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(dòng)力研究設(shè)計(jì)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(dá)到2.28 MeV，90Y的衰變子體90Zr穩(wěn)定無毒，不會(huì)對人體產(chǎn)生影響。此外，90Y具有良好的螯合化學(xué)性質(zhì)，易標(biāo)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(biāo)記單抗、90Y微球和90Y標(biāo)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(diǎn)，且所用原料90Sr是235U的裂變產(chǎn)物，可從長時(shí)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(jī)溶劑、產(chǎn)生大量放射性廢液等缺點(diǎn)，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(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題：一是要嚴(yán)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?；谝陨峡紤]，本工作對現(xiàn)行的聚銻酸制備工藝進(jìn)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(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)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(jī)：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(dòng)力院生產(chǎn)，放射性濃度4.07×108Bq/mL，鍶含量37.28 g/L；實(shí)驗(yàn)用水為去離子水，其他化學(xué)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(diǎn)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(shí)間、H2O2體積開展3因素3水平的正交試驗(yàn)L9(33)，考察不同陳化溫度和陳化時(shí)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(jìn)行干燥，與普通烘干法進(jìn)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(shí)驗(yàn)。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(jì)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(dòng)態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)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(dāng)流出液中Sr濃度上升至初始濃度的0.9倍時(shí)，認(rèn)為達(dá)到吸附飽和。根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算動(dòng)態(tài)吸附容量qd，qd計(jì)算方法見公式(2)。

(2)

式中，V1為達(dá)到吸附飽和時(shí)流出液的體積，L；C0為上柱前Sr的初始濃度，mg/L；C1為達(dá)到吸附飽和時(shí)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(shí)驗(yàn)，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(jì)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(jì)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(shí)驗(yàn)

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(shí)驗(yàn)，取0.536 mL89SrCl2原液(約5 mCi)進(jìn)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(shí)驗(yàn)。驗(yàn)證聚銻酸在輻照條件下對Sr和Y的分離效果，同時(shí)更為直接地驗(yàn)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(gè)因素，設(shè)計(jì)了3因素3水平的正交實(shí)驗(yàn)，L9(33)。因素A，氧化溫度分別取40、60、80 ℃；因素B，反應(yīng)時(shí)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(shí)驗(yàn)計(jì)劃列于表1，依據(jù)表1的實(shí)驗(yàn)條件，分別開展9組聚銻酸的合成實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)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(shí)間的極差為5.6，因素C中H2O2體積的極差為3.2。3個(gè)因素對聚銻酸吸附容量的影響大小順序?yàn)椋篈>B>C，氧化溫度對聚銻酸制備的影響最大，氧化溫度較低時(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(shí)間2 h，H2O2體積8 mL)，實(shí)驗(yàn)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(huì)導(dǎo)致吸附劑性能下降。溫度過高加快H2O2分解，溫度過低時(shí)氧化反應(yīng)速度較慢，可能導(dǎo)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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中初步篩選的材料制備條件為：氧化溫度40 ℃，氧化時(shí)間2 h，H2O2體積8 mL。

表1 L9(33)正交實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(jī)械性能。為此，開展了不同陳化時(shí)間和不同陳化溫度條件下的聚銻酸制備實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)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(shí)間。

表3 陳化時(shí)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(xiàn)報(bào)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(shí)90Sr的漏穿，對順利開展發(fā)生器吸附及解吸實(shí)驗(yàn)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(jī)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(huì)因?yàn)橐簯B(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(hù)[15]。本文將相同制備條件下合成的聚銻酸分別進(jìn)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(shí)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(shí)間顯著縮短為4 h(圖1)，動(dòng)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(yuǎn)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(shí)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(dòng)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(shí)驗(yàn)

根據(jù)靜態(tài)吸附實(shí)驗(yàn)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(biāo)記)，開展不同洗脫劑濃度下的柱分離實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)所用鹽酸濃度上升至1.5 mol/L時(shí)，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(shí)驗(yàn)時(shí)，進(jìn)行多次重復(fù)吸附和解吸，當(dāng)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(jìn)行吸附和洗脫，計(jì)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)104～105量級，難以符合醫(yī)用要求，考慮利用二次柱進(jìn)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(jìn)行二次柱分離難以進(jìn)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(jìn)一步降低90Sr的沾污程度。從4組二次柱分離實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中過柱前后濃度比分別為8.5、82.7、803.5、4 858.1，當(dāng)過柱前Sr濃度越大時(shí)，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(shí)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(shí)驗(yàn)中，向第一個(gè)分離柱的洗脫液中加入適量Sr作為反載體，再經(jīng)第二個(gè)分離柱分離可使洗脫液中90Sr的含量進(jìn)一步降低，分離因數(shù)可以進(jìn)一步提高。同時(shí)，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(huì)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(yàn)證聚銻酸在輻照條件下對Sr/Y的分離效果，同時(shí)更為直接地驗(yàn)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(shí)驗(yàn)，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(jìn)行進(jìn)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(jìn)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(jìn)一步降低，分離因數(shù)可達(dá)107量級，進(jìn)一步驗(yàn)證了反載體的加入對提高90Y洗脫液的核純度是切實(shí)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(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 8 Data results of simulated thermal experiment for Sr/Y separation

圖8 雙柱法分離實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)間為4 h，動(dòng)態(tài)吸附容量達(dá)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(jìn)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(dá)到醫(yī)用指標(biāo)要求，提出采用雙柱法進(jìn)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(jìn)行二次柱分離，可使Sr與Y的分離因數(shù)達(dá)到107以上，分離因數(shù)滿足醫(yī)用指標(biāo)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(xué)穩(wěn)定性和輻照穩(wěn)定性進(jìn)行更深入研究。