Herstellung von Zirkonium | PeakRider Solutions Co., Ltd

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1736 (2023) Diesen Artikel zitieren

819 Zugriffe

Details zu den Metriken

Es wurde ein Verfahren zur Herstellung von Dutzenden bis Hunderten GBq-Mengen Zirkonium-88 (88Zr) mithilfe von Protonenstrahlen auf Yttrium entwickelt. Zu diesem Zweck wurden Yttriummetalltargets (≈20 g) in der Los Alamos Isotope Production Facility (IPF) mit einem Protonenstrahl von ~16 bis 34 MeV und einem Strahlstrom von 100–200 µA bestrahlt. Das 88Zr-Radionuklid wurde mit Hydroxamatharz mit einer Elutionsausbeute von 94(5) % (1σ) hergestellt und von den Yttrium-Targets getrennt. Aufgrund der hohen Neutronendurchlässigkeit von Deuterium im Vergleich zu Wasserstoff und einer gleichmäßigen Verteilung von 88Zr in der Probenmatrix wurde eine flüssige DCl-Lösung in D2O als geeignete 88Zr-Probenmatrix ausgewählt. Das abgetrennte 88Zr wurde in DCl gelöst und 8 µL der erhaltenen Lösung wurden mithilfe einer Spritze und einer automatischen Füllstation in einer heißen Zelle in eine Wolframprobendose mit einem Loch von 1,2 mm Durchmesser überführt. Die Neutronentransmission der erhaltenen 88Zr-Probe wurde am Device for Indirect Capture Experiments on Radionuclides (DICER) gemessen.

Zirkonium (Zr) ist ein Übergangsmetall der Gruppe IV mit 5 stabilen und 31 bekannten radioaktiven Isotopen. Einige radioaktive Isotope von Zr sind für verschiedene Bereiche der Wissenschaft und Technologie wichtig. Zirkonium-89 (89Zr) ist aufgrund seiner einzigartigen physikalischen und chemischen Eigenschaften eines der vielversprechendsten Radionuklide für die Immuno-Positronen-Emissions-Tomographie (Immun-PET)1,2. Seine relativ lange Halbwertszeit (78,4 h) entspricht der biologischen Halbwertszeit von Antikörpern und Antikörperfragmenten und es zerfällt durch Elektroneneinfang (77 %) und Positronenemission (23 %) zu stabilem Yttrium-89 (89Y), wobei es hauptsächlich 511 keV emittiert Gammastrahlen aus der Vernichtung, 909-keV-Gammastrahlen und einige Röntgenstrahlen3. Darüber hinaus können erhebliche Mengen an 89Zr relativ einfach mit einem Protonenstrahl niedriger Energie (Ep < 13,1 MeV) auf einem monoisotopischen 89Y-Ziel erzeugt werden, und das produzierte 89Zr kann effizient vom Ziel getrennt, chelatisiert und an den Antikörper gebunden werden4.

Ein weiteres interessantes Zirkoniumisotop ist 88Zr, das eine Halbwertszeit von 83 Tagen hat und durch Elektroneneinfang zu Ytrrium-88 (88Y) zerfällt und dabei Gammastrahlen von 393 keV und einige Röntgenstrahlen emittiert. Yttrium-88 (t1/2 = 106,6 Tage) zerfällt hauptsächlich durch Elektroneneinfang zu stabilem Strontium-88 (88Sr) und emittiert Gammastrahlen von 898 keV und 1836 keV sowie einige Röntgenstrahlen3. Somit kann 88Zr zur Herstellung von hochreinem, trägerfreiem 88Y in einem Radionuklidgeneratorsystem verwendet werden. Sowohl 88Zr als auch 88Y sind nützliche Tracer in der radiopharmazeutischen Forschung als langlebigere Surrogate des vielversprechenden Immun-PET 89Zr5 bzw. in der Radioimmuntherapie und Radioembolisationstherapie mit 90Y6.

Natürliches Zirkonium wurde in Kernwaffentests häufig als beladenes Detektormaterial oder zur radiochemischen Diagnostik in Nukleargeräten verwendet, d. Die aus den experimentellen und historischen Daten abgeleitete Neutronenfluenz kann mit der Neutronenfluenz verglichen werden, die mithilfe verschiedener Codes berechnet wurde, die neutroneninduzierte Wirkungsquerschnitte verwenden. Zirkonium-88 ist eines der wichtigsten Zr-Isotope, die bei diesen durch hochenergetische Neutronen induzierten Reaktionen entstehen8, und präzise Messungen seines (n,γ)-Querschnitts können verwendet werden, um die Codes zu verbessern und so ein besseres Verständnis der Geräteleistung zu erhalten. Darüber hinaus haben Shusterman und Mitarbeiter kürzlich herausgefunden, dass 88Zr einen unerwartet hohen Einfangquerschnitt für thermische Neutronen von (8,61 ± 0,69)·105 barns9 aufweist. Vermutlich wird der große thermische Neutronenquerschnitt von 88Zr durch eine oder mehrere niederenergetische Resonanzen verursacht. Eine detaillierte Untersuchung des Neutroneneinfangquerschnitts von 88Zr über einen großen Energiebereich ist erforderlich, um die Eigenschaften seines extrem hohen thermischen Neutroneneinfangquerschnitts zu bestimmen und die ersten punktuellen experimentellen Daten bei Neutronenenergien bis zum keV-Bereich zu erhalten Informieren Sie sich über die Genauigkeit von Neutronenfluenzcodes. Eine solche Studie hätte Auswirkungen sowohl auf grundlegender als auch auf angewandter Ebene.

Das Device for Indirect Capture Experiments on Radionuclides (DICER) ist ein neuartiges Neutronenübertragungsinstrument, das am Los Alamos Neutron Science Center (LANSCE) konzipiert, entworfen und entwickelt wurde. Es kann verwendet werden, um (n,γ)-Querschnitte über einen weiten Energiebereich zu messen und eng einzuschränken, indem Neutronentransmissionsmessungen durch die Probe als Ersatz für direkte Neutroneneinfangstudien durchgeführt werden. DICER ist besonders nützlich für Messungen von Neutroneneinfangquerschnitten kleiner Mengen hochradioaktiver Radionuklide wie 88Zr. Dies liegt daran, dass typische Proben-Detektor-Abstände in Übertragungsanordnungen wie DICER in der Größenordnung von mehreren zehn Metern liegen, im Gegensatz zu einigen dm bei Experimenten mit direktem Neutroneneinfang. Daher leiden Transmissionsexperimente deutlich weniger unter dem intrinsischen 88Zr-Zerfallshintergrund, während die enge Nähe zwischen Probe und Detektor bei direkten (n,γ)-Messungen an Radionukliden sie zu einer Herausforderung macht. Es wurden bereits mehrere andere indirekte Techniken zur Bestimmung des (n,γ)-Querschnitts entwickelt, beispielsweise die Surrogate-Methode10, die γ-Strahlenstärkefunktion11,12, die Oslo-Methode13,14,15,16 und die β-Oslo17-Methode. Obwohl sich alle diese Methoden als nützlich erwiesen haben, hängen sie stark von der Theorie ab und daher weisen die erhaltenen Werte der Wirkungsquerschnitte sehr hohe Unsicherheiten auf. Die DICER-Technik misst dieselben Neutronenresonanzen, die experimentell den Neutroneneinfangquerschnitt bestimmen. Daher ist die DICER-Methode weniger theorieabhängig und sollte daher genauer sein als andere indirekte Techniken.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit bestand darin, durch Protonenbestrahlung in der Los Alamos Isotope Production Facility (IPF)18 Dutzende bis Hunderte GBq-Mengen an 88Zr zu produzieren, das produzierte 88Zr vom Targetmaterial und den Verunreinigungen zu trennen und ein für Neutronen geeignetes 88Zr-Target vorzubereiten Transmissionsmessungen bei DICER.

Alle experimentellen Arbeiten mit dem bestrahlten Y-Target wurden in den heißen Zellen durchgeführt. Alle beschriebenen Methoden, einschließlich der Target-Auflösung, der Trennung von Zr-Mengen im µg-Bereich von Y-Gramm-Mengen und der Vorbereitung des Zr-Targets für Neutronentransmissionsmessungen, wurden zunächst mit nicht radioaktiven Proben entwickelt und getestet.

Alle Lösungen wurden mit einer Analysenwaage hergestellt. Alle in dieser Arbeit verwendeten Chemikalien sind in Tabelle 1 aufgeführt.

Quantitative radiometrische Messungen wurden mit einem Detektor für hochreines Germanium (Ortec GEM30P4-76, koaxialer HPGe-Detektor vom p-Typ, 61,9 mm Durchmesser, 43,4 mm Länge und 0,7 mm tote Ge/Li-Schicht) mit einer relativen Effizienz von 31 % und einer Auflösung durchgeführt (FWHM) von 1,75 keV bei 1332,49 keV. Der HPGe-Detektor wurde mit flüssigem Stickstoff gekühlt (Ortec Möbius Recycler-System) und an einen digitalen Spektrumanalysator (Ortec DSPEC502) gekoppelt. Der Detektor wurde im Energieintervall von 60–1836 keV für die gleiche Geometrie (5 ml wässrige Lösung in 20 ml Flüssigszintillationsfläschchen aus Kunststoff) unter Verwendung einer gemischten Radionuklid-Referenzlösung (NIST rückverfolgbar von Eckert und Ziegler, USA) kalibriert. Tägliche Kalibrierungsprüfungen wurden mit einer 152Eu-Quelle (Eckert und Ziegler, USA) durchgeführt. Die Zähltotzeit wurde immer unter 10 % gehalten.

