基于C30加速器的64Cu核素制備工藝

溫 凱，馬承偉，段 菲，李 超，李 光，陳孟毅，王曉明，褚浩淼， 趙海龍，王春林，王成志，劉涉洋，李洪玉，鄧雪松

(原子高科股份有限公司，北京 102413)

64Cu是一種重要的醫(yī)用放射性核素，半衰期為12.7 h，能發(fā)射β+和β-電子，可同時用于PET顯像和放射性治療[1]。近年來，隨著診療一體化技術(shù)的快速發(fā)展，有關(guān)64Cu藥物的研究備受國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注，64Cu標(biāo)記藥物已廣泛應(yīng)用于神經(jīng)內(nèi)分泌瘤、腫瘤乏氧組織、阿爾茨海默癥等的診斷[2-3]。2020年9月4日，64Cu-DOTATATE已獲得美國食品和藥物管理局(FDA)的上市許可，用于神經(jīng)內(nèi)分泌腫瘤的診斷。國內(nèi)核醫(yī)學(xué)領(lǐng)域64Cu標(biāo)記藥物的研究及對64Cu核素的需求也隨之快速增加。因此建立穩(wěn)定、規(guī)模化的64Cu核素制備工藝顯得尤為重要。

64Cu的制備方法有多種，可通過反應(yīng)堆經(jīng)核反應(yīng)64Zn(n,p)64Cu獲得[4]，也可通過加速器獲得。以鋅為靶材通過核反應(yīng)64Zn(d,2p)64Cu、66Zn(d,α)64Cu或68Zn(p,αn)64Cu得到，也可以鎳為靶材經(jīng)過核反應(yīng)64Ni(p,n)64Cu或64Ni(d,2n)64Cu得到[5-6]。目前應(yīng)用最廣泛的方法是通過12～16 MeV質(zhì)子回旋加速器轟擊富集64Ni靶制備64Cu[7-9]。

國內(nèi)外已有64Cu核素制備報道，以醫(yī)用小型加速器制備為主。Elomaa等[10]利用直徑8 mm的純金靶托制備富集64Ni靶，在15.7 MeV質(zhì)子束流輻照下，可制得9.4 GBq64Cu。Ometkov等[11]單次使用120 mg富集64Ni制靶，對靶片進行輻照和純化，獲得的64Cu產(chǎn)額為104 MBq/(μA·h)。朱華等[12]基于20 MeV加速器，使用金為靶托材料制靶，在12 MeV、20 μA質(zhì)子束流條件下輻照5～8 h，可獲得1.3～4.1 GBq64Cu。孫夕林等[13]利用鉑為靶托材料，在16.5 MeV、30 μA質(zhì)子束流條件下輻照6 h，可獲得最高3.7 GBq64Cu。綜上所述，國內(nèi)外64Cu制備主要基于小型醫(yī)用加速器，使用金、鉑等貴金屬為靶托材料，在低束流強度條件下，獲得小批量的64Cu核素，受限于加速器和固體靶的硬件條件，較難實現(xiàn)64Cu的規(guī)?；⒎€(wěn)定制備。

原子高科股份有限公司主要使用Cyclone-30(簡稱C30)加速器制備64Cu[14-15]。C30加速器最高束流能量為30 MeV、束流強度為200 μA，配備有液體、氣體、固體靶系統(tǒng)。利用C30加速器可實現(xiàn)64Cu的規(guī)?；?、穩(wěn)定制備。富集64Ni靶制備所用的靶片為銅，但為防止溶靶時銅靶片溶解，通常會預(yù)先鍍一層金，再鍍富集64Ni。起初用該工藝制備的64Cu核素在藥物標(biāo)記過程中出現(xiàn)了因金屬雜質(zhì)超標(biāo)而導(dǎo)致標(biāo)記率較低的問題，為此，本研究在原有64Cu核素制備技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過ICP-MS、掃描電鏡等檢測手段加強工藝過程及產(chǎn)品的質(zhì)量分析，優(yōu)化核素制備工藝，最終形成質(zhì)量穩(wěn)定可控的64Cu規(guī)?；苽涔に?，并得到符合放射性藥物制備要求的64Cu核素產(chǎn)品。

1 方法

1.1 試劑與儀器

鹽酸，metal free級，德國Merck公司；AG1-X8樹脂，100～200目，美國Bio-rad公司；氯金酸，99.9%，上海拓思化學(xué)有限公司；H2O2(質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%)、無水乙醇，分析純，國藥集團化學(xué)試劑有限公司；紫銅靶片，120 mm×30 mm，非標(biāo)加工；富集64Ni，豐度99.52%，美國Isoflex公司；超純水，美國Millipore純水儀制備；ITLC-SG試紙，美國Agilent公司。

