加速器生產103Pd的厚銠靶制備工藝研究

馬承偉,段 菲,褚浩淼,李 光,王曉明,趙紫宇,李 超,王成志,溫 凱

(1.原子高科股份有限公司,北京 102413;2.國家原子能機構核技術(放射性藥物工程轉化)研發中心,北京 102413;3.中核集團放射性藥物工程技術研究中心,北京 102413)

癌癥是威脅人類健康的重大殺手,隨著核醫學的發展,放射性粒子近距離治療惡性腫瘤已經成為一種有效的治療方法。目前,適合用于近距離治療的核素有10余種,主要有125I、103Pd、169Yb、198Au、131Cs、192Ir、60Co等[1-2]。其中,125I和103Pd具有合適的半衰期、能量低、能譜較簡單、不會產生有害氣體、易于輻射防護等優點,是目前臨床上使用最廣泛的兩種核素。

與125I相比,103Pd核素具有半衰期短(T1/2=16.96 d)、能量低(20～23 keV)、初始劑量率高(19 Gy/h)等優點[3],可以用較高的初始放射性劑量去攻擊具有活性的病變腫瘤細胞,從而縮短治療時間,并達到很好的治療效果。同時,其X射線容易屏蔽,可以保護其他人員遭受不必要的輻射。Lazarescu等[4]認為有效治療時間與腫瘤倍增時間有關,倍增時間較短的腫瘤細胞宜采用初始計量率較高的放射性核素,因此對于增殖較快的腫瘤組織,103Pd更為適合[5]。體外實驗表明,對于倍增時間小于10 d的腫瘤,103Pd的效果優于125I。

目前,國內市場用于組織間近距離治療的密封籽源產品只有125I密封籽源,而且國內也尚不具備規?；a103Pd的能力,限制了103Pd密封籽源的開發,也影響了其在近距離治療領域的應用。在《醫用同位素中長期發展規劃(2021—2035年)》中也明確提出,要掌握加速器制備103Pd等醫用同位素的關鍵制備技術。加速器制備103Pd通常以天然金屬銠作為靶材,通過核反應103Rh(p,n)103Pd進行制備,工藝過程包括制靶、輻照和分離純化三個步驟。若要獲得規?；?03Pd核素制備能力,需要Rh鍍層致密、厚度較高的靶件。制靶是103Pd制備工藝中的關鍵技術,用Cyclone-30加速器生產103Pd輻照用的銠靶鍍層質量厚度應大于150 mg/cm2,鍍層與靶托結合牢固[6],因此開發穩定的厚銠靶制備工藝,才能實現核素103Pd的批量化生產。

Gulyaev等[7]采用擴散焊的方法將銠片焊接在銅靶托上制備得到銠靶,然而在焊接過程中金屬銅會擴散到銠片中,從而給后續分離純化過程帶來困難。Silverman等[8]則直接以銠箔作為靶材制備103Pd,但是該方法需要設計新的冷卻系統,采用液態金屬射流對銠箔進行冷卻,成本高、技術難度較大。除此之外,電沉積技術是銠靶制備的首選方法,也是目前最常用的方法。但是電沉積技術制備的銠鍍層會產生較大的內應力,容易造成鍍層的起皮開裂,是電沉積技術制備厚銠靶面臨的最大技術難點。

鍍銠液有硫酸型、磷酸型、硫酸-磷酸型、氨基磺酸型等[9],其中硫酸型鍍銠具有工藝簡單,鍍液易維護,電流效率相對較高的優點。Sadeghi等[10-12]對103Pd生產用銠靶的制備進行了較為詳細的研究,分別選擇樂斯化學生產的硫酸銠鍍液或回收后自制的硫酸銠溶液,采用直流電鍍法進行銠靶制備,但是只得到了厚度在45～50 μm之間的銠鍍層。

美國Michael等[13]發明了一種以單體狀態硫酸銠配合物為主的銠鍍液,用此鍍液制備的鍍層表現出了低內應力,并且很少出現裂紋和突起,由此證明硫酸銠的構型也會影響銠鍍層。Abys等[14]經過研究后認為,標準水解形成的硫酸銠配合物因為具有銠-銠鍵合和通過硫酸根基團的鍵合,這是銠電鍍時產生高應力的主要原因。據此,通過控制水解反應的溫度制備開發了低內應力銠鍍液。

