裘佳萍，杜培臻，雷鸣，田梅，方群，张宏，3*，徐光明，潘建章

微型模块化微流控PET显像剂合成仪的研制及应用

裘佳萍1，杜培臻2，雷鸣1，田梅2，方群1，张宏2，3*，徐光明1，潘建章1

（1.浙江大学 化学系，浙江 杭州 310058； 2.浙江大学医学院附属第二医院，浙江 杭州 310009； 3.浙江大学 生物医学工程与仪器科学学院，浙江 杭州 310058）

通过集成微流控流体操控、反应控制和电子控制3个系统，成功研制了模块化微流控芯片正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，PET）显像剂合成仪。将不同结构的微流控芯片进行组合，实现富集、控温合成、分离、纯化等功能的模块化，以满足不同PET显像剂的合成制备要求。实验结果表明，用该仪器自动化合成18F-FDG显像剂仅需25 min，放射化学产率为48%～56%（未衰减校正，>20），放射化学纯度高于98%，单次合成剂量为10～50 mCi，达到临床使用要求。

PET显像剂合成仪；微流控芯片；自动化合成；模块化；18F-FDG

分子影像学具有广阔的应用前景。核医学分子影像是目前最成熟的分子影像技术之一，正电子发射计算机断层扫描（positron emission tomography，PET）技术是最具代表性的核医学分子影像技术之一。PET技术是基于分子识别原理，应用放射性核素示踪技术建立起来的影像学方法，具有灵敏度高、可定量以及可将动物实验结果直接推及临床等优点，在重大疾病的精准诊治方面具有重要作用［1-3］。PET显像剂是实现和拓展PET技术应用的关键。目前，我国的放射性显像剂几乎全部依赖欧美日等国进口的合成仪合成，这些合成仪存在合成品种单一、单次合成剂量过大、价格高昂等缺点，无法满足医学研究和临床诊断对不同种类和不同剂量PET显像剂按需合成的要求。

微流控合成技术是一种利用微量流体进行化学合成的技术，因其试剂耗费量小、传质传热效率高、易于自动化、集成化、微型化［4］，为通用型低剂量PET显像剂合成仪的研发提供了有利的技术支撑。目前，已有一系列基于微流控合成技术的PET显像剂合成系统［5-7］，借助微流体驱动和操控技术，在微通道中实现PET显像剂合成，但仍存在关键部件使用寿命短、结构复杂、功能单元加工组装难度大等问题，一定程度上限制了其推广和应用。本研究基于模块化设计思想，以微流控芯片为核心，研制了微型全自动通用型PET显像剂合成仪，并将其应用于常用PET显像剂18F-FDG的微量快速合成，初步展示了本合成仪在PET显像剂合成方面的优势和应用潜力。

1　实验

1.1　试剂材料和仪器设备

三氟甘露糖、富氧水（H218O）、氨基聚醚（Kyptofix222， K222），购自德国ABX公司；碳酸钾、无水乙醇、浓盐酸、氯化钙等均为国产分析纯，购自国药集团化学试剂有限公司；无水乙腈，购自北京百灵威科技有限公司；所有化学药品均直接使用，未进行进一步纯化。

QMA填料、C18填料和Al2O3填料，购自美国Waters公司；排阻树脂AG11A8和阳离子交换树脂AG50W，购自美国Bio-Rad公司；GF254薄层层析硅胶板（2.5 cm × 10.0 cm，玻璃基片），购自青岛海洋化工有限公司；特氟龙管（FEP）、聚醚醚酮（PEEK）接口、微孔筛板，购自美国IDEX公司；精密注射泵Cavro®XCalibur，购自美国Tecan公司；分配阀C25Z-ECMH，购自美国VICI公司；切换阀SV-06，购自南京润泽流体控制设备有限公司；隔膜泵KLP04，购自卡默尔流体科技有限公司；数字温控模块XMT-J400W，购自余姚工盛仪表有限公司；监控摄像头KS2A418，购自深圳市金乾象科技有限公司；放射性检测探头S5106，购自北京恒益德科技有限公司；回旋加速器HM-12，购自日本住友重工业株式会社；配有BGO-V探头、控制和分析软件的放射性薄层色谱扫描仪B-FC-1000，购自德国Eckert & Ziegler公司；放射性活度计CRC-55t，购自美国Capintec公司；超纯水制备系统Simplicity，购自美国Millipore公司。