ML303電子天平，德國Mettler Toledo公司；7800電感耦合等離子質(zhì)譜儀(ICP-MS)，美國Agilent公司；AR2000薄層掃描儀，德國Eckert&Ziegler公司；DSPEC 50高純鍺(HPGe)多道γ譜儀，配備GMX30探測器，美國Ortec公司；脈沖電源，自制；置頂式電動攪拌器，常州恩培儀器制造有限公司；CRC-55TW活度計，美國Capintec公司；2470全自動伽馬計數(shù)器，美國PerkinElmer公司；Nova Nano SEM 450場發(fā)射掃描電子顯微鏡，美國FEI公司；X-MaxN大面積SDD能譜儀，英國Oxford-Instruments公司。

1.2 制靶工藝

1) 鍍金

采用銅作為靶片材料，首先在銅靶片表面預(yù)鍍一層金膜，以防在溶靶時銅靶片的溶出。用少量水溶解AuCl3·HCl·4H2O。攪拌條件下加入20 mL濃氨水，生成淡紅色Au2O3·NH3沉淀，過濾，沉淀至中性。將Au2O3·NH3沉淀轉(zhuǎn)入KCN溶液中，加熱溶解，即得無色透明的KAu(CN)4·H2O溶液。向鍍金液中加入11 g檸檬酸、4 mL濃氨水，過濾備用。

將銅靶片擦拭去除表面油污，洗凈，擦干，稱量靶片質(zhì)量。電鍍槽加水檢漏，確定裝配密封性。裝入靶片，加入電鍍液后在電流5～75 mA、攪拌轉(zhuǎn)速700 r/min條件下電鍍2～4 h。電鍍完成后倒出鍍液，用硫酸亞鐵溶液沖洗鍍槽。拆下靶片，洗凈、干燥、稱重。

由于鍍金過程中使用了劇毒物質(zhì)KCN，需要對有毒廢液進行處理。根據(jù)配制鍍液使用KCN的量，通常按照摩爾比FeSO4∶KCN=0.6∶1的比例添加，用硫酸或氫氧化鈉溶液調(diào)節(jié)pH值至4～6。使用KI和AgNO3溶液檢驗CN-是否沉淀完全。

由于氯金酸及其他試劑中可能含有Cu、Fe等雜質(zhì)，因此采取鍍金層的預(yù)處理工藝。將鍍金靶片和溶靶槽用超純水洗凈后，裝靶試漏。加入10 mL 6 mol/L HCl和5 mL 30%H2O2，置于水浴鍋中10 min，取樣并稀釋至一定倍數(shù)。使用ICP-MS檢測樣品中金屬雜質(zhì)含量，Cu和Fe雜質(zhì)含量低于0.250 μg/mL的靶片可用于富集64Ni靶的制備。

2) 電鍍富集64Ni

電鍍富集64Ni時的陰極反應(yīng)為Ni2++2e-=Ni、2H++2e-=H2。使用9 mol/L HCl溶解富集64Ni，加入適量H2O2，完全溶解后蒸干溶液。用0.1 mol/L HCl溶解，溶液中Ni2+濃度為40～60 mg/mL，加入適量乙醇作為去極化劑。用脈沖電鍍法在銅靶片上進行均勻電鍍，溫度控制在20～60 ℃，電流密度20～50 mA/cm2，正脈寬500～700 μs，負(fù)脈寬20～50 μs；周期1 ms。電鍍結(jié)束后使用HCl洗脫Ni，收集富集鎳，純化后循環(huán)使用。

1.3 輻照工藝

將靶片轉(zhuǎn)移至加速器輻照，根據(jù)64Ni(p,n)64Cu反應(yīng)的激發(fā)曲線(圖1[16-17])可知，質(zhì)子束流能量越高，產(chǎn)額越高。綜合考慮，適宜的質(zhì)子能量為11～20 MeV，一般選擇15.5 MeV，束流強度40～100 μA，根據(jù)64Cu活度需求量選擇輻照時間，通常為2～6 h。

圖1 64Ni(p, n)64Cu反應(yīng)激發(fā)曲線[16-17] Fig.1 Excitation curve of 64Ni(p, n)64Cu[16-17]

