基于聚锑酸的双柱型90Sr-90Y发生器研制

耿自胜，李 波，吴建荣，陈云明，罗 宁，孙志中，曾俊杰，张劲松

(1.中国核动力研究设计院，四川 成都 610005；2.四川省放射性同位素工程技术研究中心，四川 成都 610213)

90Y是一种纯β放射性核素，半衰期为64 h，衰变产生的β-射线最大能量可达到2.28 MeV，90Y的衰变子体90Zr稳定无毒，不会对人体产生影响。此外，90Y具有良好的螯合化学性质，易标记于单抗、微球、多肽等用于癌症的体内放射治疗[1]。以90Y核素为原料制备的相关放射性药物及制品包括90Y标记单抗、90Y微球和90Y标记多肽等[2-5]。

医用90Y核素的生产途径主要有反应堆、核素发生器、加速器等[6-8]。其中通过90Sr-90Y核素发生器生产90Y具有操作简便快捷、使用不受区域限制等优点，且所用原料90Sr是235U的裂变产物，可从长时间冷却后的乏燃料中获得，是目前生产90Y的主要方法。90Sr-90Y发生器的制备方法主要有萃取法、色谱法、沉淀法、电沉积法、液膜法等[9-13]，目前90Y核素主要依靠萃取型发生器获得，但这种方法存在操作繁琐、引入有机溶剂、产生大量放射性废液等缺点，相比之下，色谱型发生器操作更为简捷，是理想的90Sr-90Y发生器制备方法。

色谱型90Sr-90Y发生器研制需要解决两个关键技术问题：一是要严格控制母体核素90Sr的漏穿，确保90Y洗脱液中90Sr-90Y活度比低于10-6；二是要保证分离材料具备良好的耐辐照性能，能在90Sr和90Y放出的β射线辐照下保持良好的分离性能，以延长发生器的使用寿命。聚锑酸(PAA)对Sr具有较好的选择吸附性，且具有相对较好的耐辐照性能[14]，但制备成型困难，颗粒不均匀，装柱后材料容易发生板结、堵塞，对Sr的吸附容量偏低。基于以上考虑，本工作对现行的聚锑酸制备工艺进行创新和优化，以制备具有大吸附容量、粒径均一、适用于色谱柱操作的分离材料，开展90Sr-90Y发生器的研制。

1 实验部分

1.1 实验仪器与试剂

SPE固相萃取柱：BOJIN仪器；IRIS-HR-DUO电感耦合等离子体发射光谱仪：Thermo Jarrell Ash公司；FD-10S真空冷冻干燥机：山东博科生物有限公司；BH2116低本底α/β测量仪：中核控制系统公司；MIRA3XH扫描电子显微镜：捷克TESCAN公司；NICOLET 6700傅里叶变换红外光谱仪：森诺高科公司；ASAP 202比表面与孔隙度分析仪：Micromeritics公司；S3500激光粒度仪：美国Microtrac公司；STA8000热重分析仪：美国PerkinElmer公司；氯化锶[89Sr]溶液：中国核动力院生产，放射性浓度4.07×108Bq/mL，锶含量37.28 g/L；实验用水为去离子水，其他化学试剂均为分析纯。

1.2 聚锑酸合成

以Sb2O3为原料，H2O2为氧化剂合成聚锑酸，在制备工艺流程中重点考察合成反应条件、陈化条件、干燥方式等对聚锑酸吸附性能的影响，在合成反应中针对影响聚锑酸合成的氧化温度、氧化时间、H2O2体积开展3因素3水平的正交试验L9(33)，考察不同陈化温度和陈化时间下聚锑酸吸附性能的影响，并采用真空冷冻干燥法对陈化后的样品进行干燥，与普通烘干法进行对比。

1.3 吸附性能

为考察不同制备条件下合成的聚锑酸对Sr的吸附性能的影响，开展聚锑酸对Sr的静态吸附实验。称取25.0 mg聚锑酸样品置于50 mL锥形瓶中，加入25 mLC(Sr)=200 mg/L的硝酸锶溶液(0.01 mol/L硝酸体系)，将瓶口密封后置于恒温振荡器中振荡48 h，经过滤后取样测量吸附后溶液中的Sr浓度，根据公式(1)计算静态饱和吸附容量。