1.2PET显像剂合成仪的研制

PET显像剂合成仪由微流控流体操控系统、反应控制系统、电子控制系统三部分构成，见图1。

图1　合成仪实物与模型

1.2.1微流控流体操控系统

微流控流体操控系统是合成仪的核心，负责实现反应所需试剂的量取、驱动、装载，放射性试剂的上柱吸附、洗脱以及产物的过柱纯化等复杂流体操作与控制的自动化。该系统主要由不同结构模块化设计的微流控芯片、精密注射泵、分配阀、切换阀和气体干燥装置等部件构成。

微流控反应芯片是流体系统的核心部件，由石英玻璃制成，流路各出入口为一体化1/4-28标准英制内螺纹接口，通道有效容积为1 530 μL。芯片流路呈“Y”型结构，左侧2个分支分别为液体和气体入口，右侧分支为流体出口，如图2（a）所示。

QMA富集芯片和分离纯化芯片均由石英玻璃制成，芯片通道两端设置了孔径为20 μm的微孔筛板，使填料能保持在通道内，并安装了PEEK快拧接口。QMA富集芯片，设计了3个容积分别为280，420，700 μL的直通道，可根据放射性18F-试剂的量灵活选用，通道内填充QMA，如图2（b）所示。分离纯化芯片，设计了容积为1 500 μL的直通道，通道内依次填充C18、Al2O3、AG50W树脂和AG11A8树脂，体积比为10∶10∶1∶10，如图2（c）所示。

气体干燥装置以50 mL一次性注射器针筒为干燥容器，以氯化钙粉末为干燥剂，以变色硅胶为指示剂，指示干燥剂是否失效，干燥剂与指示剂间用橡胶活塞和脱脂棉隔开。针筒前端连接分配阀的一个分支出口，当气体干燥装置与注射泵连通后，启动注射泵抽吸模式，外界空气即可经干燥装置除水后进入合成仪，驱动液流，同时满足氟代反应对环境无水要求。

图2　仪器关键微流控部件

合成仪采用顺序注射方法分析流体操控方式［8］，其流路结构如图3所示。系统包含A和B两个精密注射泵。注射泵A左侧出口连接超干乙腈，右侧出口通过缓冲盘管连接分配阀中心出入口，分配阀各分支出入口分别连接各试剂瓶、QMA富集芯片、气体干燥装置、分离纯化芯片、切换阀、废液废气收集瓶。通过切换分配阀的分支出入口，控制注射泵A选择连通容器流体。QMA富集芯片连接分配阀与注射泵B，注射泵A和B通过推挽操作实现核素富集。切换阀具有2种工作状态：在状态1下，反应芯片的“Y”型液体入口、气体入口、出口通过切换阀分别连接分配阀、气体干燥鼓气装置、废液废气收集瓶；在状态2下，反应芯片的2个入口内部相连形成密闭空间，出口与分配阀相连，如图4所示。

图3　合成仪的流路结构

图4　切换阀的2种工作状态

1.2.2反应控制系统

反应控制系统负责合成仪主机在合成反应过程中的多温区升降温控制、干燥过程的气体控制、反应物的混合以及反应器内温度、放射性活度等参数的监测等，其由智能温控器、气体干燥鼓气装置、监控摄像头、放射性检测探头等构成。图2（d）所示的气体干燥鼓气装置主要由气体干燥装置、隔膜泵和气体管路组成，用于干燥反应芯片微通道及其反应物。2个放射性检测探头分别设置在QMA富集芯片和反应芯片侧面，实时监控富集、洗脱过程和反应试剂操控过程放射性核素的变化。为防止互相干扰，用4 cm厚的铅块将2个探头隔开。

1.2.3电子控制系统

采用上、下位机结构电子控制系统。上位机程序基于LabVIEW（National Instruments）平台开发（图5），通过RS485 Modbus（RTU）协议和下位机通信，控制指令的发送和传感数据的接收，同时提供友好的用户界面。下位机的核心为MSP430F1611（Texas Instruments）微控制器，用于采集反应参数和实时控制流体等。通过远程操控，避免人员受放射性侵害，同时用LabVIEW的桌面功能，经TCP/IP网络实现从多个计算机终端远程操控合成仪。

图5　PET显像剂合成流程编程界面

1.3　18F-FDG自动合成工作流程

在自动合成前，根据不同PET显像剂合成路线和目标剂量选择相应的模块化芯片和连接管路。连接计算机，启动合成仪，并对各部件初始化。点击设备配置界面的“START”键，按照预设流程自动合成。18F-FDG合成的具体流程如下：