Qualitative radiometrische Messungen von Beladungslösungen, Eluaten, Rückständen, Glas- und Kunststoffwaren usw. wurden direkt aus der heißen Zelle (Korridor-Korridor-Messungen) unter Verwendung eines anderen HPGe-Detektors (Ortec GEM10P4-70-PL, koaxial, p-Typ-HPGe-Detektor, 56,4 mm Durchmesser, 29,2 mm Länge und 0,7 mm Ge/Li-Totschicht) mit einem relativen Wirkungsgrad von 14 % und einer Auflösung (FWHM) von 1,57 keV bei 1332,49 keV. Der HPGe-Detektor wurde mit flüssigem Stickstoff gekühlt (Ortec Möbius Recycler-System) und an einen digitalen Spektrumanalysator (Ortec DSPEC502) gekoppelt.

Alle Gammaspektren wurden mit der Software Gamma Vision 7.01.03 ausgewertet. Alle Halbwertszeiten, Gammaemissionsenergien und Photonenemissionswahrscheinlichkeiten wurden dem Decay Data Evaluation Project3 entnommen.

Die Konzentrationen stabiler Elemente im ersten Ziel wurden durch optische Emissionsspektroskopie mit induktiv gekoppeltem Plasma (ICP-OES) unter Verwendung eines Perkin-Elmer Optima 8000 gemessen. Das Instrument wurde unter Verwendung verschiedener NIST-rückführbarer Kalibrierungsstandards kalibriert, die in derselben Matrix wie das hergestellt wurden gemessene 88Zr-Probe. Zwischen den Messungen wurden einige Male Qualitätsprüfungen durchgeführt, wobei Proben mit 0,2 mg·L−1 Zr und Y verwendet wurden, die mit anderen Standards als denen, die zur Kalibrierung verwendet wurden, hergestellt wurden. Die folgenden Elemente wurden gemessen und Wellenlängen verwendet: Zr (339,197 nm), Ca (396,847 nm), Fe (259,939 nm), Ti (334,94 nm), Ta (240,063 nm), Y (371,029 nm), Al (396,153 nm). ). Die Daten wurden mit der ICP-Software WinLab32 ausgewertet.

Zwei Yttrium (Y)-Metalltargets wurden in einer Standard-Targetkapsel aus verschraubtem Aluminium (~1-mm-Fenster) eingekapselt, und das dritte Target war in einer Inconel-Kapsel (~0,5-mm-Fenster) eingekapselt. Alle Ziele wurden in der Niedrigenergie-Zielposition in der Isotope Production Facility (IPF)18 bestrahlt. Insgesamt wurden drei Bestrahlungen durchgeführt, die erste im Dezember 2020, die zweite im Juni 2021 und die dritte im August 2022. Ziel- und Bestrahlungsparameter sind in Tabelle 2 aufgeführt, einschließlich der gesamten empfangenen integrierten Ladung.

Der in Tabelle 2 gezeigte gesamte integrierte Strahlstrom ist eine Funktion des gesamten empfangenen Strahls über die Dauer der Bestrahlung. Beim zweiten bestrahlten Ziel war der Protonenstrahl für einige Zeit ausgeschaltet, was zu einer längeren Bestrahlungszeit führte, um den erforderlichen integrierten Strom von ~3000 µAh zu erreichen.

Das gewünschte Protonenenergiefenster wurde durch die Verwendung von zwei Aluminiumabbauern vor dem Y-Targetmaterial erreicht, um die durchschnittliche Protonenstrahlenergie auf die gewünschte Einfallsenergie von ~34 MeV auf das Y-Target zu reduzieren.

Nach der Bestrahlung wurden alle Ziele zur LANL-Radiochemieanlage transportiert und in der heißen Zelle zerlegt oder geöffnet. Die Y-Metallscheibe im zweiten Ziel war teilweise gesprungen. Alle Ziele wurden in ≈150 ml 6 mol·L−1 HCl durch langsame Zugabe von ≈10 ml-Portionen gelöst. In allen Fällen wurde die Bildung eines unlöslichen schwarzen Rückstands beobachtet und die erhaltenen Suspensionen wurden zunächst absetzen gelassen, dekantiert und dann unter Verwendung eines 0,45-µm-Membran-Cellulosenitratfilters filtriert. Das Filtrat und der Filter mit dem schwarzen Rückstand wurden mit einem HPGe-Detektor gemessen und es wurde festgestellt, dass die 88Zr- und 88Y-Zählraten des Filters im Vergleich zu den Zählraten des Filtrats deutlich niedriger sind (ca. 1 %). Ähnliche Beobachtungen und Schlussfolgerungen wurden von Holland und Mitarbeitern gemacht19. Der Filter mit dem schwarzen Rückstand wurde verworfen und ein kleiner Aliquot aus dem Filtrat entnommen und über HPGe gemessen.

Zwei Gramm Hydroxamatharz wurden in eine speziell angefertigte Polypropylensäule geladen: 1,5 cm Durchmesser, 11,5 cm Arbeitsbetthöhe, 30-µm-Polyethylenfilter mit 100-ml-Reservoir oben. Diese Säule wurde für die Schwerkraftchromatographie verwendet und die beladene Säule wurde zuerst mit Wasser und dann mit 2 mol·L−1 HCl gewaschen. Das Filtrat mit gelöstem Y-Metallziel wurde mit Wasser von 6 auf ≈2 mol·L−1 HCl verdünnt und die erhaltene Lösung wurde durch die Säule geleitet. Das Eluat wurde in 50-ml-Portionen gesammelt und jede Portion wurde mit einem HPGe-Detektor gemessen, um den 88Zr-Durchbruch zu kontrollieren. Nach der 88Zr-Beladung wurde die Säule mit etwa 50 ml 2 mol·L−1 HCl gewaschen, um mögliches Y zu entfernen. Anschließend wurde das 88Zr über drei 10 ml-Portionen von 1 mol·L−1 C2H2O4 eluiert.

Fast das gesamte 88Zr wurde über die ersten 10 ml 1 mol·L−1 C2H2O4 eluiert und diesem Eluat wurden 15 ml 15,5 mol·L−1 HNO3 zugesetzt, um Oxalsäure gemäß der Reaktion zu zersetzen20,21:

Dieser Vorgang wurde noch zweimal wiederholt, um eine vollständige Zersetzung der Oxalsäure sicherzustellen. Danach wurde 88Zr in 15,5 mol·L−1 HNO3 auf ca. 2 ml eingedampft und ca. 10 ml 6 mol·L−1 HCl zugegeben.

Die Matrix der 88Zr-Probe wurde durch Eindampfen der Probe auf etwa 2 ml und Zugabe von DCl in D2O von HCl zu DCl geändert. Die erhaltene Probe wurde erneut auf etwa 1 ml eingedampft, weitere 10 ml DCl in D2O wurden zugegeben und der Vorgang noch einmal wiederholt. Die endgültige 88Zr-Lösung von Target 2 wurde eingedampft, um 0,1041 g ≈2 mol·L−1 DCl in D2O zu erhalten. Die Zirkonium-88-Lösung von Target 3 wurde auch in ≈2 mol·L−1 DCl in D2O gelöst und es wurde die Bildung eines kaum sichtbaren Niederschlags beobachtet.

Schätzungen der erwarteten erzeugten Aktivitäten wurden berechnet, um das optimale Energiefenster, die Zieldicke und den erforderlichen integrierten Protonenstrom für die Produktion der erforderlichen Mengen an 88Zr zu bestimmen. Diese Schätzungen wurden rechnerisch unter Verwendung der bekannten IPF-Zielstation und der Y-Zielgeometrie, der herkömmlichen Bremskraftformeln und verfügbarer modellvorhersagender Querschnittsdaten durchgeführt. Die Formel zur Bestimmung der integrierten Reaktionsgeschwindigkeit eines Targets mit einer bestimmten Dicke x, aus der die gesamte erzeugte Aktivität über einen bekannten integralen Energiebereich und eine bekannte Bestrahlungszeit extrahiert werden kann, ist unten angegeben.

Dabei ist \(\rho /\frac{dE}{dx}\) der Kehrwert der Massenbremskraft, \({I}_{Beam}\) die Strahlintensität, N die Materialzahldichte und \ (\upsigma (\mathrm{E})\) ist der mikroskopische Querschnitt, der die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines bestimmten Isotops in einem bestimmten Zielmaterial bei einer bestimmten Protonenenergie beschreibt. Aus dieser Reaktionsgeschwindigkeit lässt sich eine Gesamtaktivität ermitteln.

