王晓明,段 菲,马承伟,褚浩淼,李 光,王春林,王成志,温 凯

(1.原子高科股份有限公司,北京 102413;2.国家原子能机构核技术(放射性药物工程转化)研发中心,北京 102413;3.中核集团放射性药物工程技术研究中心,北京 102413)

103Pd核素是放射性近距离照射治疗应用最为广泛的核素之一,其临床应用主要以粒籽源形式进行前列腺癌的治疗[1-4]。103Pd的半衰期为16.99 d,平均光子能量约为21 keV,临床处方的初始剂量率为20～24 cGy/h,与另一种普遍使用的125I核素相比,具有更短的半衰期和更高的初始剂量率。通过长期的临床对比研究显示,103Pd粒籽源可以实现对前列腺癌患者良好的生化和临床控制[5-6]。103Pd核素同时广泛应用于脉络膜黑色素瘤的敷贴治疗[7-8],人血白蛋白103Pd微球对恶性肿瘤的治疗研究亦有报道[9]。

目前,国内尚无批准商业化的103Pd粒籽源和敷贴器,在缺乏临床应用的背景下,对核素制备及质量控制的研究亦少见报道。103Pd核素可以通过反应堆或加速器辐照靶材制备[3],其中加速器通常以辐照铑靶材,通过103Rh(p,n)103Pd核反应制备得到103Pd核素,以天然银靶通过Ag(p,xn)103Pd核反应制备103Pd核素亦有报道[10-12]。103Pd的分离纯化主要为萃取法[13-16]和离子交换树脂法[11-12,17-20]两类方法,其中萃取法多使用如氯仿、丁二酮肟、α-呋喃二肟等有毒有害溶剂,而离子交换树脂法通常使用无机酸或盐,对实验人员和环境更为友好。本研究以Cyclone-30(C-30)加速器辐照铑靶,硫酸氢钾熔融法溶解靶材,将待分离样品转化为盐酸体系的待分离溶液,实验并优化了不同树脂、淋洗液用量及程序、解吸液组成等条件后,确定了分离纯化方法,对得到的103Pd核素样品的比活度、放射性核纯度和放射性浓度进行了质量控制并完成了各关键检测方法的验证。

1 仪器与材料

1.1 主要仪器

7800型电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS):美国安捷伦公司;高纯锗γ谱仪:美国ORTEC公司;CRC-55tW型活度计:美国CAPINTEC公司。

1.2 材料与试剂

AG 1-X 8阴离子树脂(200-400目)、AG MP-1阴离子树脂(200-400目):加拿大Bio-Rad公司;高纯盐酸:美国赛默飞公司;氯化铵、氨水:分析纯,Sigma-Aldrich公司;ICP-MS混合标准溶液(含Fe、Cu、Zn等):美国安捷伦公司;Rh、Pd元素标准溶液:Sigma-Aldrich公司。

2 实验方法

2.1 分离纯化方法的建立及优化

2.1.1分离纯化模拟样品 取Rh、Pd、ICP-MS混合标准溶液,配制成上述成分浓度依次为1 000 μg/mL、15 μg/mL、0.1 μg/mL的混合溶液,配制成不同HCl浓度的模拟样品。分别将分离纯化模拟样品的HCl浓度调整为3 mol/L和6 mol/L,各平行配制两份,分别以AG 1-X 8和AG MP-1树脂进行分离纯化,样品上柱后淋洗程序依次为0.03 mol/L HCl,10 mL×10次;6 mol/L HCl,10 mL×10次;纯化水,5 mL×2次;随后以5%氨水或氨水-氯化铵混合溶液解吸Pd。从上柱液开始收集过柱溶液,以ICP-MS测定Rh、Pd以及Fe、Cu、Zn元素杂质的含量,根据体积计算Rh和Pd的绝对量,据此绘制淋洗曲线。