（1）核素富集：通过注射泵A将回旋加速器产生的18F-溶液（氟试剂）抽至缓冲盘管，并缓慢将其注入QMA富集芯片，通过注射泵A和B的配合将18F-吸附在QMA填料上；通过注射泵A将洗脱液抽至缓冲盘管并注入至QMA富集芯片，完成18F-的洗脱富集。

（2）氟试剂干燥：保持切换阀处于状态1，由反应芯片气体入口向微通道持续鼓入干燥气体，加热；将富集的18F-洗脱液由QMA富集芯片抽至缓冲盘管，并注入反应芯片，此时溶液会沿微通道内壁形成中间气体、周边液体的环形流，由乙腈和少量水形成的共沸溶液沸点较低。首先，汽化并在干燥气体的气流带动下排出芯片；然后，将剩余的乙腈溶剂经相同过程排出芯片，仅剩溶质附着在微通道内壁，从而实现氟试剂干燥；最后，用注射泵A将缓冲盘管中的超干乙腈注入反应芯片，进行二次干燥。氯试剂干燥过程如图6所示。

图6　氟试剂干燥过程示意

（3）氟代反应：由液体入口向反应芯片注入三氟甘露糖乙腈溶液，将通道内壁上干燥后的K18F等附着物溶解，配制反应液；将切换阀转至状态2，封闭反应芯片的2个入口；加热芯片，往复切换与芯片出口连接的注射泵A的注射和抽吸状态，使密闭空间中的反应液充分混合，最终完成三氟甘露糖到乙酰化18F-FDG的氟代反应。

（4）溶剂交换：氟代反应结束后，将反应液通过芯片出口抽至缓冲盘管；将切换阀转至状态1，反应液由芯片液体入口注入微通道；干燥后向芯片注入盐酸（3 mol·L-1），重新溶解附着在微通道内壁上的乙酰化18F-FDG中间产物，实现溶剂交换。溶剂交换过程示意如图7所示。

图7　溶剂交换过程示意

（5）水解反应：将切换阀转至状态2，升温，往复切换与芯片出口连接的注射泵A的注射和抽吸状态，使乙酰化18F-FDG在盐酸作用下水解，得到粗产物18F-FDG。

（6）产物分离纯化：将包含产物18F-FDG的反应液通过芯片出口抽至缓冲盘管，经分离纯化，将纯化后的产物18F-FDG收集于小瓶中。

2　结果与讨论

2.1　系统设计

采用模块化设计思想，针对PET显像剂的合成步骤和工艺条件进行分解研究，研究了适用多种类型的微流控单元部件，如微流控反应芯片、QMA富集芯片、分离纯化芯片等。将这些芯片组合，实现了PET显像剂合成所需的氟离子富集、氟试剂干燥、氟代反应、溶剂交换、水解反应、分离纯化等关键步骤，可将合成仪用于多种不同类型、不同剂量PET显像剂的合成。通过对各单元部件的结构及性能的对比研究和优化，选取现有技术条件下最合理、最实用、最可靠的单元部件结构进行集成和组装，实现了合成仪的微型化，合成仪整体尺寸仅为25 cm×28 cm×35 cm，主机重量11 kg。

为减少试剂转移过程放射性核素的损失，将PET显像剂的几个重要合成过程，如试剂干燥、氟代反应、溶剂交换和水解反应等集成在微流控反应芯片上进行，既提高了合成效率，又降低了成本。已有合成仪大多采用PDMS薄膜等透气性材料干燥试剂［5-6］，本合成仪通过在石英微流控反应芯片通道中部两侧沿程设计若干个凹形腔，扩大溶液的有效蒸发面积，促进试剂快速干燥脱水，同时能对流体产生扰流，促进试剂的混合与反应。

合成仪在运行过程中涉及液液混合、气液混控等复杂流体操作，同时，需进行过柱吸附、洗脱等过程，为简化合成仪结构，（1）整体采用顺序注射分析的流体操控模式，以注射泵A和缓冲盘管配合分配阀实现不同种类液体和气体的混合驱动和控制，在满足流路通用性和灵活性的同时，显著简化了管路连接的复杂程度；（2）利用切换阀进行2种工作状态的简单切换，实现了微流控反应芯片上氟试剂干燥、溶剂交换和封闭反应中2个不同功能的灵活选择；（3）将注射泵A和B分别连接在QMA富集芯片两端，采用推挽原理通过正压实现放射性氟离子的吸附和洗脱过程，均有效提高了过柱和洗脱效率。

