水合氧化锰用于90Y发生器的制备

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)

90Y是一种重要的医用放射性核素，具有良好的核性质与化学性质，在恶性肿瘤的治疗中得到了广泛地应用[1]。使用90Y标记的抗体、多肽、放射性微球等药物或器械，可用于多种恶性肿瘤的治疗，具有广阔的应用前景[2-5]。医用90Y主要从90Sr/90Y放射性衰变平衡体系中获得。由于90Sr的物理半衰期较长 (T1/2=28.79 a)，一旦进入人体将在骨中积聚并长期滞留，破坏骨髓功能。基于90Sr半衰期远长于90Y半衰期(约64 h)的特点，90Sr/90Y衰变平衡体系中分离90Y最理想的方式是制备成90Y医用同位素发生器，从同位素发生器中定期提取可供医用的90Y[6]。医用90Y的核纯度要求为90Sr和90Y放射性活度比低于2×10-5[7]。

从20世纪60年代起，陆续开展了90Y发生器的研制[7-9]，但制备的发生器普遍存在90Y放射性活度小、90Sr沾污量较高等问题，难以用于临床抗肿瘤药物的制备；目前临床上所使用的90Y主要靠萃取法从90Sr/90Y放射性衰变平衡体系中定期提取，但工艺复杂且在生产的过程中会产生大量的放射性废液，不利于制备成同位素发生器的形式[10]。由于90Sr/90Y的分离难度高，目前尚未有稳定的色谱型90Y发生器研发成功。

无机离子交换材料具有耐高温、耐辐射、对离子选择性好等优点[11]，是用作90Sr/90Y分离的理想材料。从上世纪50年代开始，水合氧化锰(HMD)、水合二氧化钛、水合五氧化二锑、磷酸锆、磷酸锑等多种无机离子交换剂被研究用于放射性核素的固化或分离[12-13]。其中水合氧化锰具有合成简单、耐辐照性能强、离子选择性好、在高浓度无机酸条件下化学稳定性好、可多次再生重复使用等优点，据文献报道[13]，水合氧化锰在一定条件下对钇具有良好的选择性及交换容量，对锶的吸附性能较弱，有用于Sr和Y分离的可能，但没有对HMD用于Sr和Y分离的具体工艺进行进一步的研究，目前也未见有文献报道利用HMD作为分离材料进行90Sr和90Y的分离。本工作利用HMD为分离介质，研究其在盐酸溶液和硝酸溶液中对Sr和Y的吸附分离，并探讨HMD用于制备色谱型90Y发生器的可行性。

1 实验部分

1.1 实验仪器及试剂

实验中所用试剂均为分析纯；HMD粒径为165～246 μm，采用文献报道[12]的方法合成；实验用水为二次蒸馏水；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；自制玻璃色谱柱：内径为8 mm，实验中所有溶液通过色谱柱的流速均控制在0.6 mL/min。

1.2 HMD对Sr和Y的静态吸附

0.5 g HMD颗粒分别加入到不同浓度HNO3或HCl的Sr(NO3)2-Y(NO3)3(CSr=20.0 μg/mL，CY=20.0 μg/mL)溶液中振荡2 h，测定振荡后溶液中Sr的浓度，按照公式(1)计算HMD对Sr和Y的静态分配系数。

(1)

式中，Kd为静态分配系数，mL/g；C0和C，分别为被计算元素在振荡前、振荡后，溶液中该元素的质量浓度，μg/mL；m为HMD交换剂的质量，g；V为溶液的体积，mL。

1.3 HMD对Sr和Y动态吸附

1.3.1HMD的动态吸附容量 HMD颗粒装入色谱柱，经过3 mol/L HNO3、蒸馏水、0.1 mol/L HNO3预处理后，加入Sr(NO3)2-Y(NO3)3-HNO3溶液，以0.6 mL/min速度进行吸附。接收吸附流出液，测定吸附流出液中Sr和Y的浓度，根据公式(2)计算HMD的动态工作交换容量。

(2)

式中，Q为交换容量，μg/g；C0为起始料液元素的浓度，μg/mL；C为吸附流出液中元素的浓度，μg/mL；W为交换剂的重量，g；V为元素漏穿时吸附流出液的体积，mL。

1.3.2淋洗及解吸 三根HMD色谱柱(H∶D=5∶1)，吸附0.1 mol/L HNO3体系下的Sr(NO3)2-Y(NO3)3混合溶液，用0.1 mol/L 的HNO3淋洗后，分别用5倍柱体积的1 mol/L HNO3、2 mol/L HNO3和3 mol/L HNO3进行洗脱，测定淋洗液和解吸液中Sr和Y的浓度。

1.3.3HMD色谱柱高径比对Y吸附和解吸的影响 不同高径比的HMD柱(H∶D分别为2∶1、3∶1、4∶1、5∶1、6∶1)经Sr(NO3)2-Y(NO3)3-HNO3溶液吸附和HNO3溶液淋洗后，再加入5 mL 1 mol/L 的HNO3解吸，研究高径比的影响。