2.1.2熔融法模拟样品 取铑金属靶材,研磨成金属粉末,按照摩尔比1∶50加入过量硫酸氢钾,置于马弗炉中450 ℃恒温1 h,再升温至700 ℃恒温3 h后停止加热,冷却至室温后取出;加入适量1 mol/L HCl,加热使烧结物完全溶解,冷却过滤残渣后,以NaOH溶液调节pH至10～12,形成沉淀,抽滤并用纯化水洗涤沉淀3次,最后将沉淀溶解于6 mol/L HCl中,定量加入Pd标准溶液,制备得到熔融法模拟样品。

2.1.3分离程序 将树脂以湿法装柱(柱床φ1 cm×10 cm),以6 mol/L HCl和纯化水交替清洗树脂后备用;样品上柱前以待分离样品相同浓度HCl溶液平衡树脂;将样品一次性上柱,依次以6 mol/L HCl、0.03 mol/L HCl、纯化水淋洗Rh及杂质元素,以5%氨水或1 mol/L氨水与1 mol/L氯化铵1∶1混合溶液(氨水-氯化铵混合溶液)解吸Pd。

2.1.4方法优化 以铑靶材进行103Pd核素的制备,铑靶材的量为克级,辐照生成的103Pd含量为微克级,相差约5个数量级,因此铑的去除率和103Pd核素的回收率可以作为评判分离纯化方法的重要参数。本实验以张春富等[17-18]报道的分离方法为基础,通过实验不同盐酸浓度的模拟样品、杂质淋洗程序及淋洗液用量、不同类型树脂,以及不同成分的解吸液,完成分离纯化方法的优化。

2.2 103Pd样品的制备及质量控制

2.2.1103Pd样品的制备103Pd样品的制备程序主要包括铑靶的制备、加速器辐照靶材、熔融法制备待分离样品溶液和分离纯化,具体如下。

(1) 铑钯的制备。称取不少于5 g的硫酸铑溶液,其中铑的质量分数为10%(w/w),将10 mol/L的NaOH溶液缓慢滴加到硫酸铑溶液中,采用冰水浴控制溶液温度,不断搅拌,调节pH至10～12。抽滤后以浓硫酸溶解沉淀,得到改性处理后的硫酸铑溶液。分取适量改性硫酸铑溶液,稀释后调节溶液中硫酸含量至1～3 mol/L,加入适量氨基磺酸得到硫酸铑镀液。以脉冲电镀法将铑电镀至铜靶片上,靶片上铑质量厚度大于150 mg/cm2。

(2) 加速器辐照靶材。C-30加速器辐照铑靶片,其中质子能量为15.5 MeV,束流强度200 μA,根据拟制备的103Pd量确定辐照时间。

(3) 熔融法制备分离样品溶液。靶片辐照完成后转移至热室,使用油压机切除大部分铜靶片,以9 mol/L HNO3溶解除去剩余的铜,得到含103Pd核素的铑金属碎片。将铑碎片研磨后置于石英坩埚中,加入适量硫酸氢钾,在马弗炉中于700 ℃条件下形成块状烧结物,以稀盐酸溶解烧结物使其完全溶解,加入氢氧化钠溶液使铑及103Pd形成沉淀,抽滤并清洗沉淀物,最后以6 mol/L HCl溶解沉淀物,得到待分离样品溶液。

(4) 分离纯化。将AG 1-X 8树脂以湿法装柱,以6 mol/L HCl和纯化水各10 mL交替淋洗3次后,使用20 mL的6 mol/L HCl平衡树脂,以淋洗程序2完成样品溶液的分离纯化。取纯化后样品以高纯锗γ谱仪进行γ能谱鉴别及放射性核纯度测试,以活度计测试放射性浓度;以ICP-MS测试天然Pd元素含量并计算样品103Pd的比活度。

2.2.2质量控制 由于103Pd主要用于粒籽源及敷贴器的制备,其质量控制目的是在确定的制备工艺条件下,可生产出安全、质量稳定可靠的产品。主要质量指标为放射性浓度、放射性核纯度、比活度以及元素杂质含量,其中放射性浓度、放射性核纯度、元素含量分别通过活度计、高纯锗γ谱仪和ICP-MS分析测试得到,由于ICP-MS测得的Pd元素为不包含103Pd的天然Pd元素的含量,因此需要结合103Pd的活度计算得到Pd元素的总量,具体过程如下:

根据公式(1)计算得到样品中103Pd的质量,以ICP-MS测得的天然Pd的含量及样品体积计算出样品中天然Pd的质量,最后根据公式(2)计算得到样品中103Pd的比活度。

(1)

式中,m为103Pd的质量,mg;A为样品的总活度,Bq;M为103Pd的摩尔质量数,g/mol;T1/2为103Pd的半衰期,s;NA为阿伏伽德罗常数,mol-1。

(2)

式中,a为103Pd的比活度;A为样品的总活度,GBq;m为样品中103Pd的质量,mg;mn为样品中天然Pd元素的质量。

2.3 分析方法验证

参照《中国药典》2020版四部分析方法验证指导原则(通则9101),对103Pd核素产品检验的关键方法,包括放射性核纯度和Pd元素含量进行方法学验证,验证项目主要为专属性、检测限(探测下限)和/或定量限、线性范围、精密度、准确度。

3 结果与讨论

3.1 分离纯化模拟样品

模拟样品淋洗曲线示于图1。由图1结果可见,上述各条件均可实现Rh和Pd的有效分离,但3 mol/L HCl和6 mol/L HCl样品溶液体系的淋洗曲线存在显著差异,6 mol/L HCl体系上柱阶段Rh在树脂上不易吸附,3 mol/L HCl体系的Rh主要在6 mol/L HCl淋洗阶段被洗脱下来,因此6 mol/L HCl有利于Rh的去除;两种类型树脂在相同HCl浓度的分离过程中,具有近似的淋洗曲线,但从图1a和1b对比可知,6 mol/L HCl体系下AG MP-1树脂上Rh更容易被洗脱下来。对于两种Pd解吸液的对比,其中a、b两个条件使用氨水-氯化铵混合溶液解吸Pd,10 mL解吸液Pd的回收率>96%;图1c、1d可见,两个条件使用5%氨水解吸Pd,Pd出现了明显的拖尾现象,不利于Pd的回收,因此后续均采用氨水-氯化铵混合溶液进行Pd的解吸。

a——AG 1-X 8树脂,上柱液6 mol/L HCl介质;b——AG MP-1树脂,上柱液6 mol/L HCl介质;c——AG 1-X 8树脂,上柱液3 mol/L HCl介质;d——AG MP-1树脂,上柱液3 mol/L HCl介质

对于主要金属元素杂质,主要考察了可能由靶托、分离热室器具及环境引入的Fe、Cu和Zn元素,上述4个条件具有相似的洗脱结果,以图1b条件为例,测试结果示于图2。0.03 mol/L HCl对以上三种元素并不具有显著的洗脱效果,6 mol/L HCl对Fe、Cu元素具有显著的洗脱效果,Zn元素则在除0.03 mol/L HCl洗脱过程外的其他各个阶段均有出现,因此使用大量的0.03 mol/L HCl并不能有效去除常见的元素杂质。

图2 金属元素杂质淋洗曲线Fig.2 The elution curve of Fe, Cu and Zn

3.2 淋洗程序优化

为明确分离过程中各淋洗液的作用,优选淋洗参数,以熔融法制备的模拟样品进行分离纯化方法的进一步优化。根据图1的实验结果,调整分离程序,减少0.03 mol/L HCl淋洗次数,对比两种树脂纯化效果。以20 mL的6 mol/L HCl分两次平衡树脂柱后,将模拟样品一次性上柱,淋洗程序1:0.03 mol/L HCl,10 mL×5次;6 mol/L HCl,10 mL×10次;纯化水,10 mL×1次;氯化铵-氨水混合溶液解吸Pd,10 mL×5次。