1.4 分離純化工藝

1) 靶溶解

靶片輻照完成后，將其轉(zhuǎn)移至熱室進行分離。檢查水浴密封性后，準(zhǔn)備溶靶。向溶解槽中加入6 mol/L HCl和30%H2O2在加熱的條件下溶解靶片。待靶片表面無氣泡析出后，轉(zhuǎn)移溶解液；用超純水清洗溶解槽，合并溶液并加熱蒸干，卸下靶片。

2) 離子交換分離

取預(yù)先裝好的AG1-X8陰離子交換樹脂柱，用6 mol/L HCl預(yù)平衡離子交換柱。用6 mol/L HCl將蒸干后的固體溶解，上柱；加5 mL 6 mol/L HCl清洗料液瓶，上柱。分別使用6、4、0.1 mol/L HCl洗脫，依次分離獲得64Ni靶材、Fe和Co雜質(zhì)、64Cu核素。將離子交換柱分離獲得的64Cu核素溶液蒸干，使用特定濃度的HCl復(fù)溶，獲得最終64Cu核素產(chǎn)品。

1.5 質(zhì)量控制

取64Cu樣品，使用活度計測定活度、HPGe測定放射性核純度、ITLC法測定放射化學(xué)純度、pH試紙測定pH值、ICP-MS測定雜質(zhì)含量。

放射化學(xué)純度檢驗條件如下：ITLC-SG硅膠紙為固定相、乙腈-水(體積比9∶1)為流動相(pH≤2)、樣品活度濃度約為37 MBq/mL，取2 μL點樣，展開10 cm后取出晾干，放射性主峰的Rf值大于0.9。

1.6 64Ni靶材回收

富集64Ni價格高昂，64Ni鍍液需重復(fù)多次使用，64Ni鍍層溶解回收的64Ni也需回收使用。在64Ni鍍液回收處理的操作過程中，容易從外部環(huán)境引入雜質(zhì)，這些雜質(zhì)會在鍍液中累積，影響64Cu核素的質(zhì)量。同時，氯金酸等試劑中仍含有少量的銅雜質(zhì)，這些銅雜質(zhì)溶解進入鍍液后，也會隨64Ni鍍液的回收利用而積累。因此，在64Ni鍍液回收工藝之后有必要加入回收鎳的純化工藝。將收集的富集64Ni溶液蒸干，用適量6 mol/L HCl復(fù)溶，過6 mol/L HCl預(yù)平衡的AG1-X8陰離子樹脂柱，再用6 mol/L HCl解吸，收集解吸液獲得純化的富集64Ni。重復(fù)上柱程序1～2次純化富集64Ni，富集64Ni溶液蒸干備用。

2 結(jié)果與討論

2.1 制備工藝優(yōu)化

1) 工藝分析

理論上，通過加速器制備的64Cu核素為無載體，但由于制備過程中Cu雜質(zhì)的引入，會導(dǎo)致64Cu比活度降低。原制備工藝條件下制得的64Cu產(chǎn)品中Cu雜質(zhì)含量經(jīng)ICP-MS檢測超標(biāo)嚴(yán)重，在生產(chǎn)過程中，Cu的引入與銅靶片有關(guān)，此外試劑中含有的金屬雜質(zhì)也是Cu的可能來源。使用掃描電鏡將鍍金層放大1 500倍，對表面平整度進行分析；結(jié)合電鏡掃描結(jié)果，選擇明顯缺陷部位作為監(jiān)測點，采用能譜分析法對疑似孔隙進行能譜分析。

原制備工藝條件下制得的64Cu產(chǎn)品中Cu雜質(zhì)含量達(dá)3.0 μg/GBq以上(表1)，根據(jù)活度計算，Cu雜質(zhì)的濃度超過64Cu濃度400倍。隨著鍍金層厚度的增加，產(chǎn)品中Cu雜質(zhì)的含量并未減少。產(chǎn)品中Cu雜質(zhì)含量過高可能是由于鍍金層的Cu析出，存在鍍層Cu含量過高或鍍層存在空隙等問題。掃描電鏡結(jié)果(圖2)顯示，放大1 500倍后，樣品的鍍金層均存在缺陷，且隨著鍍層厚度的增加，鍍金層的質(zhì)量并未表現(xiàn)出明顯改善。

表1 原工藝64Cu核素制備結(jié)果Table 1 Result of 64Cu nuclide preparation under original process

a——1號靶片(金364 mg)；b——2號靶片(金405 mg)；c——3號靶片(金223 mg)圖2 鍍金層掃描電鏡結(jié)果Fig.2 Images obtained by scanning electron microscopy

