强碱性阴离子交换树脂用于90YCl3溶液金属杂质的纯化

尹帮顺，邓启民，潘俊男，程作用

(成都云克药业有限责任公司，四川 成都 610041)

医用90Y主要由90Sr/90Y放射性衰变平衡体系中定期提取得到，利用该方法生产的无载体90Y，用于抗体或多肽等载体标记时能够提高被标记物的利用率，降低90Y放射性药物的生产成本。从90Sr/90Y提取90Y普遍采用萃取法、离子交换法、电沉积法、沉淀法等[1-5]分离Sr和Y的方法，可以得到核纯度符合医用要求的90Y，但在生产过程不可避免地引入Fe、Al、Zn、Mg等金属元素，每种金属元素的含量限度可能超过30 μg/GBq[6]。由于37 GBq90Y的质量仅为1.84 μg，90Y溶液中微量的金属离子尤其是与Y价态相同的金属离子的存在，将会在标记的过程中与90Y竞争相应的抗体或多肽，从而抑制90Y与抗体、多肽等生物分子的结合，降低90Y的标记率。欧洲药典(EP10.0)对标记用90Y中Fe和Zn的含量限度分别为6.0 μg/GBq和3 μg/GBq[7]。因此，从90Sr/90Y分离出来的90Y溶液用于标记之前，必须对溶液纯化以降低金属杂质的含量。

从90Sr/90Y提取核纯度符合医用要求的90Y报道较多，但核纯度符合要求的90Y溶液与其他金属杂质的分离纯化尚未见有相关的报道。对于混合溶液中金属离子的去除，最为有效和简便的方法就是利用离子交换树脂对溶液中的各组分进行分离，从而提纯。

强碱性阴离子交换树脂可用于高浓度盐酸溶液中Fe的去除[8-10]，Fe具有空价电子轨道，在盐酸浓度较高时，形成 [FeCl4]-或[FeCl6]3-等络阴离子，可与氯型阴离子交换树脂发生式(1)的反应：

或

(1)

吸附后的Fe可以通过降低溶液盐酸浓度的方式，从树脂上将Fe洗脱，同时可完成树脂的再生，发生式(2)的反应：

或

(2)

对于可形成络阴离子的金属元素，可以利用强碱性阴离子交换树脂对其进行去除或提纯。Y为一种稀土元素，也具有空价电子轨道，在一定条件下也能形成络阴离子[11-12]。

本工作针对90Y溶液中金属杂质的特点，利用强碱性阴离子交换树脂对90YCl3溶液中主要的金属杂质进行分离。

1 试剂及仪器

AE4树脂(strong anion exchange resin,4% cross-link)：75～165 μm，Triskem International公司；IRIS-HU-DUO型等离子体原子发射光谱仪：美国热电公司；KS-130振荡器:德国IKA公司；Tri-Carb 2810TR 型液体闪烁计数器：美国铂金埃尔默公司；自制玻璃色谱柱：内径为8 mm。实验用水为二次蒸馏水；实验中所用试剂均为分析纯。

2 实验方法

2.1 AE4树脂对90YCl3模拟溶液中金属离子的分配系数

AE4树脂(Cl型)分别加入不同盐酸浓度的溶液中，溶液中均含有Y3+、Fe3+、Al3+、Zn2+、Mg2+等金属离子，振荡24 h，振荡后测量溶液中各离子的浓度，按照公式(3)计算AE4树脂对金属离子的静态分配系数。

(3)

式中，Kd为静态分配系数，mL/g；C0和C分别为被计算离子在振荡前、振荡后，溶液中该离子的质量浓度，μg/mL；m为AE4交换剂的质量，g；V为溶液的体积，mL。

2.2 AE4色谱柱对90Y反萃液模拟溶液的初步分离纯化

不同盐酸浓度的模拟溶液，均含有Fe、Y、Al、Mg、Zn等元素，加入至AE4树脂柱进行吸附实验，测量树脂柱吸附前后样品溶液中各元素的浓度，根据各元素的吸附率，确定不同盐酸浓度条件下的纯化结果。

2.3 AE4树脂柱对Fe3+的吸附容量

AE4树脂柱预处理后，加入FeCl3-HCl溶液(CHCl=3 mol/L)，以2 mL/min速度进行吸附。接收吸附流出液，测定吸附流出液中Fe3+的浓度，根据公式(4)计算出AE4树脂柱的动态工作交换容量。

(4)