淋洗程序1 Rh、Pd淋洗曲线示于图3。由图3可见,淋洗程序1仅在起始阶段减少了0.03 mol/L HCl的用量,后续程序与初始方法基本一致,Rh、Pd可实现有效的分离。但6 mol/L HCl淋洗时仍有大量的Rh被淋洗下来,由此可见Rh更易被6 mol/L HCl淋洗去除。在此基础上调整高低浓度HCl的顺序,进行交替淋洗,同时减少淋洗液总的用量,具体为淋洗程序2:6 mol/L HCl,10 mL×4次;0.03 mol/L HCl,10 mL×3次;6 mol/L HCl,10 mL×3次;0.03 mol/L HCl,10 mL×3次;氯化铵-氨水混合溶液解吸Pd,10 mL×3次。

a——AG 1-X 8树脂;b——AG MP-1树脂

淋洗程序2 Rh、Pd淋洗曲线示于图4。淋洗程序2在样品上柱后直接以6 mol/L HCl淋洗,Rh洗脱效果明显,过程中交替使用高、低浓度HCl,后续过程并未有显著量的Rh被洗脱,最终解吸得到的样品中,Rh的总量较程序1得到的样品更低,推测交替淋洗过程Rh被进一步降低。同时纯化步骤进一步缩短,分离程序得到优化。

a——AG 1-X 8树脂;b——AG MP-1树脂

两种淋洗程序分离纯化对比结果列于表1。两个分离程序对Rh的去除率均大于99.9%;使用10 mL氨水-氯化铵混合解吸液时,AG 1-X 8树脂对Pd回收率分别为98.38%和104.41%,略高于AG MP-1树脂的96.13%和95.06%,但无显著性差异;此时,Pd解吸液中Pd/Rh,淋洗程序2高于淋洗程序1约2.5～4.9倍,说明淋洗程序2对Rh的去除更彻底;同时,淋洗程序2中AG 1-X 8树脂较AG MP-1 M的Pd/Rh高1.7倍;当解吸液体积增大至20 mL时,Pd/Rh反而降低,说明增大解吸液用量后有更多残留在树脂上的Rh被洗脱,因此不宜增大解吸液的用量。

表1 两种淋洗程序对比Table 1 Comparison of two different elution program

综上分析,使用AG 1-X 8树脂,以淋洗程序2纯化模拟样品,不仅可以获得较高的Pd回收率,在解吸液中Rh的量相对最少,淋洗液用量较文献方法减少约1倍;此条件的解吸液中,Fe、Cu、Zn杂质总含量小于0.3 μg/mL,表明杂质元素控制在较低水平,因此确定淋洗程序2作为优选方法进行后续热实验样品的分离纯化。

3.3 质量控制及分析方法验证

为确保产品检验所用分析方法准确、可靠,对放射性核纯度及Pd元素含量的ICP-MS分析方法进行了方法学验证,验证项目主要包括专属性、检测限(探测下限)和/或定量限、线性范围、精密度以及准确度。放射性核纯度验证结果列于表2,103Pd特征γ谱示于图5;Pd元素含量分析验证结果汇总列于表3。对三批次辐照铑靶并以熔融法制备得到的样品进行分离纯化,得到的103Pd样品的检验数据列于表4。结果表明,以淋洗程序2可以纯化制备获得质量稳定的103Pd样品。

表2 放射性核纯度分析方法验证结果Table 2 Validation results of analytical method for radionuclic purity

表3 Pd元素含量分析方法验证结果Table 3 Results of validation of analytical method for Pd concentration

表4 三批次样品测试结果Table 4 Test result of three batches 103Pd products

图5 103Pd的γ能谱图Fig.5 γ spectrum of 103Pd

4 结论

本研究通过冷实验,对比了AG 1-X 8和AG MP-1两种树脂在不同分离条件下对铑靶材中Pd元素的分离纯化效果,确定以前者通过6 mol/L HCl和0.03 mol/L HCl交替淋洗除去Rh和可能由靶材及环境引入的金属杂质元素,以1 mol/L氨水与1 mol/L氯化铵的等体积比混合溶液解吸目标核素的程序进行Pd的分离纯化。此条件下Rh元素的去除率大于99.9%,Pd元素回收率可接近100%。同时,分离程序较文献方法简化,分离纯化时间缩短近一倍,对实验人员及环境更为友好。以此方法,对三批次加速器辐照的铑靶进行分离纯化,并进行样品检验,103Pd样品的放射性核纯度、比活度等各项检测结果保持稳定,证明本分离纯化方法可用于制备居里级活度的103Pd,实现国内103Pd核素的商业化生产。