(1)

式中：Qeq为静态饱和吸附量，mg/g；V为含Sr样品溶液的体积，L；m为干态吸附剂的质量，g；C0为吸附前锶的初始浓度，mg/L；Ceq为吸附后锶的平衡浓度，mg/L。

动态吸附实验方法如下，选取内径8.85 mm，长度为70 mm的SPE固相萃取柱，称取3.6 g聚锑酸样品采用湿法装入柱中，装柱后高径比约为7∶1，向柱中加入CSr=200 mg/L的硝酸锶溶液(0.01 mol/L硝酸体系)，以0.5 mL/min的流速收集流出液，每5 mL收集一次，测量流出液中的Sr浓度，当流出液中Sr浓度上升至初始浓度的0.9倍时，认为达到吸附饱和。根据测量结果计算动态吸附容量qd，qd计算方法见公式(2)。

(2)

式中，V1为达到吸附饱和时流出液的体积，L；C0为上柱前Sr的初始浓度，mg/L；C1为达到吸附饱和时流出液中的Sr浓度，mg/L；m为装入柱中的吸附剂质量，g。

1.4 柱分离

采用1.3节中所述方法将吸附材料装柱，向色谱柱中加入20 mLCSr=1 000 mg/L、CY=0.3 mg/L的硝酸锶/钇混合溶液(0.01 mol/L硝酸体系)，以HCl作为洗脱剂，开展发生器模拟吸附及解吸实验，以0.5 mL/min的流速收集流出液，每5 mL收集一次，测量流出液中Sr和Y的浓度，考察聚锑酸对Sr和Y的分离效果。

1.5 二次柱分离

采用1.3节中所述方法将吸附材料装柱。分别配制CSr=1、10、100、1 000 μg/L，CY=250 μg/L的Sr/Y混合溶液各50 mL(1.2 mol/L HCl体系)。将配制好的溶液分别加入到色谱柱中，以0.5 mL/min流速收集流出液，每10 mL收集一次。每一组溶液的流出液收集完毕后，用50 mL高纯水淋洗过柱后再将下一组溶液过柱，测量流出液中的Sr和Y浓度，考察Sr反载体对于提高Sr和Y 分离因数的可行性。分离因数α计算方法见公式(3)。

(3)

式中：Kd为分配系数，mL/g，可根据公式(4)计算得到。

(4)

式中：V为样品溶液的体积，L；m为吸附剂的质量，g；C0为吸附前初始离子浓度，mg/L；Ce为吸附后样品离子浓度，mg/L。

1.6 89Sr模拟实验

利用氯化锶[89Sr]作为示踪剂代替90Sr开展发生器模拟吸附及解吸热实验，取0.536 mL89SrCl2原液(约5 mCi)进行加热蒸干处理，用0.01 mol/L硝酸溶液溶解，制成溶液体系为0.01 mol/L硝酸的硝酸锶[89Sr]溶液，再向其中加入1 mLCY=6 mg/L的硝酸钇溶液，最后用0.01 mol/L硝酸溶液稀释至20 mL，配制成90Sr-90Y模拟溶液，开展双柱分离实验。验证聚锑酸在辐照条件下对Sr和Y的分离效果，同时更为直接地验证反载体法对降低洗脱液中90Sr沾污、提高90Y核纯度的可行性。

2 结果与讨论

2.1 聚锑酸合成

2.1.1合成反应条件对聚锑酸吸附性能的影响 针对聚锑酸合成反应过程中影响较大的3个因素，设计了3因素3水平的正交实验，L9(33)。因素A，氧化温度分别取40、60、80 ℃；因素B，反应时间分别取1.5、2.0、2.5 h；因素C，H2O2体积分别取4、6、8 mL，得到正交实验计划列于表1，依据表1的实验条件，分别开展9组聚锑酸的合成实验，并考察不同制备条件下合成的聚锑酸对Sr的静态吸附容量(合成反应后陈化条件为25℃下陈化3 d，干燥方式采用真空冷冻干燥)。