试剂干燥过程离不开干燥气体的鼓吹，商品化合成仪通常采用外接气源的方式，增加了仪器成本和占地面积，并使管路连接更加复杂。事实上，大多数反应只需要干燥洁净的空气。为此，系统设计了气体干燥鼓气装置，同时在隔膜泵的出气口通过连接小内径特氟龙管（0.01″ i.d.， 1/16″ o.d.）降低气流流速。工作时，外界空气经隔膜泵驱动通过气体干燥装置除去水分后进入系统，进一步简化了合成仪的管路连接。

2.2　合成应用与质量控制

在使用该合成仪进行18F-FDG的合成过程中，对QMA富集芯片活化方式的选择、洗脱液浓度、氟试剂干燥、溶剂交换和试剂混合过程中鼓气装置流速、注射泵运行速度、反应器温度、试剂的流速与体积、反应试剂物质的量之比和反应温度等多个参数进行了综合考查。优化后得到的合成条件如下：K2CO3洗脱液浓度为35 mmol·L-1，三氟甘露糖质量为7 mg，氟代反应温度为140 ℃，水解反应温度为130 ℃。此时，18F-FDG的合成仅需25 min，合成结束时未校正放射性化学产率的平均值为55.2%，最大值为56.0%，与商品化18F-FDG合成装置相近［9-11］，且单次合成剂量为10～50 mCi，可满足单人临床剂量的使用需求。由此证明，本合成仪能有效缩短合成时间，为18F-FDG按需合成提供了一种快速高效的方法。

放射性化学纯度用放射性薄层层析法（Radio-TLC）测定。以95%（）的乙腈水溶液为展开剂，在硅胶TLC板上点样展开，18F-FDG的Radio-TLC图谱如图8所示。由图8可知，放射性产物主要为18F-FDG。通过软件积分，去除本底噪声峰，可得18F-FDG的放化纯度为98.48%。

图8　18F-FDG的Radio-TLC图谱

合成仪合成的18F-FDG产品为澄清无色溶液，pH为7。参考《中华人民共和国药典（2020年版） 二部》［12］，对产品进行无热原和无致病菌检查，结果均符合实验标准。

3　结论

开发了一种微型模块化微流控PET显像剂合成仪，基于模块化思想设计研制了不同结构、不同规格的QMA富集芯片、微流控反应芯片和分离纯化芯片，可用于不同剂量、不同产物的PET显像剂合成。该合成仪充分发挥了微流控芯片合成技术在微小尺度下的高传质、高传热等优势，并克服了其在快速蒸发、主动混合等方面的劣势，具有自动富集与洗脱氟试剂、干燥试剂和气体、实时监测放射性活度以及监控流体流动等功能。相对于当前商品化PET显像剂合成仪的单一功能和批式合成，本合成仪能实现满足个人剂量需求的微量PET显像剂快速按需合成，并可根据合成目标显像剂的合成路线任意组合各模块的工作参数和顺序，实现高度灵活的合成流程，已成功应用于18F-FDG的自动化合成，用时短且产率高。

受限于实验时间和热合成条件，本合成仪离实际应用尚有距离。未来通过进一步完善，充分展现其通用性，凭借微型化和低成本，有望在我国大中型医院和研究机构得到推广和应用，改善我国PET显像剂合成仪上对发达国家过度依赖的状况。

［1］MARCIELLO M，PELLICO J，FERNANDEZ-BARAHONA I，et al. Recent advances in the preparation and application of multifunctional iron oxide and liposome-Based nanosystems for multimodal diagnosis and therapy［J］. Interface Focus，2016，6（6）：20160055. DOI：10.1098/rsfs. 2016.0055

［2］LEUZY A，CHIOTIS K，LEMOINE L，et al. Tau PET imaging in neurodegenerative tauopathies-still a challenge［J］. Molecular Psychiatry，2019，24（8）：1112-1134. DOI：10.1038/s41380-018-0342-8

［3］LY K I，GERSTNER E R. The role of advanced brain tumor imaging in the care of patients with central nervous system malignancies［J］. Current Treatment Options in Oncology，2018，19：40. DOI：10.1007/s11864-018-0558-5

［4］LIU Y，JIANG X Y. Why microfluidics？ Merits and trends in chemical synthesis［J］. Lab on A Chip，2017，17（23）：3960-3978. DOI：10.1039/C7LC00627F

