通过质子辐照的钍靶快速分离出99Mo，以用于医疗应用

《Talanta》：Rapid separation of 99Mo from proton irradiated thorium target for medical application

加速器质子辐照钍靶制备钼-99的新分离纯化方法研究。通过混合HCl和HF酸溶解ThO?靶，结合阴离子交换色谱和α-苯偶姻酮沉淀工艺，实现了钼-99的高效纯化（回收率>80%）及医疗级产物制备，有效解决传统HEU靶法核扩散风险和高成本问题。

宋丽娟|王露生|侯晓琳|戴雄新|徐电斗

兰州大学核科学技术学院，中国兰州，730000

摘要

钼-99是一种在核医学中重要的放射性核素，为了满足医疗应用的需求，需要从辐照靶材中高效提取高纯度的⁹⁹Mo。本文提出了一种从加速器质子束辐照的钍靶材中分离和纯化⁹⁹Mo的新方法。在该方法中，将ThO₂靶材溶解在混合的HCl和HF酸中，然后使用阴离子交换色谱法将MoO₂Cl^n-从钍基质和其他许多放射性核素杂质中初步分离出来。通过用α-苯偶姻肟（ABO）沉淀Mo并进行二次阴离子交换色谱纯化，⁹⁹Mo的总体化学回收率始终超过80%。利用这种方法获得的纯⁹⁹Mo溶液符合医疗用途的要求（根据欧洲药典中对中子辐照²³⁵U产生的⁹⁹Mo的规定），并且所得到的⁹⁹Mo可以直接用于制备⁹⁹Mo-^99mTc发生器。

引言

钼-99（⁹⁹Mo）是^99mTc的母体放射性核素，后者是单光子发射计算机断层扫描（SPECT）中最常用的医学同位素，占诊断核医学所有常规应用的约80%。然而，由于许多使用反应堆中子辐照²³⁵U的生产线已经关闭，全球⁹⁹Mo供应短缺已成为一个严重的问题，近年来⁹⁹Mo/^99mTc发生器的供应短缺也引发了重大的医疗、政治和经济问题[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]、[7]。

目前^99mTc的供应危机是由于历史发展导致⁹⁹Mo/^99mTc发生器的供应几乎完全依赖于少数几个研究反应堆，包括BR-2（比利时）、HFR（荷兰）、OPAL（澳大利亚）、SAFARI-1（南非）、LVR-15（捷克）和MURR（美国）反应堆，这些反应堆提供了全球约95%的⁹⁹Mo产量[2]、[8]、[9]、[10]。除了澳大利亚的OPAL反应堆外，其他反应堆已运行超过50年，预计将在20年内永久关闭和退役。自1975年以来，全球大部分⁹⁹Mo供应来自高浓缩铀（HEU，通常为93%浓缩的²³⁵U）靶材的热裂变，以满足核医学成像的需求，其中发生器释放的⁹⁹Mo必须具有10 GBq/mL的高活性浓度[11]。然而，HEU也可用于制造核武器。2017年之前，每年约有50公斤的HEU用于⁹⁹Mo的生产，这存在一定的核扩散风险。为了减少并最终消除对HEU的依赖，2005年底，国际原子能机构（IAEA）在美国能源部（DOE）的财政支持下启动了一个协调研究项目（CRP），以促进低浓缩铀（LEU，²³⁵U含量20%或更低）作为替代品的发展，以满足⁹⁹Mo/^99mTc发生器的稳定供应需求[12]、[13]。迄今为止，大多数参与⁹⁹Mo生产的反应堆，包括OPAL、SAFARI-1、HFR、MARIA和阿根廷的RA-3反应堆，已经转向使用LEU。比利时的BR2反应堆也成功测试了LEU靶材，并预计将在2026年前完成从HEU到LEU靶材的全面转换。然而，将靶材从HEU转换为LEU会导致⁹⁹Mo的生产成本显著增加。LEU的⁹⁹Mo产量约为HEU的一半，同时产生的放射性废物量增加了一倍多，这大大增加了分离和纯化的难度，从而导致成本显著上升。因此，全球市场正在积极推广新的⁹⁹Mo生产技术，以确保未来的稳定和可靠供应[14]。