分析正交实验数据结果可以得出，因素A氧化温度的极差为52.9，因素B反应时间的极差为5.6，因素C中H2O2体积的极差为3.2。3个因素对聚锑酸吸附容量的影响大小顺序为：A>B>C，氧化温度对聚锑酸制备的影响最大，氧化温度较低时吸附容量更高，而其他两种条件对材料吸附性能的影响较小。为进一步确定氧化反应温度对聚锑酸合成反应的影响，得到最佳的氧化反应温度范围，在正交实验的基础上，继续考察了在冰浴(3 ℃)、室温(25 ℃)、40 ℃、50 ℃不同氧化温度条件下制备的聚锑酸对锶的吸附性能(氧化时间2 h，H2O2体积8 mL)，实验结果列于表 2，由表2可以看出，氧化温度过高或过低都会导致吸附剂性能下降。温度过高加快H2O2分解，温度过低时氧化反应速度较慢，可能导致氧化不完全，使吸附性能下降。因此，综合考虑，在L9(33)正交实验设计中初步筛选的材料制备条件为：氧化温度40 ℃，氧化时间2 h，H2O2体积8 mL。

表1 L9(33)正交实验制备的聚锑酸对锶的吸附性能Table 1 Adsorption performance of PAA prepared by orthogonal experiment on Sr

表2 氧化温度对聚锑酸吸附性能的影响Table 2 Effect of oxidation temperature on adsorption capacity of polyantimonic acid

2.1.2陈化条件对聚锑酸吸附性能的影响 在聚锑酸合成反应后对料液进行陈化处理有利于聚锑酸分子结合水的生成，提高聚锑酸吸附剂的机械性能。为此，开展了不同陈化时间和不同陈化温度条件下的聚锑酸制备实验，实验结果列于表3和表4。从表中数据可以看出，样品陈化一定时间可以提高材料的吸附性能，且低温条件下需要陈化更长时间。

表3 陈化时间对聚锑酸吸附性能的影响(25 ℃)Table 3 Effects of aging time on the adsorption properties of PAA (25 ℃)

表4 陈化温度对聚锑酸吸附性能的影响Table 4 Effect of aging temperature on the adsorption capacity of PAA

通过对制备工艺流程的优化，聚锑酸的吸附性能得到大幅提升，对锶的静态饱和吸附容量大于121 mg/g，已超过文献报道中对锶的吸附容量(表5)，聚锑酸分离材料对锶吸附容量的提升能有效延缓发生器洗脱时90Sr的漏穿，对顺利开展发生器吸附及解吸实验具有良好的支撑作用。

表5 各种制备工艺流程所得聚锑酸对锶的吸附容量Table 5 Adsorption capacity of PAA on strontium prepared by various preparation processes

2.1.3干燥方式对聚锑酸吸附性能的影响 干燥方式和干燥温度是影响聚锑酸的机械性能、比表面积和吸附容量的重要因素。真空冷冻干燥技术可以使物料低温直接脱水干燥，不会因为液态水的表面张力对物质的内部微孔结构造成影响，使物料原有结构和形状得到最大程度保护[15]。本文将相同制备条件下合成的聚锑酸分别进行真空冷冻干燥和普通烘箱干燥，考察不同干燥方式制备的聚锑酸对锶的静态吸附容量qe随接触时间的变化情况。结果显示，采用冻干法制备得到的聚锑酸对锶的吸附平衡时间显著缩短为4 h(图1)，动态吸附容量增大为73 mg/g(图2)。此外，从表征分析结果看出，冻干法制备的聚锑酸具有更大的比表面积，真空冷冻干燥比表面积为23.6 m2·g-1，远高于普通烘箱干燥法比表面积9.5 m2·g-1。更加均一的粒径分布(图3)，材料表面孔隙更多(图4)，更有利于锶快速地吸附。在聚锑酸的制备工艺中引入真空冷冻干燥法，有效解决了聚锑酸吸附剂粒径不均一，装柱后材料容易发生板结、堵塞的问题，所得材料适合用作发生器柱填料。