為進一步探究這些缺陷是否為孔隙，任意選取一號靶片鍍層的兩處麻點放大8 000倍觀察，如圖3a、b所示，同時使用能譜儀分析1號靶片上麻點區(qū)域的元素種類，結(jié)果示于圖3c、d。在兩處取樣點均檢測出了Cu元素，同時有兩處取樣點檢測出Si元素和O元素的含量較高。該結(jié)果表明，鍍金層表面的確存在孔隙，且在鍍金層中可能存在沙礫等固體顆粒，對鍍金層質(zhì)量有較大影響，導(dǎo)致Cu雜質(zhì)的析出。

a，b——檢測點位置；c——檢測點47圖譜； d——檢測點26圖譜圖3 能譜儀檢測位置及檢測結(jié)果Fig.3 Detection position and result of energy dispersive spectroscopy

電鏡掃描結(jié)果顯示，銅靶片劃痕區(qū)域鍍金層質(zhì)量較差，這是由于銅基底的粗糙程度會直接影響鍍金層的質(zhì)量。劃痕區(qū)域微觀凸起位置的電流密度大，Au3+更易沉積；而在凹陷位置則不易沉積，會導(dǎo)致鍍金層質(zhì)地不平整。而且在鍍金過程中，由于電解副反應(yīng)的存在，陰極還會電解產(chǎn)生氫氣，在無攪拌情況下析出的氣體更易以氣泡的形式粘附在陰極表面，導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)麻點，鍍金層質(zhì)量較差，易造成靶體材料的溶出。

制備過程中使用的試劑種類較多，如果試劑中Cu的含量過高，會直接引入至最終產(chǎn)品。因此，制備過程中用到的試劑盡量選擇金屬雜質(zhì)含量較低的高純試劑(metal free級)，其他試劑控制Cu雜質(zhì)含量，使用的超純水均由Millipore純水儀獲得。氯金酸中的銅含量偏高會導(dǎo)致鍍金層銅含量超標(biāo)，氯金酸作為鍍金過程的主要試劑，需嚴(yán)格對其進行質(zhì)量控制。氯金酸的ICP-MS雜質(zhì)分析結(jié)果顯示，高質(zhì)量氯金酸中Cu含量小于0.30 μg/g，遠(yuǎn)低于普通氯金酸中Cu含量52.22 μg/g，因此選擇高質(zhì)量的氯金酸有利于產(chǎn)品中雜質(zhì)含量的控制。

經(jīng)工藝分析，Cu雜質(zhì)含量過高主要是由于鍍金層質(zhì)量問題所致。首先，鍍金層表面平整度差，鍍層存在細(xì)微的針孔、麻點，無法起到隔絕銅靶片的作用，可能導(dǎo)致在靶片溶解操作過程中Cu的溶出；其次，若鍍金所用的氯金酸試劑中雜質(zhì)含量較高，這些Cu會隨金原子一起沉積到靶片上，也會影響最終產(chǎn)品的質(zhì)量。此外，64Ni循環(huán)回收使用、金屬屑等因素也可能會導(dǎo)致雜質(zhì)的累積或引入。鍍金層存在麻點和氯金酸試劑純度低是導(dǎo)致64Cu產(chǎn)品中Cu含量超標(biāo)的主要原因，需對制靶過程進行質(zhì)量控制。

2) 工藝優(yōu)化結(jié)果

靶片表面較粗糙，易造成鍍層裂紋、麻點，采用機械拋光工藝對靶片進行拋光處理，可達(dá)到鏡面拋光的效果。銅靶片鏡面拋光結(jié)果如圖4所示，靶片表面光亮度和平整度顯著提升，有利于鍍金層的附著。鍍靶前在靶片表面使用表面活性劑除油去污，減少油污對鍍層的影響。原有的臥式電鍍槽在電鍍過程中析出氫氣較多，容易導(dǎo)致鍍金層出現(xiàn)麻點、針孔等缺陷問題，采用立式電鍍槽電鍍改善鍍金過程控制。立式槽鍍金工藝可更加方便安裝攪拌裝置，增加鍍液的攪拌速度，減少鍍靶過程陰極附著的氣泡，使鍍金層更加平整。與此同時，結(jié)合ICP-MS檢測結(jié)果，選用了更高純度的氯金酸鍍金操作，且在鍍金液配制過程中還使用濾紙進行了過濾處理，進一步提高了鍍液質(zhì)量。