根據電流的不同,電沉積技術又可以分為直流電鍍法和脈沖電鍍法,直流電鍍制備的銠鍍層存在內應力大、易開裂的問題,相較而言脈沖法更具優勢[9]。原子高科股份有限公司[15]采用脈沖電鍍法可以制備厚銠靶,證明采用脈沖電鍍法可以降低銠鍍層內應力,不過方法只對部分電鍍工藝參數進行了研究,工藝穩定性較差,制備的銠鍍層質量不穩定,仍無法用于穩定生產103Pd,因此需要開發穩定的厚銠靶制備工藝。而且諸多研究表明,鍍銠添加劑也能降低鍍層內應力,防止產生裂紋,使銠鍍層變得致密平滑[16-18]。從已有研究可知,為穩定制備厚銠靶,進一步降低銠鍍層內應力是關鍵,本研究旨在研究脈沖電鍍銠靶工藝,在已有研究基礎上改變銠鍍液分子構型、選取合適的電鍍添加劑,進一步降低銠鍍層應力,提升鍍層質量和工藝穩定性,以獲得致密平整、與基底結合牢固、鍍層質量厚度達到150 mg/cm2的銠靶。

1 試劑與儀器

1.1 試劑

氫氧化鈉、硫酸:分析純,國藥集團化學試劑有限公司;硫酸銠:10%(以銠計),上海拓思化學有限公司;電鍍添加劑A:國藥集團化學試劑有限公司;紫銅靶片,非標加工;超純水:美國Millipore純水儀;0.45 μm PTFE 濾膜:Omnipore。

1.2 儀器

ML303電子天平:德國Mettler Toledo公司;高頻脈沖整流器:北京浩越天電源技術有限公司;置頂式電動攪拌器:常州恩培儀器制造有限公司; 超級恒溫水浴鍋:上海博訊實業有限公司醫療設備廠;高純鍺多道γ譜儀:美國ORTEC公司;Agilent 7800 電感耦合等離子體質譜儀:安捷倫科技(中國)有限公司。

2 實驗方法

2.1 銠鍍液配制

鍍銠液配置時,首先將10%的NaOH溶液緩慢滴加到硫酸銠溶液中,不斷攪拌,維持溶液溫度在25 ℃以下,調節硫酸銠溶液pH至10～12,使Rh3+轉化為黃色沉淀。然后抽濾,使用高純水沖洗濾餅2～3次,用濃H2SO4將沉淀溶解,最后用高純水將溶液稀釋至一定體積,并用濃硫酸調節硫酸濃度,加入一定量的電鍍添加劑A,即可得到銠鍍液。

2.2 脈沖電鍍制備銠靶

紫銅靶片預先做鏡面拋光處理,用去污粉清洗靶片表面油污和灰塵,高純水清洗電鍍槽,組裝試漏。加入0.1 mol/L的H2SO4,活化1 min后倒出,接通脈沖電源后,加入銠鍍液開始電鍍(圖1)。

圖1 電鍍銠實驗裝置Fig.1 Experimental setup for Rhodium Plating

為探究最佳的Rh電鍍條件,開展條件實驗,改變一項電鍍條件,保持其他實驗條件不變,分別測試獲得鍍層的厚度與質量,以確定最佳的電鍍條件。脈沖電源參數:正脈寬100 μs,周期1.0 ms,占空比10%。

電鍍條件實驗參數包括鍍液組成和電鍍工藝參數兩部分。鍍液組成:Rh3+濃度6～24 g/L,硫酸濃度0.5～4 mol/L,電鍍添加劑A濃度6～22 g/L;電鍍工藝參數:電流密度2～20 mA/cm2,鍍液溫度20～50 ℃,攪拌速度300～1 600 r/min。

銠靶的測試包括墜落和熱沖擊實驗。墜落實驗將靶片在1 m高度處自由墜落,觀察鍍層與基底結合情況。熱沖擊實驗模擬質子加速器打靶時的高溫環境,將試樣置于馬弗爐內,以10 ℃·min-1的升溫速率加熱至500 ℃,恒溫1 h,取出后立即投入室溫冷水中驟冷,觀察鍍層有無起皮脫落現象。