Die stochastischen (Typ A) Unsicherheiten aller gammaspektrometrischen Messungen (1σ) lagen üblicherweise zwischen 3 und 4 %. Diese Unsicherheiten wurden mit den Unsicherheiten volumetrischer Messungen (innerhalb der heißen Zelle) kombiniert und auf die Unsicherheiten der EOB-Aktivitäten übertragen. HPGe-Messungen des Filtrats aus gelösten Y-Metall-Targets und des Filters mit dem schwarzen Rückstand zeigten, dass die Aktivität der Radionuklide im Rückstand etwa 1 % im Vergleich zu den Aktivitäten dieser Radionuklide im Filtrat beträgt. Diese Unsicherheiten wurden als systematisch (Typ B) eingestuft und die EOB-Aktivitäten aller Radionuklide wurden um 1 % erhöht, um den Aktivitätsverlusten im schwarzen Rückstand Rechnung zu tragen. Unsicherheiten bei der 88Zr-Elution (1σ) aus der Hydroxamatsäule wurden anhand von Duplikaten (zwei unabhängige Experimente mit Ziel 1 und 2) berechnet. Unsicherheiten bei ICP-OES-Messungen wurden anhand von zwei verschiedenen Aliquots derselben Probe berechnet.

Es gibt viele nukleare Wege zur Herstellung von 88Zr und umfassende Übersichten über gängige Produktionswege sind verfügbar22,23,24. Zu diesen Methoden gehört die Bestrahlung von natürlichem Mo-Metall, natürlichem monoisotopischem Nb-Metall, natürlichem Zr-Metall oder natürlichem Y (entweder in metallischer oder oxidischer Form). Einige andere, exotischere Methoden der 88Zr-Produktion umfassen die 88Zr-Gewinnung als Nebenprodukt aus bestrahlten Nb-Kapseln, die als Targethülle verwendet werden25,26 und die mögliche 88Zr-Gewinnung in der Facility for Rare Isotope Beams (FRIB)27. Angesichts der Protonenenergien und des großen 89Y(p,2n)88Zr-Produktionsquerschnitts von fast einer Scheune ist die Methode, mit der große Mengen an trägerfreiem 88Zr bei IPF hergestellt werden können, die Bestrahlung von natürlichem, monoisotopischem Yttrium in Metall oder Oxid bilden.

In der IPF-Targetstation wurde eine gestapelte Targetkonfiguration verwendet, die es dem Y-Targetmaterial ermöglichte, den Spitzenwert des 88Zr-Produktionsquerschnitts zu erfassen. Experimentelle Literaturdaten und Modellvorhersagen für die 89Y(p,2n)88Zr- und 89Y(p,x)88Y-Querschnitte sowie die Y-Zielenergiefenster, die mithilfe der IPF-Upstream-Target-Stack-Konfiguration und der Stoppleistungsberechnung vorhergesagt wurden, sind in Abb. 1a dargestellt. b bzw.

(a) Experimentelle Literaturdaten23,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 (Punkte) und vom Modell vorhergesagte TENDL 2019-Daten38 (gepunktete Linie) für den 89Y(p,2n)88Zr-Querschnitt und das vorhergesagte Y-Zielenergiefenster (grau). (b) Experimentelle Literaturdaten23,29,30,31,32,37 (Punkte) und vom Modell vorhergesagte TENDL 2019-Daten38 (gepunktete Linie) für den 89Y(p,x)88Y-Querschnitt und das vorhergesagte Y-Zielenergiefenster (grau) .

Wie in Abb. 1a gezeigt, besteht eine gute Übereinstimmung zwischen experimentellen23,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 und TENDL 2019-Daten38 für den 89Y(p,2n)88Zr-Querschnitt ist typisch für die (p,2n)-Reaktionen sowie für die (p,n)-Reaktionen wie 89Y(p,n)89Zr. Lediglich die Daten von Levkovski29 liegen im Energiebereich von 15–30 MeV etwa 100–200 MB höher. Levkovski29 verwendete hochangereicherte Targets, um protoneninduzierte Querschnittsdaten zu messen und Anregungsfunktionen für etwa 300 Reaktionen zu erhalten. Er nutzte die natMo(p,x)96Tc-Reaktion, um die Strahlintensität und den Querschnittswert von 250 mb bei 30 MeV für diese Reaktion zu überwachen. Später stellte sich heraus, dass fast alle von Levkovski29 erhaltenen Querschnittsdaten systematisch höher waren, was durch die Verwendung zu hoher natMo(p,x)96Tc-Monitorquerschnittsdaten39 erklärt wurde. Daher schlugen Takacs et al.39 und Qaim et al.40 vor, 0,8 bzw. 0,82 Korrekturfaktoren für die Levkovski-Daten zu verwenden29. Im Gegensatz dazu sind, wie in Abb. 1b gezeigt, fast alle experimentellen Daten für den 89Y(p,x)88Y-Wirkungsquerschnitt im Vergleich zu den TENDL 2019-Daten38 im Energiebereich von 25–35 MeV etwa 100 mb niedriger und nur Daten von Levkovski29 passen zu TENDL Daten für 201938 recht gut. Wie oben erläutert, unterliegen Levkovski-Querschnittsdaten29 systematischen Unsicherheiten und sollten um etwa 20 % reduziert werden.

Als Targetmaterial könnte entweder metallisches Yttrium oder Yttriumoxid gewählt werden. Bei gleichen Targetabmessungen und gleichem Energiefenster ist metallisches Y vorzuziehen, da mehr Y-Atome pro Targetflächeneinheit vorhanden sind und infolgedessen höhere integrale Ausbeuten an dicken Targets von 88Zr erzielt werden. Allerdings ist metallisches Y chemisch aggressiv und feine Partikel sind pyrophor, daher ist es schwierig, Y-Metalltargets durch Pulverkomprimierung herzustellen. Bulk-Y-Metall ist aufgrund der Passivierung seiner Oberfläche (Bildung von Y2O3) an der Luft stabil. Schließlich ist die Reinheit des anfänglichen Targetmaterials von größter Bedeutung, da selbst geringe Mengen stabiler Verunreinigungen im Target bei großem Wirkungsquerschnitt zu hohen Aktivitäten der gleichzeitig erzeugten Verunreinigungsradionuklide führen können. Yttriumoxid mit einer sehr hohen Reinheit (99,999 %) ist weit verbreitet, während die Verfügbarkeit von hochreinem Y-Metall begrenzt ist, da es chemisch aggressiv und schwer zu synthetisieren ist. Eine der Methoden zur Gewinnung von metallischem Y ist beispielsweise die Reduktion von YF3 in einem Tantaltiegel bei 1550 °C durch Ca-Metall in einer Argonatmosphäre. Das reduzierte Metall enthält normalerweise etwas Ca (≈0,02 Gew.-%), Ta (≈0,3). Gew.-%, Fe (≈0,05 Gew.-%), seltene Erden (≈0,1–0,2 Gew.-%) sowie einige nichtmetallische Verunreinigungen. Die weitere Reinigung des Y-Metalls umfasst dessen anschließendes Schmelzen im Vakuum und führt zur Y-Abtrennung von Ca, Ta und Fe (< 0,01–0,001 Gew.-%). Die Trennung von metallischem Y von einigen Seltenerdelementen und einigen nichtmetallischen Verunreinigungen (H, C, O, N) ist sehr schwierig41. Sowohl Y-Metall als auch Y2O3 können in relativ verdünnter HCl (≈2 mol·L−1) gelöst werden.

Wie bereits erwähnt, ist 89Zr ein vielversprechendes Immuno-PET-Radionuklid und daher wurde seine Produktion von vielen Autoren untersucht. Ähnlich wie bei 88Zr können große Mengen an 89Zr durch Bestrahlung von Y-Metall oder Y2O3 in einem Protonenstrahl erzeugt werden, jedoch bei niedrigeren Protonenenergien. Normalerweise wurden nur kleine Targets (1 g oder weniger) verwendet, um GBq (mCi)-Mengen von 88Zr oder 89Zr zu produzieren, und einige Autoren wählten Yttriummetall9,19,42,43,44,45,46,47,48,49 ( typischerweise auf Nb oder Cu gesputtert) oder gepresstes Yttriumoxid50,51,52 als Targetmaterial. Auch flüssige Yttriumnitrat-Targets wurden für die Produktion von 89Zr untersucht42.

In dieser Arbeit wurde metallisches Yttrium als Targetmaterial gewählt und dicke Yttriummetall-Sputtertargets (≈20 g) wurden in einem verschraubten Aluminium-Targethalter platziert oder in einer Inconel-Kapsel eingeschlossen und mit einem hochintensiven Protonenstrahl bestrahlt, um die Machbarkeit zu untersuchen der 88Zr-Produktion von Dutzenden bis Hunderten von GBq-Mengen.