式中，Q为交换容量，mg/g；C0为起始料液元素的浓度，μg/mL；C为吸附流出液中离子的浓度，μg/mL；W为交换剂的质量，g；V为漏穿时吸附流出液的体积，mL。

2.4 Fe的去除工艺

90YCl3模拟溶液(含有Y3+、Fe3+、Al3+、Mg2+、Zn2+等)调节盐酸浓度至3 mol/L，加至AE4树脂柱，收集色谱柱吸附流出液；再使用盐酸溶液清洗树脂柱，研究溶液中Fe的去除条件。

2.5 Y与Al、Zn、Mg等杂质的分离

除去Fe3+的90Y模拟溶液调节盐酸浓度至7 mol/L，将该溶液加入另一根AE4树脂柱。再依次使用7 mol/L的盐酸清洗色谱柱、0.01 mol/L的盐酸洗脱色谱柱上的Y。分别测量吸附流出液、色谱柱清洗液、洗脱液中各元素的含量，研究7 mol/L条件下Y与其他元素分离条件。

2.6 90Y溶液纯化和酸度调节工艺条件验证

90YCl3模拟溶液(含有Y3+、Fe3+、Al3+、Mg2+、Zn2+等)加入示踪量的90Y，按照Fe3+与其他元素的分离条件，调节溶液盐酸浓度至3 mol/L，加入至AE4色谱柱1，完成Fe3+的去除；除去Fe3+的反萃液模拟溶液盐酸浓度调节至7 mol/L，加入至AE4色谱柱2，完成Y3+与其他金属元素的分离，最后用 0.01 mol/L盐酸溶液(体积与90YCl3模拟溶液相同)洗脱色谱柱2上的Y3+，得到纯化后的90Y溶液。

在模拟溶液与纯化后Y溶液体积相同的条件下，根据公式(5)和公式(6)，可分别计算出纯化过程对某一金属杂质的去污系数DF和去污率DE。

DF=C0/Ci

(5)

(6)

式中，DF、DE分别为同一元素的去污系数和去污率；C0为起始料液元素的浓度，μg/mL；Ci为纯化后Y溶液中该元素的浓度，μg/mL。

3 结果与讨论

3.1 金属离子在AE4树脂上的静态分配系数

AE4树脂在盐酸体系下对Y3+、Fe3+、Al3+、Zn2+、Mg2+等离子的静态分配系数列于表1。静态分配系数的结果表明，只有Fe3+和Y3+在较高浓度的盐酸溶液中才能被AE4树脂吸附；其主要原因是盐酸浓度较高的条件下，Fe、Y具有空价电子轨道的元素，可与溶液中的Cl-形成[FeCl4]-、[FeCl6]3-及[YCl4]-等络阴离子[8-10]，从而可以被AE4树脂吸附。

表1 AE4树脂在不同浓度盐酸体系下对各金属离子的静态分配系数Table 1 Partition coefficient of some metal element on AE4 resin in different concentration of acid solution

在盐酸浓度较低时，由于不能形成络阴离子，Fe3+、Y3+无法被AE4树脂吸附；其他几种金属元素因无空价电子轨道，无法在盐酸体系下形成络阴离子，在低浓度和高浓度的盐酸体系中均无法被AE4树脂吸附。

注：本工作中，低浓度条件下利用ICP-OES进行溶液中金属离子浓度测定时，对于溶液中浓度低于最低检测限的金属离子，仍以仪器检测值为非负数时，以测定值进行计算，测定值为负数时，以最低检测限值进行计算。仪器的检测限和分析不确定度与文献[13]值基本一致。

在浓度高于5 mol/L以上的HCl溶液中，Y可以被AE4树脂吸附，且随着酸度的增加而呈现出吸附量增加的趋势；Fe3+在3 mol/L盐酸溶液中，可以部分被AE4树脂吸附，且随着酸度的增加而呈现出吸附量增加的趋势。该结果为高盐酸浓度的90Y反萃液纯化、酸度调节提供了基础：利用AE4树脂的色谱柱，先除去Fe3+，再通调节溶液的浓度并经过另一根AE4色谱柱，除去其他金属杂质，最后用低浓度的HCl溶液，将90Y从色谱柱上洗脱，得到需要体系的90Y溶液。

静态分配系数实验的结果表明，适当的盐酸浓度下，AE4树脂对Y3+和Fe3+均有较强吸附能力：溶液中HCl浓度为3 mol/L时，可以实现Fe3+与其他金属离子的分离；溶液中HCl浓度为5 mol/L以上时，可以实现Y3+与其他金属离子的分离。