2.3 熱實驗

將脈沖電鍍法制備的靶片裝入加速器中,在束流16.5 MeV,100～210 μA的條件下輻照5～51.5 h,總束流積分為300～4 500 μA·h,通過103Rh(p,n)103Pd核反應生產103Pd。

3 結果與討論

3.1 脈沖電鍍制備銠靶

3.1.1Rh3+濃度對電流效率的影響 Rh3+濃度與電流效率之間的關系示于圖2,Rh3+濃度對鍍層質量的影響列于表1。由圖2可知,隨著鍍液中Rh3+濃度增加,電流效率逐漸增加。而另一方面,由表1可知,隨著Rh3+濃度的增加,陰極銠金屬沉積速率也逐漸增加,有利于縮短電鍍時間。在電鍍工藝中,主鹽濃度越高,擴散傳質速度越快,濃差極化越小,允許采用的陰極電流密度也會越高,鍍層不易燒焦,但是隨著主鹽濃度的提高,鍍層也會變得粗糙。Rh3+作為主鹽,適當提高其濃度可以得到低內應力、低脆性的銠鍍層。因此,Rh3+濃度應控制在10～20 g/L。

表1 Rh3+濃度對鍍層質量的影響Table 1 The effect of Rh3+ concentration on plating quality

3.1.2硫酸濃度 硫酸濃度對銠鍍層質量的影響實驗結果列于表2,銠鍍層外觀示于圖3。

表2 硫酸濃度對銠鍍層質量的影響Table 2 The effect of sulfuric acid concentration on plating quality

a——0.5 mol/L;b——1.5 mol/L;c——2.5 mol/L;d——3 mol/L;e——4 mol/L圖3 不同硫酸濃度制備銠鍍層結果Fig.3 The Rhodium plating prepared with different sulfuric acid concentration

硫酸能增加鍍液的導電能力,同時還可以起到穩定鍍液的作用。硫酸含量增加可以提高鍍層平整度,但是當硫酸含量過高時,電鍍過程中陰極析氫現象會變得嚴重,進而導致鍍層質量變差。由表2和圖3可知,硫酸濃度應控制在0.5～3 mol/L。

3.1.3鍍液溫度 鍍液溫度對銠鍍層質量的影響列于表3。由表3可知,當鍍液溫度高于50 ℃時,銠鍍層結合力變差,出現起皮、開裂等問題,因此電鍍溫度應控制在20～40 ℃。

表3 鍍液溫度對銠鍍層質量的影響Table 3 The effect of temperature on plating quality

3.1.4攪拌速度 攪拌速度對銠鍍層質量的影響列于表4,熱沖擊實驗結果示于圖5。攪拌會加速溶液對流,使陰極附近消耗了的金屬離子得到及時補充,降低陰極的濃差極化作用,因而在其他條件相同的情況下,攪拌會使鍍層結晶變粗。不過,適當提高攪拌速度可以及時排除陰極析出的氫氣泡,防止鍍層出現麻點、針孔等缺陷,同時還可以增加電流密度范圍,提高電鍍效率,改善鍍液的分散能力,而當攪拌速度大于1 500 r/min時會導致鍍液飛濺。同時,在金相顯微鏡下將銠鍍層放大200倍后進行觀察(圖4),鍍層表面也未見明顯的缺陷。因此,攪拌速度應控制在500～1 500 r/min范圍內。

表4 攪拌速度對銠鍍層質量的影響Table 4 The effect of stirring speeds on plating quality

a——500 r/min;b——750 r/min;c——1 000 r/min;d——1 250 r/min;e——1 500 r/min 圖4 不同攪拌速度制備銠鍍層放大200倍形貌圖Fig.4 Metallographic microscope photograph of a rhodium prepared at different stirring speeds (200 times magnification)