Nach der Bestrahlung wurden die Targets zur LANL-Heißzellenanlage geliefert und man ließ kurzlebige radioaktive Verunreinigungen zerfallen. Alle Ziele (jeweils ca. 20 g) wurden in ca. 150 ml 6 mol·L−1 HCl durch langsame Zugabe von ca. 10 ml-Aliquoten gelöst und die Auflösung dauerte ca. 30 Minuten. Einige Autoren verwendeten weniger konzentrierte HCl, beispielsweise lösten Mejs et al.44 ein kleines bestrahltes Y-Metall-Sputtertarget auf einem Cu-Träger in 1 mol·L−1 HCl bei Raumtemperatur auf und fügten H2O2 hinzu, um eine vollständige Oxidation von Zr sicherzustellen. Andere Autoren verwendeten ebenfalls relativ verdünnte 1 mol·L−1 HCl, um kleine Y-Metalltargets aufzulösen43,47,48,49 und eine langsame Auflösung, gefolgt von einem Eindampfen zur Trockne und einer erneuten Auflösung in den gewünschten Medien. Queern et al.45 verwendeten konzentriertere 2 mol·L−1 HCl und 80 °C, um den Auflösungsprozess zu beschleunigen. Ein weiteres häufig verwendetes Verfahren wurde von Holland und Mitarbeitern19 entwickelt und umfasst das Auflösen des Y-Metallziels in 6 mol·L−1 HCl bei Raumtemperatur und die Zugabe von H2O242,46. Schließlich wird manchmal auch konzentrierte HCl (10 mol·L−1 oder mehr) verwendet, um Y-Metall- oder Y2O3-Ziele aufzulösen50,51, in diesem Fall wird 88Zr oder 89Zr mithilfe eines Anionenaustauscherharzes vom stabilen Y getrennt. In dieser Arbeit zeigten vorläufige Experimente mit dem stabilen Y-Metall, dass die optimale HCl-Konzentration für die Auflösung massiver (≈20 g) Y-Targets 6 mol·L−1 oder mehr beträgt. Niedrigere HCl-Konzentrationen (2–6 mol·L−1) können ebenfalls verwendet werden, aber in diesen Fällen dauert der Auflösungsprozess länger, während die Auflösung eines massiven Y-Metalltargets in 1 mol·L−1 HCl schwierig ist. Diese Ergebnisse stimmen hervorragend mit den Ergebnissen von Holland und Mitarbeitern überein19. Daher wurde in dieser Arbeit ein ähnliches, jedoch vergrößertes Auflösungsverfahren verwendet, mit der Ausnahme, dass kein Wasserstoffperoxid zugesetzt wurde.

Nach Auflösung aller Targets in 6 mol·L−1 HCl beobachteten wir die Bildung eines schwarzen unlöslichen Rückstands, der von der flüssigen Phase abgetrennt und über einen HPGe-Detektor gemessen wurde. Es wurde festgestellt, dass der Rückstand im Vergleich zur Menge an 88Zr und 88Y in der flüssigen Phase eine unbedeutende Menge an 88Zr und 88Y (≈1 %) enthält. Leider wird die Bildung unlöslicher Rückstände in der Literatur normalerweise nicht diskutiert und solche Beobachtungen wurden nur von wenigen Autoren berichtet. Beispielsweise berichteten Holland und Mitarbeiter19 über die Bildung eines schwarzen unlöslichen Rückstands, wenn ein bestrahltes Y-Metalltarget (0,33 g) in 2 ml 6 mol·L−1 HCl bei Raumtemperatur gelöst wurde. Die Autoren stellten die Hypothese auf, dass der schwarze Rückstand eine unlösliche Form von Yttriumchlorid ist, während wir annehmen, dass es sich um Yttriumhydrid (YHx, wobei x gleich 1, 2 oder 3 ist) handelt, das wahrscheinlich bei der Protonenbestrahlung von metallischem Yttrium entsteht. Yttriumhydrat ist eine schwarze Verbindung, die in wässrigen Medien unlöslich ist. Basierend auf den Ergebnissen dieser Arbeit sind wir zu dem Schluss gekommen, dass dieser Rückstand fast kein Zr enthält, und diese Schlussfolgerung stimmt gut mit den Ergebnissen von Holland et al.19 überein. Dieser schwarze Rückstand wurde verworfen und ein kleiner Aliquot aus dem Filtrat entnommen und über HPGe gemessen. Die Aktivitäten aller Radionuklide wurden mit einem HPGe-Detektor nach 86 Tagen (Ziel 1), 10,42 Tagen (Ziel 2) und 6,21 Tagen (Ziel) 3 Abkühlung gemessen, bis zum Ende des Bombardements (EOB) zurückgerechnet und um den Verdünnungsfaktor korrigiert des Aliquots und verglichen mit den Ausbeuten, die anhand der vom TENDL 2019-Modell vorhergesagten Querschnittsdaten38 (Tabelle 3) geschätzt wurden, mit Ausnahme von 87Y, das zum Messdatum und zur Messzeit angezeigt wird.

Wie in Tabelle 3 gezeigt, wurden am EOB aus dem ersten, zweiten und dritten Ziel 7,9(3) GBq, 22(1) GBq und 181(6) GBq 88Zr produziert. Die EOB-Aktivität von 88Zr betrug 95 % des vorhergesagten Wertes für das erste Ziel, 76 % für das zweite Ziel und 102 % für das dritte Ziel. Die EOB-Aktivitäten von 89Zr im zweiten und dritten Ziel betrugen 95 % bzw. 109 % des vorhergesagten Wertes. Zirkonium-89 wurde im ersten Zieltest aufgrund der langen Abkühlzeit (86 Tage) nicht nachgewiesen. Die gemessenen EOB-Aktivitäten von 88Zr und 89Zr stimmen erwartungsgemäß gut mit den vorhergesagten Werten überein.

Die signifikante Aktivität von 88Y in der Probe des ersten Targets (90 kBq, Tabelle 3) ist das Ergebnis langer Abkühlzeiten und des Zerfalls von 88Zr in 88Y. Die gemessenen Aktivitäten von 88Y, zurückgerechnet auf EOB im ersten, zweiten und dritten Ziel, wurden um den 88Zr-Zerfall korrigiert (Tabelle 3) und betragen nur 66 %, 51 % bzw. 74 % der vorhergesagten Werte. Diese Diskrepanz kann dadurch erklärt werden, dass die für Schätzungen verwendeten TENDL 2019 89Y(p,x)88Y-Querschnittsdaten38 deutlich höher sind als die experimentellen Daten im verwendeten Energiefenster (Abb. 1b).

Ein weiteres Yttriumisotop, 87Y, wurde auch im zweiten und dritten Zieltest gemessen (Tabelle 3). Angesichts der langen Zerfallsperiode des ersten Ziels vor der Verarbeitung und Aktivitätsquantifizierung war dieses Isotop vor dem Test vollständig zerfallen und daher liegen keine Daten zu diesem Isotop für Ziel 1 vor. Ähnlich wie 88Y wird auch 87Y direkt im erzeugt Protonenstrahl und aus dem Zerfall der Ausgangsradionuklide – 87Zr und 87mY. Auch beide Ausgangsradionuklide werden direkt produziert. Die Aktivitäten von 87Zr und 87mY in den gemessenen Proben lagen unter der Nachweisgrenze, da beide im Verhältnis zur gesamten Abklingzeit vor der Messung kurzlebig sind (87Zr t1/2 = 1,68 h, 87mY t1/2 = 13,37 h). Daher wurden die in Tabelle 3 dargestellten gemessenen 87Y-Aktivitäten nicht auf EOB zurückgerechnet und spiegeln nur die Aktivität zum Zeitpunkt der Messung wider, einschließlich des Zerfalls von direkt erzeugtem 87Y und der Zufuhr von 87Y über den Zerfall von 87Zr und 87mY. Die vorhergesagten Aktivitäten von 87Y wurden berechnet, indem die am EOB produzierte Menge an 87Y und der Zerfall sowie das anschließende Einwachsen aufgrund des Zerfalls von 87Zr und 87mY zum Datum und zur Uhrzeit der Messungen addiert wurden. Wie in Tabelle 3 gezeigt, liegt die gemessene Aktivität von 87Y 18 % bzw. 45 % von den vorhergesagten Aktivitäten von Ziel 2 bzw. 3 entfernt. Da sich das Energiefenster in den Zielen an der Schwelle für die 87Y- und Elternreaktionen befand, könnten Unsicherheiten beim Protonenenergieverlust und -streugleis sowie bei den TENDL-Querschnitten und Querschnittsenergieschwellen zu den Diskrepanzen beitragen.

Das Vorhandensein von Vanadium-48 (t1/2 = 15,97 Tage) ist höchstwahrscheinlich das Ergebnis der 48Ti(p,n)48 V-Reaktion. Titan-48 ist das am häufigsten vorkommende (73,7 %) natürliche Titanisotop und war wahrscheinlich im Y-Metallziel als Verunreinigung vorhanden. Ähnliche Ergebnisse wurden von Meijs und Mitarbeitern44 erzielt, die ein Y-Metall-Sputtertarget mit einem Protonenstrahl (1 h, 100 µA) bestrahlten, um 4,8 GBq 89Zr zu erzeugen. Sie maßen 56Co, 65Zn und 48 V im gelösten Y-Metalltarget. Das Vorhandensein von 48V (t1/2 = 15,97 Tage) und 56Co (t1/2 = 77,24 Tage) wurde auch durch die (p,n)-Reaktion auf natürliche Fe- bzw. Ti-Zielverunreinigungen erklärt und durch p-induziertes X bestätigt -Strahlungsemissionsspektrometrie des Targetmaterials.