图1 接触时间对聚锑酸吸附锶的影响(Co=200 mg/L，pH=2，V=25 mL，T =25 ℃，m=25 mg)Fig.1 Effect of contact time on strontium adsorption by PAA(Co=200 mg/L, pH=2, V=25 mL,T =25 ℃, m=25 mg)

图2 聚锑酸对锶的动态吸附曲线(Co=1 000 mg/L，m=3.6 g，pH=2，高径比3∶1，流速为0.5 mL/min，T=25 ℃)Fig.2 Dynamic adsorption curve of PAA on strontium(Co=1 000 mg/L, m=3.6 g, pH=2, Aspect ratio is 3∶1, flow rate is 0.5 mL/min, T=25 ℃)

2.2 柱分离实验

根据静态吸附实验结果，选定对Sr吸附性能较好的0.01 mol/L的硝酸溶液作为吸附体系，向色谱柱中加入20 mLCSr=1 000 mg/L、CY=0.3 mg/L的硝酸锶/钇混合溶液，以HCl作为洗脱剂(90Y洗脱液为盐酸体系便于药物标记)，开展不同洗脱剂浓度下的柱分离实验，以确定最佳的洗脱剂浓度，结果如图5所示，可以看出，洗脱效率随着洗脱剂的浓度升高而增加。实验中发现，当所用盐酸浓度上升至1.5 mol/L时，Sr开始发生漏穿，而1.2 mol/L盐酸体系具有较高的洗脱效率(85.4%)且Sr未发生漏穿，故选定1.2 mol/L盐酸作为洗脱剂。

a——烘干法；b——冻干法图3 不同干燥方法制备的聚锑酸的粒径分布Fig.3 Particle size distribution of PAA prepared by different drying methods

a——烘干法；b——冻干法图4 聚锑酸的SEM图Fig.4 SEM of PAA

图5 不同浓度盐酸对90Y的洗脱曲线Fig.5 Elution curves of different concentrations of hydrochloric acid on 90Y

在模拟发生器吸附及解吸实验时，进行多次重复吸附和解吸，当上一次洗脱完成后，继续向色谱柱中加入等量的硝酸钇溶液继续进行吸附和洗脱，计算90Y的洗脱效率(洗脱液中Y的含量与加入分离柱中90Y含量的比值)，洗脱效率如图6所示，各次解吸实验中90Y的洗脱效率均大于80%，且洗脱液中均未出现Sr明显漏穿，其中第8次解吸实验的洗脱曲线示于图7。从90Y的洗脱曲线可以看出拖尾现象，这可能是由于聚锑酸对90Y存在一定的吸附。整个吸附及解吸过程中液体流速保持恒定，分离材料未发生板结和堵塞的情况。初步验证采用此工艺方法研究90Sr-90Y发生器可行。

图6 发生器模拟解吸实验中90Y的洗脱效率Fig.6 Leaching efficiency of 90Y in the simulated leaching experiment by the generator

图7 发生器模拟洗脱曲线(第8次)Fig.7 Eluent curve simulated by generator (8th time)