近年来，基于加速器的⁹⁹Mo生产技术引起了相当大的关注。钼-99可以通过¹⁰⁰Mo(p, pn)⁹⁹Mo反应或铀和钍靶材的质子散裂反应来生产[9]、[10]、[15]、[16]、[17]、[18]。与基于核反应堆的生产方法相比，大多数基于加速器的⁹⁹Mo生产方法成本较高，经济效益有限，这限制了投资，并阻碍了其发展和应用。尽管如此，基于加速器的²³²Th靶材质子辐照生产⁹⁹Mo的方法可能是一种有前景的方式，可以补充大规模的高比活度⁹⁹Mo供应。特别是，基于加速器的²³²Th散裂具有独特优势[1]、[3]、[4]、[19]、[20]：（1）它能够同时生产多种医学同位素，如治疗用α发射放射性同位素²²⁵Ac、²²³Ra和²³⁰U，从而显著提高经济效益，并有效抵消了与通过HEU反应堆裂变生产的⁹⁹Mo相比的市场价格竞争劣势。（2）与基于HEU和浓缩Mo靶材的生产方法相比，Th靶材更具成本效益，易于获得，且不会带来核扩散风险。（3）Th靶材的裂变产生的⁹⁹Mo具有高比活度，可以直接用于现有的高比活度⁹⁹Mo/^99mTc发生器。（4）基于加速器质子辐照产生的长寿命活化产物很少，大大降低了放射性废物处理成本。

位于中国广东省东莞的中国散裂中子源（CSNS）是中国主要的用于多学科研究的大型科学设施之一。其主要功能是在最先进的仪器中生成和应用强中子束，用于物理学、化学、生物学和材料科学等领域的多种研究。同时，人们越来越有兴趣利用其高能质子束进行医学同位素生产，为传统核反应堆提供了一种潜在的替代方案。随着CSNS的二期升级，质子束功率（从170 kW增加到500 kW）和靶站条件的改善，将能够更高效和多样地生产同位素，并成为关键医学同位素（如⁹⁹Mo）的主要国内供应商。

目前，已经提出了通过质子辐照钍靶材散裂反应生产⁹⁹Mo的路线。但从辐照的钍靶材中分离和纯化⁹⁹Mo的方法尚未有报道。尽管现有的从铀靶材中分离⁹⁹Mo的成熟工艺可以作为参考方法[21]、[22]、[23]，但钍靶材基质及其溶解条件与铀靶材有显著差异。此外，还需要考虑从辐照的钍靶材中同时提取其他α发射医学同位素（如²²⁵Ac和²²³Ra），而这在中子辐照的浓缩铀靶材中是不需要的。

本工作的目标是开发一种从加速器质子辐照的钍靶材中快速有效分离⁹⁹Mo的新方法，以获得高纯度的⁹⁹Mo，用于制备⁹⁹Mo/^99mTc发生器。

试剂和标准

二氧化钍（≥ 99.9%）由中国科学院上海应用物理研究所提供。用于Mo分离的AGMP-1M大孔阴离子交换树脂（Cl^-型，100-200目）购自北京Bonna-Agela Technologies公司。α-苯偶姻肟（ABO）从Aladdin公司订购，并准备了其乙醇（40.0 mg/mL）储备溶液。实验中使用的其他化学品，包括HCl、HNO₃、HF、NaCl、NaOH，均为分析纯度或更高

二氧化钍靶材的溶解

使用8 mol/L HNO₃、浓HNO₃和不同浓度的HF以及不同温度（见表1和2）研究了ThO₂靶材的溶解情况，并通过XRF分析测量了溶解在混合酸中的Th含量。结果（表1）显示，1克ThO₂可以在60°C下用5毫升浓HNO₃和50或100 mmol/L HF在2小时内完全溶解，而在浓HNO₃和50或100 μmol/L HF条件下1小时内即可完全溶解

结论

开发并验证了一种从加速器质子辐照的钍靶材中提取⁹⁹Mo的分离和纯化方法。使用高能质子辐照的钍靶材进行的验证表明，该方法能够很好地满足⁹⁹Mo产品的医疗应用要求。主要发现和成就如下：

• (1)
  质子辐照的ThO₂靶材可以使用HNO₃和HF的混合物或HCl和HF的混合物完全溶解

作者贡献声明

徐电斗：撰写 – 审稿与编辑，资金获取。王露生：资源准备，方法论，实验研究。侯晓琳：撰写 – 审稿与编辑，可视化，监督，正式分析。宋丽娟：撰写 – 原稿撰写，方法论，实验研究，概念构思。戴雄新：撰写 – 审稿与编辑，可视化，资金获取，正式分析，概念构思

利益冲突声明

作者声明他们没有任何可能影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢散裂中子源科学中心的所有工作人员在提供高度稳定和可靠的束流方面提供的宝贵帮助，以及核化学小组在靶材辐照过程中的协助。本工作得到了兰州大学和中国科学院高能物理研究所的支持。