Es gibt viele verschiedene Methoden, mit denen kleine Mengen (GBq oder mCi oder ≈10–5 mol·L−1) 88Zr oder 89Zr aus Yttrium-Grammmengen abgetrennt werden können. Aufgrund des grundlegenden Unterschieds zwischen Zr4+- und Y3+-Ionen und ihrem Verhalten in wässrigen Lösungen stehen viele Trennmethoden zur Verfügung. Laut Shannon53 betragen die effektiven Ionenradien von Zr4+ und Y3+ in achtfacher Koordination 0,84 Å bzw. 1,019 Å. Im Allgemeinen ähnelt die wässrige Lösungschemie von Y der Lösungschemie schwerer Lanthanoide, während die Lösungschemie von Zr der von Hf ähnelt und aufgrund der hohen Ladung und des kleinen Ionenradius komplex ist. Selbst bei Spurenkonzentrationen (10–9 bis 10–11 mol·L−1) wird Zr4+ in wässrigen Medien leicht hydrolysiert und komplexiert und neigt selbst in sauren HCl-Medien (≈ pH < 1,5) zur Bildung verschiedener Polymerspezies und Kolloide. Die wässrige Chemie von Zr4+ wird durch die langsame Polymerisationskinetik zusätzlich erschwert. Die Hydrolyse von Zr wurde von vielen Autoren untersucht und eine umfassende Übersicht ist verfügbar54. Laut der Übersicht54 kann Zr4+ verschiedene Monomer- und Polymerspezies bilden und die experimentellen Daten zeigen, dass Zr4+ bei H+-Konzentrationen von 0,1 mol·L−1 in NaClO4-Medien relativ langsam zu hydrolysieren beginnt. Daher wurde der Schluss gezogen, dass eine HCl-Konzentration von ≈2 mol·L−1 ausreicht, um eine Zr4+-Polymerisation zu vermeiden und es größtenteils als freies Zr4+-Ion oder als Zirkoniumchloridkomplex zu erhalten.

Zu den Methoden zur Trennung von Spurenmengen an Zr und Grammmengen an Y gehören:

Extraktionschromatographie von Zr über Harze auf Hydroxamatbasis oder andere Harze

Anionenaustauschchromatographie von Zr

Kationenaustauschchromatographie von Zr

Eine Literaturübersicht früherer Bemühungen zeigt, dass die Trennung kleiner Mengen 89Zr oder 88Zr von Gramm Y mittels Extraktionschromatographie mit dem Harz auf Hydroxamatbasis die am weitesten verbreitete Methode ist5,19,44,45,47,49. Die Trennmethode wurde von Mejs et al.44 entwickelt und von Verel et al.49 und Holland et al.19 detaillierter untersucht und basiert auf der Fähigkeit von Zr4+, starke Komplexe mit Hydroxamaten über einen weiten Bereich von HCl und HNO3 zu bilden Konzentrationen. Das Verfahren führt zu einem hochreinen 89Zr in radiopharmazeutischer Qualität. Die Stabilitätskonstanten wässriger Zr-Komplexe mit verschiedenen Hydroxamatliganden sind sehr hoch (log10(β0) ≈ 40)55,56. Spurenmengen von Zr4+ werden in HCl- oder HNO3-Medien sehr effizient auf dem Hydroxamatharz zurückgehalten (D-Werte liegen zwischen 104 und 105), während die Affinität von Y3+ begrenzt ist (D-Werte liegen zwischen 1 und 10)44. Wie im Target-Teil dieser Arbeit erläutert, könnten typische Verunreinigungen im Y-Metall-Target andere Seltenerdmetalle umfassen. Es wird erwartet, dass die Affinität von Lanthanoiden und Sc zu funktionellen Hydroxamatgruppen der von Y ähnelt und daher die Methode auch zur Trennung von Zr von anderen Seltenerdmetallen verwendet werden kann. Weitere mögliche Verunreinigungen im Y-Metall sind Ca, Fe und Ta. Titan könnte ebenfalls vorhanden sein, wie in dieser und anderen Arbeiten gezeigt wurde44 (48V wurde gemessen und über eine (p,n)-Reaktion auf natürlichem 48Ti erzeugt). Es wird erwartet, dass die Affinität von Ca zu Hydroxamatharz über den gesamten Bereich der HCl-Konzentrationen begrenzt ist und die Retention von Fe auf 1 bis 6 mol·L−1 begrenzt ist. Die D-Werte einiger vier- und fünfwertiger Metalle, einschließlich Ti und Ta, auf Harz auf Hydroxamatbasis sind über einen weiten Bereich von HCl-Konzentrationen sehr hoch57 und diese Elemente folgen Zr im Trennverfahren. Die Elution von Zr aus Hydroxamatharz kann mit verschiedenen Chelatbildnern durchgeführt werden, in der Regel wird jedoch Oxalsäure verwendet, da 89Zr-Oxalsäureeluat direkt zur schnellen und effizienten Markierung monoklonaler Antikörper verwendet werden kann49. Die Affinität von Zirkonium zu funktionellen Hydroxamatgruppen ist sehr hoch und üblicherweise werden ≈10 ml 1 mol·L−1 Oxalsäure (nahe der Sättigung) zur Elution verwendet. Der dezimale Logarithmus der Stabilitätskonstante des vorherrschenden [Zr(C2O4)4]4−-Komplexes bei einer Ionenstärke von Null (log10 β0) beträgt 29,758, während die Stabilität von Ti und einigen anderen Elementen geringer ist und ein gewisser Grad der Trennung von Zr vorliegen kann erreicht. Harz auf Hydroxamatbasis kann leicht synthetisiert werden, indem ein schwaches Kationenaustauscherharz mit Hydroxamatgruppen unter Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens19 funktionalisiert wird, und ist im Handel erhältlich. Andere Extraktionschromatographieharze (TEVA-, UTEVA-, TRU- und LN-Harze) können ebenfalls verwendet werden, um 89Zr von bestrahlten Y-Targets zu trennen51.

Eine weitere weit verbreitete Methode zur Trennung von Spuren von Zr aus der Masse von Y ist die Anionenaustauschchromatographie9,50,59 und starke Anionenaustauscherharze auf Basis quartärer funktioneller Ammoniumgruppen sind gut etabliert. Die Methode basiert auf der Bildung von ZrCl5−- und ZrCl62−-Komplexen bei HCl-Konzentrationen von 8 mol·L−1 oder höher, während Yttrium in HCl-Medien keine negativ geladenen Komplexe bildet. Die Methode weist eine ähnliche Selektivität wie die Hydroxamat-Methode auf, da in konzentrierter HCl normalerweise nur vier- oder fünfwertige Metalle negativ geladene Komplexe bilden. Viele Anionenaustauscherharze sind im Handel erhältlich und O'Hara und Mitarbeiter59 bewerteten die Leistung von drei verschiedenen Anionenaustauscherharzen für die Isolierung von 89Zr: AG 1-X10, AG MP-1 M und Toyopearl QAE-550C. Alle drei Harze basieren auf quartärem Ammonium. Die Autoren empfehlen die Verwendung von AG MP-1 M aufgrund seiner erhöhten Fähigkeit, 89Zr aus Lösungen mit hohen gelösten Y-Konzentrationen zurückzuhalten. Die Elution von 89Zr aus einer Anionenaustauschersäule kann mit reinem HCl mit Konzentrationen von 6 mol·L−1 oder weniger sowie einigen anderen Mineralsäuren durchgeführt werden, aber die Zugabe von etwas F- zur HCl verbessert die Zr-Elutionsprofile und seine Elutionsselektivität . Dies ist wahrscheinlich auf die Bildung gemischter Zr-Komplexe mit Cl− und F− zurückzuführen. Im Allgemeinen kann eine selektive Elution von Zr aus einer Anionenaustauschsäule durchgeführt und eine Trennung vieler anderer Elemente (z. B. Nb, Ta, W, Mo)60 erreicht werden.

Starke Kationenaustauscherharze können auch verwendet werden, um Zr durch selektive Zr-Elution von vielen Elementen, einschließlich Hf, zu trennen. Diese Methode wurde von einigen Autoren43,50 zur Trennung von 88Zr und 89Zr aus bestrahlten Y-Metall- und Y2O3-Targets verwendet. Nach unserem besten Wissen wurde die Trennung von 88Zr oder 89Zr von bestrahlten Y-Targets unter Verwendung strahlungsbeständiger anorganischer Sorbentien (Al2O3, TiO2 usw.) noch nicht entwickelt.

