利用HFETR制备高比活度锶-89溶液

罗 宁，曾俊杰，陈云明，孙志中，张劲松，梁帮宏，胡 银，李 兵，钟 军，王小兵

(1.中国核动力研究设计院，成都 610005；2.四川省放射性同位素工程技术研究中心，成都 610005)

89Sr是一种β放射性核素，半衰期为50.53 d，衰变时主要放出β射线成为稳定的89Y，β-射线能量0.586 MeV(9.6×10-3%)和1.495 MeV(99.99%)，γ射线能量0.909 MeV(9.6×10-3%)。1942年，Pecher等[1]发现89SrCl2能减轻骨肿瘤患者的疼痛。Robinson等[2]用89SrCl2治疗500例转移性骨肿瘤患者，80%的患者疼痛缓解。89SrCl2具有一次给药后，止痛时间长，副作用轻微等优点[3]，具有良好的市场前景。89Sr有两种制备途径，首先是通过88Sr(n,γ)89Sr反应，利用热中子辐照富集88SrCO3靶料制备89Sr，热中子俘获截面为5.8 × 10-27cm-2(5.8 mb)，容易获得比活度高于3.7×109Bq·g-1的89Sr产品[4]，满足药典使用要求。其次是通过89Y (n, p)89Sr反应[5]，利用快中子辐照天然Y2O3靶料制备89Sr，但其(n, p)反应截面较低，在1×1015cm-2·s-1快中子注量率下仅获得约3.7×108Bq·g-1的89Sr产品[6]。根据药典指标要求，制备高比活度和高纯度89SrCl2溶液产品是关键。目前国内89Sr生产工艺并不完善，相关研究工作中断多年，金属杂质含量过高，缺乏高比活度89Sr产品规模化制备的工艺装置和热实验数据。2015版药典已纳入氯化锶[89Sr]注射液，对产品质量提出了明确要求，随着国内医用同位素市场的快速发展，尽快完成单次居里级高比活度89Sr 制备装置研发，对恢复重要医用同位素产品国产化具有重要意义。中国核动力院的高通量工程实验堆(HFETR)设计功率125 MW，最大热中子注量率6.2×1014cm-2·s-1，世界第三，亚洲第一，适合高比活度89Sr生产。本文利用HFETR辐照建立制备高比活度有载体89SrCl2溶液的工艺过程，包括物理计算、条件实验、靶件加工、堆内辐照、核素提取和分析测量等环节，有望通过本工艺解决国内89Sr产品完全依赖进口的问题。

1 实验材料

1.1 主要仪器与装置

AG245电子天平：感量为0.1 mg，瑞士梅特勒公司；ORTEC GEM 30185型高纯锗γ谱仪：美国ORTEC公司；Element XR高分辨电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)：赛默飞世尔科技有限有限公司；MAT-262热电离质谱仪：菲尼根玛特公司；屏蔽手套箱：中国核动力院设备制造厂；工艺装置一套：自组装。

1.2 主要材料与试剂

88SrCO3：化学纯度>99.9%，88Sr丰度>99.9%，深圳爱索特公司；医用盐酸：四川合升创展医药有限责任公司；灭菌注射用水：四川克伦药业股份有限公司。

2 实验方法

2.1 试剂和靶料分析

对医用盐酸和稀释用水，利用ICP-MS对试剂的Al等重要金属杂质元素进行分析。利用医用盐酸溶解88SrCO3后稀释，利用热电离质谱仪对88Sr等核素丰度进行分析；利用ICP-MS对样品的Al等重要金属杂质元素进行分析。

2.2 靶件制作

将88SrCO3粉末装入内靶管中密封，将检验合格的内管按照靶件图册要求装入外靶管中，密封并完成靶件制作。

2.3 靶件辐照和切割

89Sr的核反应示于图1。将88SrCO3靶件放入高通量工程实验堆(HFETR)热中子注量率约2×1014n·cm-2·s-1的孔道中辐照约28 d，冷却一段时间后继续辐照28 d，出堆。在热室内除去外靶管，取出内靶管并转运至化学处理场所。