［5］LEE C C，SUI G D，ELIZAROV A，et al. Multistep synthesis of a radiolabeled imaging probe using integrated microfluidics［J］. Science，2005，310（5755）：1793-1796. DOI：10.1126/science. 1118919

［6］ELIZAROV A M，DAM R M V，SHIN Y S，et al. Design and optimization of coin-shaped microreactor chips for PET radiopharmaceutical synthesis［J］. Journal of Nuclear Medicine，2010，51（2）：282-287. DOI：10.2967/jnumed.109.065946

［7］LEBEDEV A，MIRAGHAIE R，KOTTA K，et al. Batch-reactor microfluidic device：First human use of a microfluidically produced PET radiotracer［J］. Lab on A Chip，2013，13（1）：136-145. DOI：10.1039/c2lc 40853h

［8］RUZICKA J，MARSHALL G D. Sequential injection：A new concept for chemical sensors，process analysis and laboratory assays［J］. Analytica Chimica Acta，1990，237（2）：329-343.

［9］廖光星，何正中，李宁，等. 住友F300E-2自动合成18F-FDG及质量控制［J］. 中国医疗设备，2019，34（9）：45-48. DOI：10.3969/j.issn.1674-1633.2019. 09.011

LIAO G X，HE Z Z，LI N，et al. Automatic synthesis and quality control of18F-FDG using SUMITOMO F300E-2［J］. China Medical Devices，2019，34（9）：45-48. DOI：10.3969/j.issn.1674-1633.2019.09.011

［10］张红江，周茂荣，冀泓，等. 西门子Explora FDG4合成18F-FDG效率锐减原因分析及探讨［J］. 中西医结合心血管病杂志，2017，25（5）：26-27. DOI：10.3969/j.issn.2095-6681.2017.25.015

ZHANG H J，ZHOU M R，JI H， et al. Analysis and discussion on the reasons for the sharp reduction of the efficiency of Siemens Explora FDG4 synthesizing18F-FDG［J］. Cardiovascular Disease Journal of integrated traditional Chinese and Western Medicine，2017，25（5）：26-27. DOI：10.3969/j.issn. 2095-6681.2017.25.015

［11］周文珊，邓鹏裔. 两种FDG模块合成的18F-FDG质量比较［J］. 中国辐射卫生，2018，27（5）：517-520. DOI：10.13491/j.issn.1004-714x.2018.05.027

ZHOU W S，DENG P Y. The comparison of the quality for18F-FDG synthesized by two kinds of FDG modules ［J］. Chinese Journal of Radiological Health，2018，27（5）：517-520. DOI：10.13491/j.issn. 1004-714x.2018.05.027

［12］国家药典委员会. 中华人民共和国药典（2020年版）二部［M］. 北京：中国医药科技出版社，2020.

Chinese Pharmacopoeia Commission. Pharmacopoeia of the People′s Republic of China （2020 Volume） II［M］. Beijing：China Medical Science Press，2020.

Development of miniaturized modular microfluidic PET imaging agent synthesizer and its application

QIU Jiaping1, DU Peizhen2, LEI Ming1, TIAN Mei2, FANG Qun1, ZHANG Hong2,3, XU Guangming1, PAN Jianzhang1

( 1310058;2310009;3310058)

A PET imaging agent synthesizer based on modular microfluidic chips is successfully developed. It integrates a microfluidic fluid handling system, a reaction control system and an electronic control system. Different microfluidic chips are designed to realize the modularization of enrichment, synthesis, separation, purification and other synthesis-related functions. By combining these chips, the synthesis of various PET imaging agents with different synthesis process could be achieved flexibly. A series of factors including microfluidic flow path, control circuit and key liquid handling components are considered comprehensively. Finally, the synthesizer is integrated and miniaturized. The automatic synthesis of18F-FDG with this synthesizer took only 25 minutes, the radiochemical yield was 48%-56%(>20), and the radiochemical purity was higher than 98%. The single synthetic dose was about 10-50 mCi, which meets the needs of clinical dose.

PET imaging agent synthesizer; microfluidic chip; automated synthesis; modular;18F-FDG

10.3785/j.issn.1008-9497.2021.05.008

O 652.2

A

1008⁃9497（2021）05⁃573⁃06

2020⁃07⁃17.

国家自然科学基金资助项目（81327004）.

裘佳萍（1995—），ORCID： https：//orcid.org/0000-0002-1466-3900，女，硕士研究生，主要从事PET显像剂合成仪研究.

，ORCID： https：//orcid.org/0000-0001-8164-7161，E-mail： hzhang21@zju.edu.cn