2.3 二次柱分离

医用90Y产品要求90Sr/90Y的活度比低于10-6，而经一次柱分离对90Sr的分离因数仅达104～105量级，难以符合医用要求，考虑利用二次柱进一步分离。一次柱分离后洗脱液中的90Sr含量已接近10-8g量级，浓度已低至μg/L量级，用常规方法直接进行二次柱分离难以进一步提高核纯度，故采用加入适量Sr作为反载体的方法，以期进一步降低90Sr的沾污程度。从4组二次柱分离实验结果(表7)可以看出，将1.2 mol/L盐酸体系的Sr/Y混合溶液上柱淋洗，浓度分别为1.5、10.2、99.1、1 004 μg/L 的Sr过柱后，绝大部分保留于色谱柱中，流出液中Sr浓度在0.1～0.5 μg/L范围内，说明淋洗液中有少量Sr残留，无法全部除去。但4组实验中过柱前后浓度比分别为8.5、82.7、803.5、4 858.1，当过柱前Sr浓度越大时，过柱前后Sr的浓度比就越高，虽然分离后都有少量Sr残留，但分离前加入适量Sr可使分离因数增大，这表明向90Sr浓度为μg/L量级的一次柱洗脱液中加入适量的Sr载体混合后再经二次柱淋洗分离，可以实现将一次柱洗脱液中μg/L量级的90Sr载带并保留在二次柱中，降低90Sr的沾污。因此，在90Sr-90Y发生器吸附及解吸实验中，向第一个分离柱的洗脱液中加入适量Sr作为反载体，再经第二个分离柱分离可使洗脱液中90Sr的含量进一步降低，分离因数可以进一步提高。同时，Y经二次过柱后只有少量被保留在柱中，对Y的总洗脱效率不会产生显著影响。

表7 不同Sr/Y浓度比的混合溶液过柱(二次柱)结果Table 7 Experimental results of mixed solutions with different Sr/Y concentration ratios passing through the column (secondary column)

2.4 89Sr吸附及解吸

为验证聚锑酸在辐照条件下对Sr/Y的分离效果，同时更为直接地验证反载体法对降低洗脱液中90Sr沾污的可行性，本文利用89SrCl2作为示踪剂代替90Sr开展发生器模拟吸附及解吸热实验，向每份一次柱洗脱液样品中各加入0.1 mL锶浓度为100 mg L-1的硝酸锶溶液，然后将混合溶液加入二次柱中进行进一步分离，结果列于表8。可见，向一次柱洗脱液中加入一定量稳定的Sr作为反载体后再进行二次柱分离使得一次柱洗脱液中残留的放射性89Sr得以保留在二次柱中，二次柱洗脱液中89Sr的沾污程度进一步降低，分离因数可达107量级，进一步验证了反载体的加入对提高90Y洗脱液的核纯度是切实有效的。一次柱和二次柱洗脱液中Y的浓度曲线如图8所示，一次柱洗脱液中的Y的洗脱效率为87.2%，经二次柱分离后，Sr被吸附在柱中，但大部分Y都随洗脱液流出，Y的损失量仅为11.1%，经两次柱分离后Y的总洗脱效率为77.5%。因此，采用双柱法策略进行Sr/Y分离不仅能有效的将Sr除去，还能保证Y有较高的回收率。

表8 锶/钇分离模拟热实验结果Table 8 Data results of simulated thermal experiment for Sr/Y separation

图8 双柱法分离实验中Y的洗脱曲线Fig.8 Leaching curve of Y in the two-column separation experiment

3 小结

通过对聚锑酸合成反应条件、干燥方式等因素的改进和优化，大幅提高了聚锑酸对锶的吸附性能。在0.01 mol/L HNO3溶液中对锶的吸附容量为121 mg/g，平衡吸附时间为4 h，动态吸附容量达到73 mg/g。采用双柱法以及反载体法分离策略开展了90Sr-90Y Sr/Y发生器模拟研究，以1.2 mol/L HCl作为洗脱剂进行Sr/Y柱分离，Sr与Y的分离因数约为104，Y的洗脱效率>80%。针对一次柱洗脱液中Sr与Y的分离因数未能达到医用指标要求，提出采用双柱法进行Sr/Y分离，采用89Sr作为示踪剂替代90Sr，向一次柱洗脱液中加入适量Sr反载体后再进行二次柱分离，可使Sr与Y的分离因数达到107以上，分离因数满足医用指标要求。本研究针对90Sr-90Y发生器研制过程中的面临的关键技术问题提出了新的思路和方法，并进行了实验验证，对90Sr-90Y发生器的研制具有重要意义，为了得到性能稳定可靠的90Sr-90Y发生器，后续可对吸附材料的化学稳定性和辐照稳定性进行更深入研究。