3.1.5電流密度對電流效率的影響 電流密度與電流效率之間的關系示于圖6,電流密度對銠鍍層質量的影響列于表5。結合圖6與表5可知,當電流密度大于16 mA/cm2時,銠鍍層表面開始出現針孔和麻點,鍍層質量變差,電流效率下降明顯,說明陰極析氫現象開始變得嚴重。同時,電流密度下降,電沉積速率也會降低,導致電鍍耗時過長,因此電流密度控制在8～16 mA/cm2可制備得到致密、平整、與基底結合牢固的銠鍍層。

表5 電流密度對銠鍍層質量的影響Table 5 The effect of current density on plating quality

圖6 電流密度與陰極電流效率之間的關系Fig.6 Effect of current density on cathode current efficiency

3.1.6添加劑A的影響 添加劑A濃度對鍍層質量列于表6。添加劑A在鍍液中是絡合劑,一定含量的添加劑A能增大陰極極化,使鍍層細致、光亮、無裂紋。但是當其含量過高時,陰極電流效率下降,鍍層容易出現黃斑和白霧,含量過低時,鍍層容易變得粗糙。結合墜落實驗、熱沖擊實驗結果可知,電鍍添加劑A的濃度在6～18 g/L之間時,鍍層更加致密平整、與基底結合牢固。

表6 添加劑A濃度對鍍層質量的影響Table 6 The effect of A concentration on plating quality

3.1.7厚銠靶制備 經過實驗研究,確定脈沖電鍍法制備銠靶的最佳工藝條件為:電流密度8～16 mA/cm2,鍍液溫度20～40 ℃,Rh3+濃度10～20 g/L,H2SO4濃度0.5～3 mol/L,轉速500～1 500 r/min,添加劑A濃度6～18 g/L。在最佳工藝條件下電鍍15～20 h,帶電更換鍍液,繼續電鍍,即可得厚銠靶(圖7)。對熱沖擊實驗前后的銠鍍層進行放大觀察,由圖8可知經過熱沖擊的銠鍍層會出現明顯的裂紋,但鍍層與銅靶托結合牢固,在墜落實驗中,銠鍍層無脫落。對鍍層進行能譜分析,可以看出鍍層僅有銠一種元素存在,結果示于圖9。連續四個批次厚銠靶制備結果列于表7,鍍層質量厚度可以達到150 mg/cm2,且平整、致密,與銅靶托結合牢固。

表7 脈沖電鍍法制備厚銠靶實驗結果Table 7 Experimental results of thick rhodium targets prepared by pulse electroplating

a——熱沖擊實驗前;b——熱沖擊實驗后圖7 脈沖電鍍法制備的厚銠靶(質量厚度147.59 mg/cm2)Fig.7 Preparation of targets prepared by pulse electroplating (147.59 mg/cm2)

圖9 銠鍍層能譜圖Fig.9 Energy spectrum of Rhodium plating

3.2 熱實驗

使用厚銠靶制備103Pd的結果列于表8。在輻照5～51.5 h內,單批產量可以達到2.15～23.42 GBq(EOB),產額達到5.18～6.04 MBq/(μA·h)。輻照后的銠靶示于圖10,銠鍍層無明顯變化,與銅靶托結合牢固,滿足輻照工藝要求。

表8 厚銠靶制備103Pd的結果Table 8 Results of production of 103Pd with thick rhodium targets

圖10 C30加速器輻照后銠靶(銠鍍層質量厚度180.93 mg/cm2,輻照時間5 h,束流積分387.3 μA·h)Fig.10 Rhodium target after irradiation with C30 accelerator (1698 mg of rhodium, irradiate by 5 h, beam integral 387.3 μA·h)

4 結論

通過研究脈沖電鍍銠靶工藝改進工藝,解決了銠靶制備不穩定的問題。在已有研究基礎上,通過改變鍍液中硫酸銠分子構型、加入電鍍添加劑A、優化電鍍工藝參數,可進一步降低銠鍍層內應力,顯著提高工藝穩定性,制備的銠鍍層質量厚度可以達到150 mg/cm2以上,致密、平整、與基底結合牢固,可以穩定制備厚銠靶。本研究制備的厚銠靶,在C30回旋加速器內輻照5～51.5 h,可以獲得產額5.18～6.04 MBq/(μA·h)、核純度大于99.9%的103Pd核素,銠鍍層質量滿足103Pd批量化生產要求。