1.3.4HMD分离Sr-Y模拟溶液工艺验证 HMD色谱柱(H∶D=5∶1)，经Sr(NO3)2-Y(NO3)3-HNO3模拟溶液(Sr和Y的含量与37 GBq90Sr/90Y放射性平衡体系溶液一致)吸附后，经0.1 mol/L 的HNO3淋洗后，再加入1 mol/L的HNO3溶液解吸。

1.3.5HMD的重复使用性能 1.3.4节所使用的HMD色谱柱以3 mol/L的HNO3进行再生、0.1 mol/L HNO3溶液预处理后，再重复1.3.4节模拟溶液的分离实验步骤。再生后重复使用实验进行4次，测量收集到的吸附流出液、淋洗液和解吸液中的Sr和Y。

2 结果与讨论

2.1 Sr和Y在HMD中静态吸附

HMD在不同浓度的HNO3溶液和HCl溶液中对Sr和Y的吸附后的静态分配系数列于表1。根据同一吸附条件下的静态分配系数，可以利用公式(3)计算出Y和Sr的分离因子。

(3)

式中，KdY表示该条件下Y的静态分配系数，mL/g；KdSr表示该条件下Sr的静态分配系数，mL/g；α表示该条件下Y和Sr的分离因子。α越大说明被分离的元素之间的分离效果越好；接近于1表明两种元素难以分离。

静态分配系数的研究结果(表1)表明，在HCl溶液中，HMD对Sr和Y的静态分配系数均较低。因此，HMD在HCl溶液不能用于Sr和Y的分离。

表1 酸性溶液中Sr和Y在HMD中的静态分配系数Table 1 Partition coefficient of Sr and Y on HMD in different concentration of acid solution

在HNO3溶液中，HMD在酸度为3 mol/L以下时，对Sr的分配系数较小，接近于1，表明在此条件下Sr在HMD上基本不吸附；在0.001～0.1 mol/L下对Y的静态分配系数都较高，0.001 mol/L时静态分配系数达到3 812 mL/g，在0.1 mol/L HNO3下对Y的静态分配系数为1 160 mL/g。

HMD在硝酸浓度低于0.1 mol/L时，对Sr和Y的分离因子超过600，说明该条件适合Sr和Y的分离；当硝酸浓度高于1 mol/L时，分离因子接近于1，表明高浓度硝酸中HMD无法用于Sr和Y的分离。因此，HMD在0.001～0.1 mol/L硝酸溶液中可用于Sr和Y分离。低硝酸浓度下进行Sr和Y分离，再以1 mol/L以上的高浓度硝酸溶液或盐酸溶液为解吸液。

2.2 HMD在色谱柱条件下对Sr-Y的分离

2.2.10.1 mol/L HNO3溶液中HMD对Sr和Y吸附容量 Sr(NO3)2-Y(NO3)3-HNO3溶液(CSr=14.31 mg/mL，CY=3.277 μg/mL)经装有2.0 g HMD的色谱柱吸附后，吸附流出液中Sr的浓度与加入的原液无明显差异，表明HMD色谱柱对Sr基本无吸附；图1为吸附流出液中Y的浓度曲线，其浓度跃迁时吸附流出液的总体积约为12 mL，由公式(2)计算出HMD对Y的吸附容量约为19.27 μg/g，Y的吸附容量与387 GBq的90Y相当。说明在0.1 mol/L HNO3溶液中体系中，2.0 g HMD完全能够满足一个370 GBq90Y发生器对90Y吸附容量的需要。

图1 HMD对Y吸附容量Fig.1 Results of adsorption capacity for Y with HMD

2.2.2Sr和Y分离过程中HMD色谱柱淋洗液的用量 利用HMD色谱柱对Sr和Y进行分离后，需要对残留在HMD柱的Sr进行清洗，进而降低最终获得的Y溶液中Sr的残留量；同时，为保证终产品中Y的回收率，淋洗液应选择适当的酸度，确保利用淋洗液对HMD色谱柱进行清洗的过程中，不会提前将被吸附的Y从HMD色谱柱上洗脱下来。

Sr(NO3)2-Y(NO3)3-HNO3溶液通过HMD色谱柱(H∶D=5∶1)吸附后，用0.1 mol/L的HNO3溶液淋洗。图2为淋洗液体积用量实验的结果，结果表明，0.1 mol/L的HNO3淋洗液的体积必须保持在10倍柱体积以上才能有效降低Sr残留；Y在色谱柱上吸附的效果较好，淋洗液Y浓度接近检测限，未提前从色谱柱上洗脱下来。因此，淋洗液的体积控制在10倍柱体积以上，可满足色谱柱清洗要求。

图2 分离过程中HMD色谱柱的淋洗曲线Fig.2 Cleaning curve of HMD column during the separation

2.2.3解吸液浓度对解吸效率的影响 表2为不同浓度解吸液对解吸率的影响。结果表明，Y的解吸率与解吸液酸度成正比。1.0、2.0和3.0 mol/L HNO3的解吸率分别为91.60%、97.42%和99.37%。所有的解吸实验中，5倍柱体积的解吸液中含有的Y占所有解吸下来的Y的95%以上。说明1.0 mol/L以上浓度的HNO3溶液已经满足将Y从HMD色谱柱上解吸的要求。