3.2 AE4色谱柱对90Y反萃液模拟溶液的初步分离纯化

色谱柱对某一元素的吸附率可按照公式(7)计算：

(7)

分别对不同盐酸浓度条件下AE4树脂柱对吸附前、后溶液中各离子的浓度进行检测，并根据公式(7)计算出各离子在对应酸度条件下在AE4树脂上的吸附率，结果列于表2。结果表明，3～9 mol/L的盐酸溶液中，Fe3+均可以完全被吸附在AE4树脂上，吸附率均超过98%；Y3+在3 mol/L的盐酸溶液中，基本不会被吸附，盐酸浓度高于5 mol/L后，吸附率随着盐酸浓度升高而增加，盐酸浓度超过7 mol/L时，Y3+的吸附率超过95%；Al3+、Mg2+、Zn2+等几种离子在盐酸体系下不会被AE4树脂柱吸附。该结果与静态分配系数的实验结果一致。

利用AE4树脂柱对90Y溶液的纯化过程中，可以考虑先除去Fe3+，再除去Al3+、Mg2+、Zn2+等几种离子，得到纯化后的90Y溶液。

注：低浓度条件下利用ICP-OES进行上述元素测定时，对于溶液中未能检测到的金属离子，以仪器检测该金属离子的最低检测限作为测定值进行计算，本工作使用的仪器的检测限和分析不确定度与文献[13]值基本一致。

3.3 AE4树脂柱对Fe3+的吸附容量

溶液中盐酸浓度为3 mol/L的条件下，AE4对Fe3+的吸附容量实验结果示于图1。由图1可知，色谱柱在该条件下对Fe3+的动态体积超过70 mL，根据公式(4)计算，可得到1 g AE4在色谱柱状态下对Fe3+的动态吸附量超过1.4 mg。远大于利用萃取型90Y发生器获得的37 GBq90Y反萃液中Fe3+的总含量(约为0.5 mg)，满足90YCl3溶液纯化过程中对Fe3+的吸附容量要求。

图1 AE4树脂柱在3mol/L盐酸溶液中Fe3+的吸附曲线Fig.1 Adsorption curve of Fe in 3 mol/L hydrochloric acid solution with AE4 resin column

3.4 溶液中Fe的去除工艺

在溶液中盐酸浓度为3 mol/L时，AE4树脂柱只吸附溶液中的Fe3+，包括Y3+在内的其他金属离子均不会被吸附。

溶液浓度为3 mol/L时，Fe3+与其他金属离子分离的3次平行实验结果列于表3。结果表明，该条件下，AE4树脂对Fe3+的吸附率超过99%，说明该吸附条件下AE4树脂可以完全吸附溶液中的Fe3+；在该条件下，AE4树脂柱对于溶液中的其他元素基本不吸附，Fe3+在该条件下与其他几种金属元素可完全分离。

表3 3 mol/L 盐酸体系下AE4树脂柱对Fe3+的去除Table 3 Removal of Fe3+ by AE4 resin column under 3 mol/L hydrochloric acid system

3.5 溶液中Y3+与Al3+、Zn2+、Mg2+等杂质的分离

将除去Fe3+后的溶液盐酸浓度由3 mol/L调节至7 mol/L，并通过另一根AE4树脂柱。在该条件下，Y3+将被吸附在色谱柱上，其他几种金属杂质不会被吸附，可以实现Y3+与Al3+、Zn2+、Mg2+等杂质的分离。吸附Y3+的AE4树脂柱用0.01 mol/L盐酸溶液进行洗脱。分别测量色谱柱吸附余液、色谱柱清洗液和Y洗脱液中各金属离子的含量。

Y3+与Al3+、Zn2+、Mg2+等杂质在AE4树脂柱上的分离结果列于表4。分离的结果表明，在该分离条件下，Y3+与其他几种金属离子基本实现分离，洗脱液中其他几种离子的浓度接近ICP-OES测量的本底值，分离后得到的YCl3溶液中各杂质金属离子的浓度均符合医用要求。

表4 Y3+与Al3+、Zn2+、Mg2+等杂质在AE4树脂柱上的分离Table 4 Separation results of Y and Al3+,Zn2+,Mg2+ with AE4 resin column

3.6 Y的洗脱

利用AE4树脂柱对7mol/L的HCl溶液吸附含有Y3+、Al3+、Zn2+、Mg2+混合溶液中的Y3+后，树脂柱经20倍柱体积的7 mol/L的盐酸清洗后，再分别用0.01 mol/L、0.1 mol/L和1.0 mol/L的盐酸溶液对吸附在树脂柱上的Y进行洗脱。