2.4 89SrCl2溶液制备

为了严格控制89SrCl2溶液产品纯度和质量，设计了专用工艺装置(图2)，包括洗涤槽、溶解装置和蠕动泵等部件。其中，洗涤槽与废液槽和酸液容器通过管线连接，溶解装置与过滤装置和酸液容器通过管线连接。主要操作过程如下：将装有SrCO3粉末的内靶管转移到洗涤槽中，通过酸液容器向洗涤槽中注酸，对内靶管进行浸泡，加水清洗后打开内靶管，然后将管内粉末置于溶解装置中，通过酸液容器向溶解装置中加入盐酸，溶解SrCO3粉末后制得89SrCl2溶液。开启抽气泵，将89SrCl2溶液抽入过滤装置，滤液收集到暂存瓶中，然后通过蠕动泵将89SrCl2溶液分装成产品保存。

图1 89Sr的核反应Fig.1 Nuclear reaction of 89Sr

图2 89SrCl2溶液制备工艺装置Fig.2 Process equipment of 89SrCl2 solution preparation

2.5 分析检测

1)89Sr活度

89Sr活度由高纯锗γ谱仪测定。

2) γ杂质

γ杂质活度由高纯锗γ谱仪测定，然后与89Sr活度比较得到γ杂质比例。

3) 金属杂质

利用ICP-MS对Al等金属杂质元素含量进行分析。

3 结果与讨论

3.1 试剂和靶料分析

根据药典和行业要求，氯化锶[88Sr]注射液(活度浓度约3.7×107Bq·mL-1)中金属杂质Al、Fe和Pb的浓度分别不得高于2 μg·mL-1、5 μg·mL-1和5 μg·mL-1，因此利用ICP-MS对涉及的医用盐酸和水进行杂质分析。结果表明，自制的石英亚沸水金属杂质含量极低，Al、Fe含量小于0.2 μg·L-1，Pb仅为0.01 μg·L-1；注射用水Al、Fe和Pb含量均低于0.25 μg·L-1；用注射用水配制的1 mol/L盐酸溶液Al、Fe和Pb含量分别为0.016 μg·mL-1、0.096 μg·mL-1、0.015 μg·mL-1，比注射液要求的杂质含量低1～2个量级，满足使用要求(表1)。

靶料是杂质的主要来源之一，利用ICP-MS和热电离质谱仪分别对88SrCO3原料的重要金属杂质含量和关键核素的丰度进行分析。结果表明，金属杂质含量明显低于证书标识数据，其中最重要的杂质铝的含量仅为1.3 μg·mL-1；88Sr和84Sr的丰度满足要求(表2)。

表1 试剂中重要金属杂质含量Table 1 Important metal impurities in reagents

表2 88SrCO3中重要金属杂质含量Table 2 Important metal impurities in 88SrCO3

3.2 89SrCl2溶液制备

利用新工艺装置对5根88Sr靶件进行化学处理，顺利完成了靶料溶解、溶液过滤和产品分装等操作环节，获得澄清透明89SrCl2溶液。在过滤环节发现黑色粉末存在，且呈现出颜色越深则比活度越高的现象，相关研究正在深入进行。

3.3 样品测量与分析

3.3.189Sr活度

富集度99.9%的88Sr靶料在HFETR热中子注量率约2×1014n·cm-2·s-1的孔道内连续辐照2个炉段。一般而言，确定辐照孔道后，辐照时间越长，锶-89比活度越高，考虑锶-90杂质越来越多，实际上连续辐照时间不能太长(一般要求锶-90/锶-89应小于2×10-6)。结合HFETR的运行规律，靶件采取随堆辐照方式，选择辐照2个炉段约56 d，使得锶-89产品比活度较高，且锶-90杂质不超标，中间冷却10 d或30 d后所得的89SrCl2溶液样品经伽马谱仪测量，89Sr比活度(停堆时刻)为7.77×109～1.08×1010Bq·g-1。一支靶件连续辐照2个炉段可制备约3.7×1010Bq的89Sr样品(表3)。由于每次辐照时辐照孔道和堆芯装载方案并不相同，中子通量也有差别，89Sr样品实测活度有一定的波动。初始溶液活度浓度为3.59×108Bq·mL-1，从体积控制角度对溶液进行了浓缩试验，溶液活度浓度最高达1.21×109Bq·mL-1。