表2 不同浓度的HNO3溶液作为解吸液对解吸率的影响Table 2 The effect of HNO3 solution in different concentration as eluent on desorption rate

由于HMD为无定形态无机离子交换剂，虽然其化学稳定性能较好，但工作酸度过高可能导致交换剂的稳定性和再生性能变差。使用无机离子交换剂作为色谱柱填料，色谱柱在工作状态下应尽量使用酸度较低的溶液以确保交换剂的稳定性。因此，在确保Y能够充分解吸的前提条件下，选择浓度为1.0 mol/L的HNO3作为解吸液。

2.2.4HMD色谱柱高径比对Sr和Y分离的影响 不同高径比实验样品的测量结果列于表3。结果表明，在0.1 mol/L HNO3溶液作为吸附体系的情况下，HMD对Sr基本上不吸附，解吸液中只有少量Sr的沾污，高径比从2∶1～6∶1之间的HMD色谱柱吸附流出液和淋洗液中Sr的总回收率均超过99.99%，满足母子体型同位素发生器对母体核素回收率的需要。Y的吸附效率与HMD交换柱的高径比存在一定的关系：高径比越大交换柱对Y的吸附率越高，但由于高径比大于6∶1后，交换柱的水流阻力较大，导致溶液在色谱柱中流速偏慢，分离时间过长；当交换柱的高径比为5∶1以上时，Y的吸附率均超过90%，与高径比为6∶1的差别不大。因此，HMD色谱柱的最佳高径比为5∶1。

表3 高径比对HMD 分离Sr和Y的影响Table 3 The effect of height-to-diameter ratio on the separation of Sr and Y by HMD

注：表中Sr的回收率=(吸附流出液中Sr+淋洗液中Sr)/加入的Sr的总量×100%；Y的回收率=(解吸液中的Y/加入的Y的总量)×100%；Y的解吸率=(解吸液中的Y/吸附在交换剂上的Y)×100%；① 洗脱液中将Sr和Y的质量比可以用公式(4)换算成同质量90Sr和90Y的活度比(ASr/AY)。

(4)

2.2.5HMD在0.1 mol/L HNO3溶液中对Sr(NO3)2-Y(NO3)3模拟放射性溶液的分离实验 根据工艺研究结果，确定HMD色谱柱分离Sr和Y的工艺参数如下：0.1 mol/L HNO3体系的Sr(NO3)2-Y(NO3)3混合溶液通过HMD色谱柱(H∶D=5∶1)后，再依次用10倍柱体积的0.1 mol/L HNO3清洗色谱柱，5倍柱体积的1 mol/L HNO3溶液解吸，得到终产品Y(NO3)3溶液。

表4为根据上述工艺参数开展Sr(NO3)2-Y(NO3)3模拟放射性溶液分离的结果。结果表明，该体系下通过HMD色谱柱对Sr和Y分离后，获得的Y溶液中Sr和Y的质量比换算成90Sr和90Y的活度比，比值均小于4.00×10-6，核纯度符合医用90Y的要求。

表4 Sr(NO3)2-Y(NO3)3模拟放射性溶液分离结果Table 4 The results of Sr(NO3)2-Y(NO3)3 simulated radioactive solution separation experiment

2.2.6HMD的重复使用性能 以3 mol/L HNO3为再生液对HMD色谱柱进行再生处理，HMD色谱柱经过再生后，重复进行0.1 mol/L HNO3体系的Sr(NO3)2-Y(NO3)3模拟放射性溶液分离实验。实验结果(表5)表明，HMD经再生后HMD对Sr仍然不吸附，对Y的吸附率均超过90%；以1 mol/L的HNO3为解吸液进行解吸，Y的解吸率均超过85%；获得的Y溶液中Sr的沾污量换算成90Sr和90Y的活度比均低于2×10-5。因此，HMD色谱柱至少可以重复使用4次以上。

表5 HMD重复使用结果Table 5 The results of HMD repeated use

3 结论

在本工作的研究条件下，HMD在盐酸溶液中，对Sr和Y均不吸附；在0.001～0.1 mol/L硝酸溶液中对Y具有比较好的吸附能力，而在同条件下对Sr的吸附能力较差；在硝酸浓度高于1 mol/L时，对Sr和Y均不吸附。

通过色谱柱分离实验发现，HMD在0.1 mol/L 硝酸溶液中，流速固定为0.6 mL/min，高径比为5∶1，对与370 GBq90Y相同质量的Y的吸附率高于90%，经用10倍柱体积的0.1 mol/L硝酸溶液淋洗吸附柱上残留的Sr后，1 mol/L HNO3解吸液的解吸率接近90%，解吸液中Sr和Y的质量比换算成同等质量的90Sr和90Y的活度比，比值低于2×10-5，符合医用90Y对核纯度的要求。因此，HMD有望作为90Sr/90Y分离材料，用于色谱型90Y发生器的制备。