底結(jié)合情況。熱沖擊實(shí)驗(yàn)?zāi)M質(zhì)子加速器打靶時(shí)的高溫環(huán)境,將試樣置于馬弗爐內(nèi),以10 ℃·min-1的升溫速率加熱至500 ℃,恒溫1 h,取出后立即投入室溫冷水中驟冷,觀察鍍層有無(wú)起皮脫落現(xiàn)象。

2.3 熱實(shí)驗(yàn)

將脈沖電鍍法制備的靶片裝入加速器中,在束流16.5 MeV,100～210 μA的條件下輻照5～51.5 h,總束流積分為300～4 500 μA·h,通過(guò)103Rh(p,n)103Pd核反應(yīng)生產(chǎn)103Pd。

3 結(jié)果與討論

3.1 脈沖電鍍制備銠靶

3.1.1Rh3+濃度對(duì)電流效率的影響 Rh3+濃度與電流效率之間的關(guān)系示于圖2,Rh3+濃度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響列于表1。由圖2可知,隨著鍍液中Rh3+濃度增加,電流效率逐漸增加。而另一方面,由表1可知,隨著Rh3+濃度的增加,陰極銠金屬沉積速率也逐漸增加,有利于縮短電鍍時(shí)間。在電鍍工藝中,主鹽濃度越高,擴(kuò)散傳質(zhì)速度越快,濃差極化越小,允許采用的陰極電流密度也會(huì)越高,鍍層不易燒焦,但是隨著主鹽濃度的提高,鍍層也會(huì)變得粗糙。Rh3+作為主鹽,適當(dāng)提高其濃度可以得到低內(nèi)應(yīng)力、低脆性的銠鍍層。因此,Rh3+濃度應(yīng)控制在10～20 g/L。

表1 Rh3+濃度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響Table 1 The effect of Rh3+ concentration on plating quality

3.1.2硫酸濃度 硫酸濃度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果列于表2,銠鍍層外觀示于圖3。

表2 硫酸濃度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響Table 2 The effect of sulfuric acid concentration on plating quality

a——0.5 mol/L;b——1.5 mol/L;c——2.5 mol/L;d——3 mol/L;e——4 mol/L圖3 不同硫酸濃度制備銠鍍層結(jié)果Fig.3 The Rhodium plating prepared with different sulfuric acid concentration

硫酸能增加鍍液的導(dǎo)電能力,同時(shí)還可以起到穩(wěn)定鍍液的作用。硫酸含量增加可以提高鍍層平整度,但是當(dāng)硫酸含量過(guò)高時(shí),電鍍過(guò)程中陰極析氫現(xiàn)象會(huì)變得嚴(yán)重,進(jìn)而導(dǎo)致鍍層質(zhì)量變差。由表2和圖3可知,硫酸濃度應(yīng)控制在0.5～3 mol/L。

3.1.3鍍液溫度 鍍液溫度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響列于表3。由表3可知,當(dāng)鍍液溫度高于50 ℃時(shí),銠鍍層結(jié)合力變差,出現(xiàn)起皮、開(kāi)裂等問(wèn)題,因此電鍍溫度應(yīng)控制在20～40 ℃。

表3 鍍液溫度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響Table 3 The effect of temperature on plating quality

3.1.4攪拌速度 攪拌速度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響列于表4,熱沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果示于圖5。攪拌會(huì)加速溶液對(duì)流,使陰極附近消耗了的金屬離子得到及時(shí)補(bǔ)充,降低陰極的濃差極化作用,因而在其他條件相同的情況下,攪拌會(huì)使鍍層結(jié)晶變粗。不過(guò),適當(dāng)提高攪拌速度可以及時(shí)排除陰極析出的氫氣泡,防止鍍層出現(xiàn)麻點(diǎn)、針孔等缺陷,同時(shí)還可以增加電流密度范圍,提高電鍍效率,改善鍍液的分散能力,而當(dāng)攪拌速度大于1 500 r/min時(shí)會(huì)導(dǎo)致鍍液飛濺。同時(shí),在金相顯微鏡下將銠鍍層放大200倍后進(jìn)行觀察(圖4),鍍層表面也未見(jiàn)明顯的缺陷。因此,攪拌速度應(yīng)控制在500～1 500 r/min范圍內(nèi)。

表4 攪拌速度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響Table 4 The effect of stirring speeds on plating quality

a——500 r/min;b——750 r/min;c——1 000 r/min;d——1 250 r/min;e——1 500 r/min 圖4 不同攪拌速度制備銠鍍層放大200倍形貌圖Fig.4 Metallographic microscope photograph of a rhodium prepared at different stirring speeds (200 times magnification)

3.1.5電流密度對(duì)電流效率的影響 電流密度與電流效率之間的關(guān)系示于圖6,電流密度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響列于表5。結(jié)合圖6與表5可知,當(dāng)電流密度大于16 mA/cm2時(shí),銠鍍層表面開(kāi)始出現(xiàn)針孔和麻點(diǎn),鍍層質(zhì)量變差,電流效率下降明顯,說(shuō)明陰極析氫現(xiàn)象開(kāi)始變得嚴(yán)重。同時(shí),電流密度下降,電沉積速率也會(huì)降低,導(dǎo)致電鍍耗時(shí)過(guò)長(zhǎng),因此電流密度控制在8～16 mA/cm2可制備得到致密、平整、與基底結(jié)合牢固的銠鍍層。