2015版《中国药典》规定89SrCl2注射液中Sr含量范围为6～12.5 mg·mL-1，由于要求活度浓度不低于3.7×107Bq·mL-1，因此，对于有载体89SrCl2溶液与之对应的89Sr比活度必须大于2.96×109Bq·g-1。由于89Sr不断衰变，从实用角度出发，样品比活度应大于3.7×109Bq·g-1。从表3可以看出，利用HFETR较高的热中子注量率辐照制备的89Sr比活度可达最低要求的3倍，质量优良，满足商业使用要求。

表3 89SrCl2溶液活度1)Table 3 Activity of 89SrCl2 solution

注：1) 活度数据均为停堆时刻；

2) 中间冷却10 d；3)中间冷却30 d。

3.3.2杂质核素

图3 89SrCl2溶液伽马谱图Fig.3 Gamma spectrum of 89SrCl2 solution

89SrCl2溶液样品中放射性杂质核素主要为靶料中84Sr通过中子活化反应生成的85Sr，此外，还有通过89Sr (n, γ)90Sr反应生成的极微量90Sr。利用高纯锗γ谱仪测定89SrCl2溶液样品相关核素活度，将杂质核素活度与89Sr活度相比得到γ杂质比例。89SrCl2溶液γ谱图示于图3，能量为909.1 keV的特征峰为89Sr，能量为514.0 keV的特征峰为85Sr。85Sr是主要γ杂质，由核反应84Sr (n,γ)85Sr生成，其他γ核素可忽略不计。根据测量结果，6个89SrCl2溶液样品中的γ杂质含量为0.11%～0.14%，完全满足药典要求的小于1%(表4)。此外，虽然2015版药典89SrCl2注射液核素纯度并无90Sr的要求，但考虑到90Sr半衰期较长，毒性较大，在89Sr制备过程中仍需加以控制。本研究中90Sr的含量通过物理计算得到，在HFETR热中子注量率约2×1014n·cm-2·s-1孔道内连续辐照2个炉段(中间冷却10 d)，90Sr/89Sr约1.1 ×10-6，含量极微，满足业内不大于2×10-6的要求，不会对人体造成可察觉的损害。

表4 89SrCl2溶液伽马杂质含量Table 4 Gamma impurity content of 89SrCl2 solution

3.3.3金属杂质

利用ICP-MS对89SrCl2溶液样品中Al等重要金属杂质元素含量进行直接分析，各样品原液Al含量为0.12～7.88 μg·mL-1，Fe含量为0.59～6.48 μg·mL-1，Pb含量为0.05～0.86 μg·mL-1(表5)。不同批次样品活度浓度不同，参照注射液3.7×107Bq·mL-1的规格换算数据，Al含量为0.012～0.31 μg·mL-1，Fe含量为0.054～0.24 μg·mL-1，Pb含量为0.002 1～0.089 μg·mL-1，远低于药典和行业中89SrCl2注射液中Al、Fe、Pb分别不大于2 μg·mL-1、5 μg·mL-1和5 μg·mL-1的要求。

表5 89SrCl2溶液重要金属杂质含量Table 5 Important metal impurities in 89SrCl2 solution

4 结论

1) 本研究成功完成了高纯度和高比活度有载体89SrCl2溶液制备装置研发，具备单次7.4×1010Bq的处理能力，并进行了系统研究，获得了系列热实验数据，为89Sr产品国产化打下坚实基础。

2) 以高纯88SrCO3为靶料，在热中子注量率约2×1014n/cm2/s的条件下辐照56 d，89Sr产物比活度7.77×109～1.08×1010Bq·g-1(目前国内最高)，核纯度高，γ杂质含量为0.11%～0.14%，金属杂质含量显著低于药典限值，各项指标完全满足2015版药典要求，质量优良，可用作生产89SrCl2注射液的原料。

3) HFETR具备每年3.7×1012Bq以上高质量89Sr核素产品的生产能力，利用本工艺装置可完全满足国内每年约1.11×1012Bq的89Sr需求，有望彻底摆脱国内89Sr产品完全依赖进口的制约，并创造显著的经济和社会价值，具有重要意义。