圖4 靶片拋光前后對比Fig.4 Comparison of target plates before and after polishing

為進一步檢驗鍍金層的質(zhì)量，增加了鍍金層表面酸處理工藝。將鍍金完成后靶片固定在溶解槽，向溶解槽中加入6 mL 6 mol/L HCl和4 mL H2O2于90 ℃水浴條件下浸泡。每塊鍍金靶片酸處理2次，取酸處理浸出液，通過ICP-MS測定雜質(zhì)含量。結(jié)合鍍金層的檢測結(jié)果(表2)和64Cu核素檢測結(jié)果，制定了靶片的質(zhì)量指標(biāo)，即二次酸處理后，酸性浸出液中Cu的含量不高于0.250 μg/mL。

表2 鍍金層的酸處理結(jié)果Table 2 Result of acid treatment for gold plating layer

經(jīng)過一系列工藝優(yōu)化，得到表面光滑、平整、牢固、致密的64Ni靶，如圖5所示，鍍金層厚度約30～50 mg/cm2，富集64Ni鍍層厚度約8.5～16.3 mg/cm2。熱沖擊、摔落實驗結(jié)果顯示，鍍層無裂痕。

圖5 64Ni靶件外觀Fig.5 Appearance of 64Ni target

2.2 64Cu核素制備結(jié)果

工藝條件優(yōu)化后制備的64Cu相關(guān)數(shù)據(jù)列于表3。輻照3～4.5 h內(nèi)，單批產(chǎn)量達(dá)19～45 GBq(EOB)，產(chǎn)額達(dá)180～250 MBq/(μA·h)，產(chǎn)額較高，與文獻[4]報道接近。雜質(zhì)含量顯著降低，Cu雜質(zhì)含量控制在0.5 μg/GBq以下，工藝優(yōu)化后制備的64Cu核素可滿足探針標(biāo)記的要求。形成了穩(wěn)定、規(guī)?；①|(zhì)量可控的64Cu核素制備工藝。

表3 64Cu核素制備結(jié)果Table 3 Result of 64Cu nuclide preparation

2.3 質(zhì)量控制

對多批次64Cu核素進行了質(zhì)量檢驗，通過活度計測定活度，單批次的活度為22.2～55.5 GBq；經(jīng)HPGe測定多批次64Cu放射性核純度均大于99.9%(圖6)；HPLC測定放射化學(xué)純度大于97%(圖7)；ICP-MS測定Ni、Co、Fe、Cu、Zn、Au雜質(zhì)含量低于0.5 μg/GBq；pH值范圍為1～3，溶液介質(zhì)通常為0.01 mol/L HCl。

圖6 64Cu放射性核純度檢驗結(jié)果Fig.6 Radionuclide purity result of 64Cu

圖7 64Cu放射化學(xué)純度檢驗結(jié)果Fig.7 Radiochemistry purity result of 64Cu

2.4 富集64Ni回收

回收富集64Ni鍍液純化處理前后雜質(zhì)63Cu、56Fe含量如下：純化處理前，63Cu為554.06 μg/g，56Fe為1 233.34 μg/g；純化處理后，63Cu為0.68 μg/g，56Fe為5.85 μg/g?？梢姡兓?4Ni鍍液中存在雜質(zhì)累積的問題，雜質(zhì)含量超標(biāo)嚴(yán)重。純化后，鍍液中雜質(zhì)含量顯著降低，說明純化處理能有效控制64Ni鍍液中的雜質(zhì)含量。

3 結(jié)論與展望

本研究基于C30加速器建立了一套完整的64Cu核素規(guī)?；苽涔に?，獲得質(zhì)量穩(wěn)定的富集64Ni鍍金靶，輻照4 h，可獲得批產(chǎn)量在37 GBq以上、放射性核純度大于99.9%、放射化學(xué)純度>97%、雜質(zhì)含量低于0.5 μg/GBq的64Cu核素。

64Cu核素對放射性藥物的標(biāo)記主要通過分子中的螯合劑螯合64Cu2+的方式完成，對64Cu核素中的金屬雜質(zhì)提出了較高要求，因此在64Cu核素制備的全過程均需考慮金屬離子引入的可能性，盡量避免或減少雜質(zhì)金屬離子的引入。

目前，已自行設(shè)計64Cu自動化分離純化裝置，該裝置可實現(xiàn)全密閉體系分離純化，從而提高工藝的穩(wěn)定性，以從源頭減少Cu、Fe等雜質(zhì)的引入，進一步提高64Cu產(chǎn)品的質(zhì)量，在未來的核素制備過程中實現(xiàn)分離與純化過程的自動化。