不同浓度的盐酸进行Y洗脱的结果示于图2，结果表明，浓度为0.01～0.1 mol/L的盐酸溶液作为洗脱液时，Y从树脂上洗脱的趋势一致，前10 mL溶液均可以洗脱50%的Y；40 mL洗脱液的洗脱效率均接近90%。该结果也表明，Y是以络阴离子的形式吸附在AE4树脂上，当树脂所处的溶液盐酸浓度下降后，络阴离子转化为Y3+返回溶液中。在进行Y纯化时，可根据需要选择0.01～1.0 mol/L的盐酸溶液对Y进行洗脱，得到适当盐酸浓度的YCl3溶液。

图2 不同浓度的盐酸溶液洗脱Y的洗脱曲线Fig.2 The elution curve of Y with different concentrations of hydrochloric acid solution

3.7 90YCl3模拟溶液纯化工艺条件验证

90YCl3模拟溶液含有Y3+、Fe3+、Al3+、Mg2+、Zn2+等金属离子，吸附前溶液中的浓度依次为8.0、50、45、30、30 μg/mL。分别经AE4树脂柱1除去Fe3+，AE4色谱柱2去除Al3+、Mg2+、Zn2+等金属离子后，最后使用0.01 mol/L的HCl作为洗脱液洗脱树脂柱上的90Y，得到纯化后的90YCl3溶液。

实验结果表明，经色谱柱1纯化后的90Y模拟液中未检测出Fe，色谱柱1对Fe3+的吸附率高于99.9%，表明3 mol/L的盐酸体系可将90YCl3模拟溶液中所有的Fe3+去除。

色谱柱2纯化后从树脂柱上洗脱90Y的示踪验证实验结果示于图3，90Y的总回收率均超过85%。同时，该结果也表明，90Y主要集中在洗脱液的前20 mL，说明Y在盐酸体系下形成的络阴离子存在与否高度依赖于溶液中盐酸的浓度，当盐酸浓度降低后，络阴离子分解并从AE4树脂上洗脱并以90Y3+的形式重新返回至溶液中。

图3 90Y示踪验证分离过程中90Y洗脱Fig.3 The 90Y elution experiment results during the 90Y tracer to verify separation process

90Y示踪实验样品在90Y衰变后，使用ICP-OES测量样品中各元素浓度的的结果示于图4，Al、Zn、Mg等元素全部保留在吸附流出液和色谱柱淋洗液中，溶液中各元素在色谱柱上基本无吸附；Y基本上完全被吸附在色谱柱中，利用洗脱液可将Y洗脱下来，Y的洗脱峰与其他几种元素的流出峰无交叉，根据纯化前后各元素在溶液中的浓度测定值计算出去污系数和去污率(表5)，AE4纯化过程对Fe3+、Al3+、Zn2+、Mg2+等几种离子的去污率均高于99%，说明Y与其他金属杂质可完全分离。

图4 90Y示踪验证分离过程中各离子在溶液中的浓度Fig.4 The concentration of each element in the solution during the 90Y tracer to verify separation process

表5 纯化过程对金属离子的去污系数和去污率Table 5 Decontamination coefficient and decontamination rate of metal elements after a AE4 purification process

通过稳定核素和放射性核素示踪验证，确定AE4树脂纯化90Y溶液的具体工艺，将待纯化的90Y溶液调节为3 mol/L盐酸体系溶液，加入至AE4树脂柱1，完成Fe3+的去除；AE4树脂柱1的吸附余液盐酸浓度调节为7 mol/L，加入至AE4树脂柱2，完成90Y3+与其他金属杂质的分离；最后用0.01 mol/L的盐酸溶液洗脱吸附在AE4树脂柱2上的90Y，得到纯化后的90YCl3溶液。

4 结论

利用AE4树脂为分离纯化介质，采用两根AE4树脂柱，可用于含有Fe、Al、Mg、Zn等金属元素杂质的90YCl3溶液的纯化。稳定核素实验和90Y放射性示踪实验结果均表明，以AE4为分离介质，纯化后得到的90YCl3溶液金属杂质限度符合医用要求，90Y的总回收率均超过85%，AE4树脂纯化90Y溶液工艺可以满足医用90Y生产中的需要，可用于从90Sr/90Y分离提取的90Y溶液的纯化。