表5 電流密度對(duì)銠鍍層質(zhì)量的影響Table 5 The effect of current density on plating quality

圖6 電流密度與陰極電流效率之間的關(guān)系Fig.6 Effect of current density on cathode current efficiency

3.1.6添加劑A的影響 添加劑A濃度對(duì)鍍層質(zhì)量列于表6。添加劑A在鍍液中是絡(luò)合劑,一定含量的添加劑A能增大陰極極化,使鍍層細(xì)致、光亮、無(wú)裂紋。但是當(dāng)其含量過(guò)高時(shí),陰極電流效率下降,鍍層容易出現(xiàn)黃斑和白霧,含量過(guò)低時(shí),鍍層容易變得粗糙。結(jié)合墜落實(shí)驗(yàn)、熱沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知,電鍍添加劑A的濃度在6～18 g/L之間時(shí),鍍層更加致密平整、與基底結(jié)合牢固。

表6 添加劑A濃度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響Table 6 The effect of A concentration on plating quality

3.1.7厚銠靶制備 經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)研究,確定脈沖電鍍法制備銠靶的最佳工藝條件為:電流密度8～16 mA/cm2,鍍液溫度20～40 ℃,Rh3+濃度10～20 g/L,H2SO4濃度0.5～3 mol/L,轉(zhuǎn)速500～1 500 r/min,添加劑A濃度6～18 g/L。在最佳工藝條件下電鍍15～20 h,帶電更換鍍液,繼續(xù)電鍍,即可得厚銠靶(圖7)。對(duì)熱沖擊實(shí)驗(yàn)前后的銠鍍層進(jìn)行放大觀察,由圖8可知經(jīng)過(guò)熱沖擊的銠鍍層會(huì)出現(xiàn)明顯的裂紋,但鍍層與銅靶托結(jié)合牢固,在墜落實(shí)驗(yàn)中,銠鍍層無(wú)脫落。對(duì)鍍層進(jìn)行能譜分析,可以看出鍍層僅有銠一種元素存在,結(jié)果示于圖9。連續(xù)四個(gè)批次厚銠靶制備結(jié)果列于表7,鍍層質(zhì)量厚度可以達(dá)到150 mg/cm2,且平整、致密,與銅靶托結(jié)合牢固。

表7 脈沖電鍍法制備厚銠靶實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 7 Experimental results of thick rhodium targets prepared by pulse electroplating

a——熱沖擊實(shí)驗(yàn)前;b——熱沖擊實(shí)驗(yàn)后圖7 脈沖電鍍法制備的厚銠靶(質(zhì)量厚度147.59 mg/cm2)Fig.7 Preparation of targets prepared by pulse electroplating (147.59 mg/cm2)

圖9 銠鍍層能譜圖Fig.9 Energy spectrum of Rhodium plating

3.2 熱實(shí)驗(yàn)

使用厚銠靶制備103Pd的結(jié)果列于表8。在輻照5～51.5 h內(nèi),單批產(chǎn)量可以達(dá)到2.15～23.42 GBq(EOB),產(chǎn)額達(dá)到5.18～6.04 MBq/(μA·h)。輻照后的銠靶示于圖10,銠鍍層無(wú)明顯變化,與銅靶托結(jié)合牢固,滿(mǎn)足輻照工藝要求。

表8 厚銠靶制備103Pd的結(jié)果Table 8 Results of production of 103Pd with thick rhodium targets

圖10 C30加速器輻照后銠靶(銠鍍層質(zhì)量厚度180.93 mg/cm2,輻照時(shí)間5 h,束流積分387.3 μA·h)Fig.10 Rhodium target after irradiation with C30 accelerator (1698 mg of rhodium, irradiate by 5 h, beam integral 387.3 μA·h)

4 結(jié)論

通過(guò)研究脈沖電鍍銠靶工藝改進(jìn)工藝,解決了銠靶制備不穩(wěn)定的問(wèn)題。在已有研究基礎(chǔ)上,通過(guò)改變鍍液中硫酸銠分子構(gòu)型、加入電鍍添加劑A、優(yōu)化電鍍工藝參數(shù),可進(jìn)一步降低銠鍍層內(nèi)應(yīng)力,顯著提高工藝穩(wěn)定性,制備的銠鍍層質(zhì)量厚度可以達(dá)到150 mg/cm2以上,致密、平整、與基底結(jié)合牢固,可以穩(wěn)定制備厚銠靶。本研究制備的厚銠靶,在C30回旋加速器內(nèi)輻照5～51.5 h,可以獲得產(chǎn)額5.18～6.04 MBq/(μA·h)、核純度大于99.9%的103Pd核素,銠鍍層質(zhì)量滿(mǎn)足103Pd批量化生產(chǎn)要求。