In dieser Arbeit wurde Hydroxamatharz für die Abtrennung von 88Zr ausgewählt und die Methode skaliert, um Dutzende bis Hunderte GBq-Mengen an 88Zr (≈10–5 mol·L−1) aus ca. 20 g bestrahlten Y-Metalltargets abzutrennen. Die Y-Targets wurden in 150 ml 6 mol·L–1 HCl gelöst und anschließend mit Wasser auf 450 ml verdünnt, um eine Endkonzentration von 2 mol·L–1 zu erreichen. Die Ziellösung enthielt GBq-Mengen an 88Zr sowie andere gleichzeitig produzierte Radionuklide. Diese Lösung wurde auf die speziell angefertigte, mit 2 g Hydroxamatharz gefüllte Säule geladen und zunächst mit Wasser und dann mit 2 mol·L−1 HCl vorgewaschen. Dieses Eluat wurde in 50-ml-Portionen gesammelt und mit einem HPGe-Detektor gemessen. Die Haupt-Gammaemission von 88Zr (392,1 keV) war in diesen Spektren nicht vorhanden, was bedeutet, dass kein 88Zr-Durchbruch auftrat und mehr als 99 % des 88Zr geladen waren. Danach wurde die Säule mit ca. 50 ml 2 mol·L−1 HCl gewaschen, um mögliche Y-Reste zu entfernen. Zirkonium-88 wurde über drei 10-ml-Portionen von 1 mol·L−1 C2H2O4 eluiert und sein Elutionsprofil ist in Abb. 2 dargestellt.

Elutionsprofil für 88Zr auf einer Hydroxamatsäule (2 g). Fehlerbalken entsprechen einer aus Duplikaten berechneten 1σ-Standardabweichung.

Wie oben gezeigt, wurden 94(5) % des 88Zr in der ersten Portion von 10 ml 1 mol·L−1 C2H2O4 eluiert, während die zweite und dritte 10-ml-Elution zu einer Elution von 6(5) % und 0,1(1) führte ) % Elution von 88Zr. Ähnliche 89Zr-Elutionsausbeuten aus Hydroxamatsäulen wurden bereits früher berichtet45,49. Für weitere Experimente wurde nur die erste Elution verwendet und die zweite und dritte Elution wurden verworfen. Im gemessenen Spektrum waren nur Gammaemissionen von 88Zr, 89Zr und schwache Gammaemissionen von eingewachsenem 88Y vorhanden, was bedeutet, dass 88Zr effizient von stabilem Y sowie der 48V-Verunreinigung mit Trennfaktoren von mehr als 300 getrennt wurde.

Bei der ersten Elution (10 ml 1 mol·L−1 C2H2O4 mit 94(5) % 88Zr) wurde die Oxalsäure durch Zugabe von 15 ml 15,5 mol·L−1 HNO320,21 zersetzt:

Dieser Vorgang wurde noch zweimal wiederholt, dann wurde die Probe erneut eingedampft und ≈10 ml 6 mol·L−1 HCl hinzugefügt. Diese Probe wurde verdünnt und mittels ICP-OES gemessen. Die Ergebnisse der ICP-OES-Messungen sind in Tabelle 4 aufgeführt.

Wie in Tabelle 4 gezeigt, wurde Ca in der 88Zr-Probe gemessen. Höchstwahrscheinlich war Ca in den verwendeten Mineralsäuren (HCl und HNO3) vorhanden und wurde bei vielen Eindampfungen konzentriert. Die Konzentration des gemessenen Zr war aufgrund der erheblichen Verdünnung des Aliquots einer hochradioaktiven 88Zr-Probe recht niedrig. Vorversuche mit dem stabilen, kalten Zr ohne Zusatz von Radiotracern erforderten keine Verdünnungen oder Eindampfungen und die gemessene Ca-Konzentration lag unter der Nachweisgrenze (≈5 µg·L−1), es wurde jedoch eine gewisse Menge an stabilem Y nachgewiesen. Der Nachweis von Y zeigte, dass zusätzliche Säulenwäschen mit 2 mol·L−1 HCl erforderlich sind, um das gesamte Y vollständig zu entfernen. Stabile Ca-Isotope und stabiles Monoisotop 89Y sind für Neutronen nahezu transparent und daher würde die Anwesenheit dieser Elemente die Neutronentransmissionsmessungen nicht beeinträchtigen . Die in dieser Arbeit erhaltenen Ergebnisse können mit den Ergebnissen von Queern und Mitarbeitern45 verglichen werden, die ICP-MS zur Messung stabiler Verunreinigungen in der 89Zr-Probe verwendeten, die durch Bestrahlung verschiedener Y-Metalltargets hergestellt wurde, und auch einige stabile Y zusammen detektierten mit Zr, Al und Fe.

Kürzlich wurde bei LANSCE ein neues Instrument für Neutronentransmissionsmessungen entworfen und in Betrieb genommen. Dieses Instrument (DICER) wurde zur Untersuchung von Gesamtneutronen- und Einfangquerschnitten entwickelt und eignet sich besonders zur Messung von Gesamtneutronenquerschnitten hochradioaktiver Proben wie 88Zr, wie bereits erwähnt.

Angesichts des extrem großen thermischen Einfangquerschnitts von 88Zr von 8,61·105 b9 bestand das Hauptziel des DICER-Experiments darin, die Resonanz zu quantifizieren, die vermutlich für einen so großen Wirkungsquerschnitt verantwortlich ist. In Anbetracht des großen Neutroneneinfangquerschnitts und des kleinen Neutronenstrahls mit 1 mm Durchmesser, der an der Probenposition verfügbar ist, wurde geschätzt, dass nur eine kleine Menge (~1,4 µg) 88Zr benötigt wird. Simulationen mit dem R-Matrix-Code SAMMY61 zeigten, dass diese Menge an 88Zr ausreichen sollte, um die Parameter der Resonanz, die für den großen thermischen Wirkungsquerschnitt verantwortlich ist, genau zu bestimmen.

Um den gesamten Neutronenquerschnitt für das interessierende Nuklid (z. B. 88Zr) zu erhalten, sind zwei Transmissionsmessungen erforderlich: Probeneinlass und Probenauslass. Dann ist das Verhältnis dieser beiden Messungen, normiert auf den Neutronenfluss in jeder Messung, die Transmission für das interessierende Nuklid, aus der der gesamte Neutronenquerschnitt berechnet werden kann. Im vorliegenden Fall enthält die Probe für die Probe-in-Messung 88Zr selbst, die Probenmatrix und alle „Fenster“, die zur Aufnahme der Probe dienen und durch die der Neutronenstrahl hindurchtreten muss. Die Probe für die Probe-Out-Messung enthält dann mit Ausnahme des 88Zr die gleichen Materialien wie die Probe-In. Daher können die Probenmatrix und die „Fenster“ aus vielen Materialien hergestellt werden, vorausgesetzt, sie absorbieren oder streuen nicht so viele Neutronen, dass die Messung zu lange dauert.

Die Probe muss außerdem einheitlich sein, um sicherzustellen, dass die extrahierten Resonanzparameter genau sind. Eine gleichmäßige Atomverteilung kann in gasförmiger, flüssiger und fester Form erreicht werden. Experimentelle Arbeiten mit flüchtigen radioaktiven Verbindungen erfordern jedoch enorme Strahlenschutzvorkehrungen. Die chemische Synthese einfacher anorganischer fester Zr-Verbindungen führt normalerweise zu Pulver, und auch experimentelle Arbeiten mit radioaktivem Pulver sind eine Herausforderung. Darüber hinaus ist es schwierig, den Versuchsbehälter mit radioaktivem 88Zr-Pulver zu füllen und dieses Pulver in diesen Behälter zu packen, um eine gleichmäßige Verteilung zu erreichen. Um eine gleichmäßige Verteilung der 88Zr-Atome in fester Form zu erreichen, müssen spezielle Techniken eingesetzt werden, z. B. Galvanisieren, Spritzdrucken oder andere. Metallionen unterliegen in Lösung verschiedenen Wechselwirkungen, einschließlich elektrostatischer Wechselwirkungen, und sind in der flüssigen Form normalerweise als geladene Ionen oder Komplexe gleichmäßig verteilt. Darüber hinaus ist der Umgang mit hochradioaktiven Flüssigkeiten aus strahlenschutztechnischer Sicht einfacher. Die erforderliche Menge an 88Zr war klein genug (~1,4 µg), dass es möglich war, es in flüssigem Lösungsmittel innerhalb des verfügbaren Volumens (~10 µL Probe, vorausgesetzt ein Probenbehälter mit 1,2 mm Durchmesser und 1 cm Länge) aufzulösen. Dieser Ansatz sollte eine gleichmäßige Probe gewährleisten und das Laden des Materials in einen geeigneten kleinen Behälter, beispielsweise über eine µL-Spritze, erheblich erleichtern. Daher ist eine flüssige 88Zr-Probe die am besten geeignete Form für Neutronentransmissionsmessungen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es einige wichtige Anforderungen an die 88Zr-Probe gibt, die für Neutronentransmissionsmessungen bei DICER vorbereitet wird:

Eine ausreichende Menge an 88Zr zur genauen Bestimmung der Parameter der Resonanz, die für den großen thermischen Wirkungsquerschnitt verantwortlich sind

Neutronentransparente Probenmatrix und Minimierung von Neutronenstreuern wie Wasserstoff

Gleichmäßige Verteilung der 88Zr-Atome in der Probenmatrix und im Behälter

Die Probe sollte mit dem Formfaktor von DICER kompatibel sein (1,2 mm Durchmesser, 1 cm Länge).

Zum Auflösen und Vorbereiten von ca. 1,4 µg 88Zr-Probe können verschiedene Lösungsmittel verwendet werden. Da Wasserstoff bei niedrigen Energien einen relativ großen gesamten Neutronenquerschnitt hat62, sollten Lösungsmittel, die ihn enthalten, vermieden werden. Im Gegensatz dazu beträgt der gesamte Neutronenquerschnitt für Deuterium bei diesen Energien nur etwa 1/7 des Neutronenquerschnitts von Wasserstoff, sodass deuterierte Lösungsmittel akzeptabel sind. Beispielsweise beträgt die Neutronentransmission bei thermischer Energie für eine Wasserprobe mit einem Volumen von 10 µL und einem Durchmesser von 1,2 mm nur etwa 17 %, während sie für deuteriertes Wasser mit den gleichen Abmessungen etwa 78 % beträgt. Tetrachlorkohlenstoff ist das häufigste organische Lösungsmittel, das keine H-Atome enthält und im vorliegenden Fall auch eine akzeptabel hohe Neutronentransmission aufweist. Es handelt sich um ein unpolares Lösungsmittel, das bei Raumtemperatur flüssig und nicht brennbar ist. Es kann nicht allein verwendet werden, um ausreichend 88Zr (1,4 µg in 10 µL) aufzulösen, kann aber als Verdünnungsmittel im Lösungsmittelextraktionssystem verwendet werden. Dies bedeutet, dass verschiedene organische Moleküle (Extraktionsmittel) in CCl4 gelöst werden können und dieses Extraktionssystem verwendet werden kann, um 88Zr aus der wässrigen Phase in die CCl4-Phase zu extrahieren. Die meisten Extraktionsmittel sind organische Moleküle, das heißt, sie enthalten auch H-Atome, ihre Konzentration kann jedoch relativ niedrig gehalten werden (z. B. 0,1 mol·L−1). Eine umfassende Übersicht über die Lösungsmittelextraktionssysteme für die Zr-Extraktion ist verfügbar63 und zeigt, dass viele Extraktionsmittel Zr aus wässrigen Nitrat- oder Chloridmedien in CCl4 extrahieren können. In dieser Arbeit wurden zwei gängige Lösungsmittelextraktionssysteme ausgewählt und verglichen: Tributylphosphat (TBP) in CCl4 und 2-Thenoyltrifluoraceton (TTA) in CCl4.

2-Thenoyltrifluoraceton (TTA) ist ein Dicarbonylmolekül (C8H5F3O2S), das zur Extraktion verschiedener Metallionen, einschließlich Zr, verwendet werden kann. Ein Zirkoniumion verbindet sich mit der Enolform von TTA. Tributylphosphat (TBP) ist ein Ester der Phosphorsäure mit n-Butanol (PO(C4H9O)3) und wird häufig in der Lösungsmittelextraktion verwendet, insbesondere zur Extraktion von Lanthaniden und Actiniden aus wässrigen Nitratmedien. Sowohl TTA- als auch TBP-Moleküle enthalten H-Atome und wie bereits erwähnt, haben H-Atome einen hohen Gesamtneutronenquerschnitt und begrenzen die Neutronenübertragung. Daher ist es wichtig, die Anzahl der H- und anderen Atome in jedem Extraktionssystem zu berechnen und anschließend die Neutronenübertragung durch die Probe zu bewerten.

Die Lösungsmittelextraktion von Zr aus Nitratmedien in eine organische Phase, die TTA (C8H5F3O2S) als Extraktionsmittel und Tetrachlorkohlenstoff (CCl4) als Verdünnungsmittel enthielt, wurde von El-Hefny und Mitarbeitern untersucht64 und es wurde gezeigt, dass die Extraktion von Zr aus wässrigen Nitratmedien erfolgt über den folgenden Ionenaustauschmechanismus:

Die Kombination der Extraktionsgleichgewichtskonstante (Kex) für die obige Reaktion und des Zr-Verteilungsverhältnisses (D) ergibt:

Die Extraktionsgleichgewichtskonstante für die obige Reaktion beträgt 99,73 und ≈1 mol·L−1 ist die optimale HNO3-Konzentration für die Zr-Extraktion64.

TBP extrahiert den Zirkoniumnitratkomplex über einen Solvatisierungsmechanismus65:

Der D-Wert für diese Reaktion ist gleich:

Wie in der obigen Gleichung gezeigt, hängen der D-Wert und die Menge des extrahierten Zr maßgeblich von der Konzentration von TBP und HNO3 ab. Laut Literatur65 beträgt Kex für die obige Reaktion 0,016 bei ≈5 mol·L−1 HNO3.

Laut Definition beträgt der Extraktionsprozentsatz:

Die in CCl4 extrahierte Zr-Menge als Funktion der TTA- oder TBP-Konzentration in CCl4 kann durch Einsetzen des Extraktionsprozentsatzes in D-Werte berechnet werden und ist in Abb. 3 dargestellt.

In CCl4 extrahierte Zr-Menge als Funktion der TTA- oder TBP-Konzentration in CCl4 aus 1 mol·L−1 HNO3 (TTA) und 5 mol·L−1 HNO3 (TBP).

Wie in Abb. 3 gezeigt, führen 0,3 mol·L−1 TTA zu 95,6 % des aus 1 mol·L−1 HNO3 in CCl4 extrahierten Zr, während die gleiche TBP-Konzentration nur 47,4 % des aus 5 mol·L−1 HNO3 extrahierten Zr ergibt. L−1 HNO3 in CCl4 umwandeln. Darüber hinaus enthält ein TTA-Molekül nur fünf H-Atome und ein TBP-Molekül enthält siebenundzwanzig H-Atome. Daraus kann geschlossen werden, dass eine mit TTA im CCl4-System hergestellte 88Zr-Probe weniger H-Atome enthält und eine höhere Neutronendurchlässigkeit aufweist.

Die gemessene Neutronentransmission durch ein leeres NatZr-Target, das mit TTA im CCl4-Lösungsmittelextraktionssystem und in Pb-Fenstern hergestellt wurde, wird mit der erwarteten Transmission unter Verwendung der zuletzt ausgewerteten Wirkungsquerschnitte62 in Abb. 4 verglichen.

Gemessene DICER- und ENDF-Neutronentransmission durch TTA/CCl4-natZr-Target: 8 µL CCl4-Probe mit 0,3 mol·L−1 TTA mit 1,4 µg NatZr- und Pb-Fenstern. Fehlerbalken entsprechen 1σ.

Wie in Abb. 4 dargestellt, ist die Neutronentransmission durch das leere NatZr-Target, das mit TTA in einem CCl4-Lösungsmittelextraktionssystem und Pb-Fenstern hergestellt wurde, im gezeigten Energiebereich akzeptabel hoch und die experimentellen DICER-Daten stimmen gut mit der Evaluated Nuclear Data File (ENDF) überein ). Somit zeigt Abb. 4, dass die TTA/CCl4-Blindprobe aus natZr wie erwartet funktionierte und dass die Neutronentransmission durch diese Probe hoch genug ist, um die erwartete Dämpfung bei der 88Zr-Probe zu beobachten. Die Transmissionsmessungen wurden mit einem Cadmiumfilter im Strahl durchgeführt, der Neutronen unter etwa 0,3 eV eliminiert. Daher waren Messungen bei thermischer Energie (0,0253 eV) nicht möglich. Allerdings ist die mit der neuesten Auswertung berechnete Transmission bei thermischer Energie geringer als gewünscht, was darauf hindeutet, dass die alternative Schwerwassermatrix für das 88Zr-Experiment bevorzugt wird.

Schweres Wasser (D2O) ist ein weiteres wasserstofffreies Lösungsmittel, das zur Herstellung eines 88Zr-Targets verwendet werden kann, und verschiedene Deuteriumverbindungen, darunter D2O und einige mineralische Deuteriumsäuren (z. B. DCl, DNO3), mit Deuterierungsgraden von bis zu 99,95 % sind im Handel erhältlich . Zur Herstellung des Ziels kann reines schweres Wasser verwendet werden, aber wie oben erläutert, wird Zr4+ in wässrigen Medien leicht hydrolysiert und polymerisiert, und ein ähnliches Verhalten ist in reinem schwerem Wasser bei neutralem pH-Wert zu erwarten. Die Bildung polymerer Zr-Spezies oder die Sorption von Zr könnte zu einer ungleichmäßigen Verteilung der Zr-Atome im Target führen und die Neutronentransmissionsmessungen beeinträchtigen. Daher sollte das 88Zr-Target mit deuteriumbasierter Säure in D2O hergestellt werden. Als potenzielles Lösungsmittel für die 88Zr-Targetpräparation wurde eine DCl-Konzentration von 2 mol·L−1 in D2O ausgewählt. Die Neutronenübertragung durch das leere NatZr-Target, das unter Verwendung von 2 mol·L−1 DCl in D2O (mit 99,95 % D-Atomen) und Pb-Fenstern hergestellt wurde, ist in Abb. 5 dargestellt.

Gemessene DICER- und ENDF-Neutronentransmission durch DCl/D2O-NatZr-Target: 8 µL 2 mol·L−1 DCl in D2O (mit 99,95 % D-Atomen) und 1,4 µg NatZr- und Pb-Fenster. Fehlerbalken entsprechen 1σ.

Gemäß Abb. 5 ist die Neutronentransmission durch das mit 2 mol·L−1 DCl in D2O hergestellte NatZr-Target ausreichend hoch und etwa 35 % des Neutronenflusses werden von der Probenmatrix absorbiert (2 mol·L−1 DCl in D2O). und Pb-Fenster. Somit ist 2 mol·L−1 DCl in D2O eine geeignete Matrix für das 88Zr-Target für Neutronentransmissionsmessungen am DICER. Die vier in Abb. 5 gezeigten Resonanzen sind auf 2,6 % (Gewichtsprozent) Sb-Verunreinigungen in den Pb-Fenstern zurückzuführen.

Allerdings ist eine Deuterierung von 99,95 % recht hoch und Deuteriumproben mit einer so hohen Reinheit sollten vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre aufbewahrt werden, da H-Atome aus der Luftfeuchtigkeit mit den D-Atomen in solchen Proben ausgetauscht werden können und diese verunreinigen. Der Kurs dieses Wechselkurses ist schwer zu berechnen. Leider kann in den heißen Zellen, die für die 88Zr-Targetpräparation verwendet werden, keine inerte Atmosphäre erzeugt werden. Daher ist die Herstellung und Messung von Leerproben mit natürlichem Zr die vernünftigste Methode, um zu überprüfen, ob der H-Austausch zu einer erheblichen H-Kontamination von DCl/D2O-Proben führen könnte.

Aus chemischer Sicht ist die Herstellung eines 2 mol·L−1 DCl 88Zr-Targets einfacher als die Herstellung einer TTA/CCl4-Probe.

Für die Durchführung von Neutronentransmissionsmessungen bei DICER muss ein spezieller Behälter für die 88Zr-Probe entworfen und hergestellt werden. Die Dose sollte folgende Anforderungen erfüllen:

Jedes Material, das sich im Strahl befindet, sollte möglichst neutronendurchlässig sein

Seine Geometrie sollte mit dem binokularen Kollimator von DICER kompatibel sein

Die Zirkonium-88-Probe im Inneren der Dose (1,2 mm Durchmesser und 1 cm Länge) sollte in einen an der Probenposition verfügbaren Neutronenstrahl passen

Die Dose sollte in der heißen Zelle hermetisch verschlossen sein

Dosenmaterial außerhalb des Neutronenstrahls sollte eine hohe Absorption für Gammastrahlen aufweisen, um die Dosis für das Personal, das die Probe in den DICER lädt, zu reduzieren.

Das Design der 88Zr-Probendose ist in Abb. 6 dargestellt.

Das Design der Zirkonium-88-Probe kann für die Neutronentransmissionsmessungen bei DICER verwendet werden.

Wie in Abb. 6 dargestellt, wird eine Probendose aus Wolfram mit einem leeren zylindrischen Raum von 1,2 mm Durchmesser und 1 cm Länge (rot) hergestellt, damit die 88Zr-Probe hineinpasst. Die gesamte Dose hat einen Durchmesser von 1 cm und eine Länge von 1,5 cm. Das Loch in der Wolframdose hatte einen Durchmesser von 1,2 mm, um mögliche Ausrichtungsfehler mit dem Kollimator mit 1 mm Durchmesser auszugleichen. Die Dose kann hermetisch verschlossen werden, indem eine Bleikugel mit 2,8 mm Durchmesser mit einer Hebelpresse in eine heiße Zelle gedrückt wird. Aufgrund der hohen Dosisleistungen muss der Transfer der 8 µL-Probe mit 88Zr innerhalb der heißen Zelle durchgeführt werden.

Die automatisierte Station zum Übertragen einer 8-µL-Probe mit 88Zr aus einem Glasfläschchen in die Wolframdose (Abb. 6) ist in Abb. 7 dargestellt.

Automatisierte Station zum Transfer von 8 µL Probe mit 88Zr.

Die Station wurde in der heißen Zelle installiert und ferngesteuert. Es besteht aus einer Glasspritze (Hamilton), die mechanisch von einem Spritzenantrieb angetrieben wird. Die Station wurde zunächst außerhalb der heißen Zelle kalibriert. Ein Probenhalter aus Stahl mit einem 0,3-ml-V-Glasfläschchen, gefüllt mit 100 µL 88Zr, gelöst in 2 mol·L−1 DCl von Ziel 2, wurde in der Probenposition platziert. Die Glasspritze wurde nach unten bewegt, 8 µL Probe entnommen und wieder in die Ausgangsposition gehoben. Danach wurde das Glasfläschchen entfernt und die am Boden mit einer Bleikugel verschlossene Wolframdose in die Probenposition gestellt. Die Spritze wurde nach unten bewegt, um in das 1,2-mm-Loch zu passen, und 8 µL Probe wurden in die Dose abgegeben (die Abgabe wird im Zusatzvideo gezeigt). Die Dose wurde zur Hebelpresse bewegt und der Pb-Kugelstopfen mit 2,8 mm Durchmesser wurde dann zum Verschließen der Oberseite der Dose verwendet. Die Dose wurde wieder in die Probenposition gestellt und ihre Siegelunversehrtheit wurde visuell mit einer Kamera überprüft, mit der die Station ausgestattet war (Abb. S1 und S2 in der Ergänzung). Nachdem die Integrität der Versiegelung sichergestellt war, wurde die Probendose mit 37 MBq (1 mCi) 88Zr in 8 µL 2 mol·L−1 DCl aus der heißen Zelle entnommen und für die Neutronentransmissionsmessungen an die LANSCE-Anlage geliefert. Das gleiche Experiment mit höheren 88Zr-Aktivitäten von Ziel 3 zeigte, dass nach dem Matrixwechsel von HCl auf 2 mol·L−1 DCl ein Niederschlag gebildet werden kann. Dies weist darauf hin, dass die Löslichkeit von Zr in DCl geringer ist als in HCl. Daher wurden 8 µL 2 mol·L−1 HCl verwendet, um ≈1 GBq (27 mCi) 88Zr für die zweiten DICER-Messungen herzustellen.

In dieser Arbeit wurde ein Prozess zur Herstellung von 88Zr in einem Protonenstrahl von MBq (mCi) auf Hunderte von GBq (Ci) skaliert. Zirkonium-88 wurde durch Bestrahlung von Yttriummetalltargets mit einem Gewicht von ca. 20 g in einem Protonenstrahl von ca. 16–34 MeV bei einem Strom von 100–200 µA in der LANL Isotope Production Facility hergestellt. Die produzierten 88Zr- und 89Zr-Aktivitäten lagen innerhalb einer Standardabweichung von 1σ von den erwarteten Aktivitäten, vorhergesagt anhand von TENDL-2019-Querschnittsdaten38. Die Aktivitäten des koproduzierten 88Y waren aufgrund der überschätzten 89Y(p,x)88Y-Querschnittsdaten aus TENDL-201938 geringer. Nanogramm des produzierten 88Zr und 89Zr wurden von ca. 20 g Yttrium mithilfe einer kleinen Säule, gefüllt mit 2 g Hydroximatharz, abgetrennt und Zr wurde mit 1 mol·L−1 Oxalsäure mit einer Elutionsausbeute von 94(5) % eluiert ( 1σ). Etwas stabiles Ca und 48 V wurden über ICP-OES bzw. HPGe nachgewiesen. Ca ist eine typische Verunreinigung in Mineralsäuren, die zur Zersetzung von Oxalsäure und zur Veränderung der 88Zr-Probenmatrix verwendet wurden, und 48V ist das Aktivierungsprodukt der Ti-Verunreinigung im Y-Metalltarget. Als 88Zr-Probenmatrix wurde eine DCl-Lösung in D2O mit einem Deuterierungsgrad von 99,95 % ausgewählt, die für Neutronentransmissionsmessungen geeignet ist. Das Lösungsmittel Deuterium wurde aufgrund der hohen Neutronendurchlässigkeit von Deuterium gewählt, im Gegensatz zu Wasserstoff, der eine geringere Neutronendurchlässigkeit aufweist. Darüber hinaus gewährleistet die flüssige Form der 88Zr-Proben eine gleichmäßige Verteilung der 88Zr-Atome in der Probenmatrix. Eine 8-µL-Probe mit ≈3,7 MBq (1 mCi) 88Zr wurde mithilfe einer Spritze und einer automatischen Station, die speziell für dieses Experiment entwickelt wurde, in eine Wolframdose mit einem Loch von 1,2 mm Durchmesser in einer heißen Zelle überführt. Die Neutronentransmission der erhaltenen 88Zr-Probe wurde am Device for Indirect Capture Experiments on Radionuclides (DICER) gemessen. Diese Probe war die erste radioaktive Probe, die bei DICER gemessen wurde.

Alle während dieser Studie generierten und analysierten Daten sind in diesem Artikel (gemessene Konzentrationen sind in den Tabellen 3 und 4 aufgeführt) und in der Zusatzinformationsdatei (Neutronentransmissionsmessungen sind in den Tabellen S1 und S2 aufgeführt) enthalten.

Heskamp, S. et al. 89Zr-Immun-Positronen-Emissions-Tomographie in der Onkologie: Modernste 89Zr-Radiochemie. Biokonjug. Chem. 28, 2211–2223. https://doi.org/10.1021/acs.bioconjchem.7b00325 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Marquez-Nostra, BV & Viola, N. Radiopharmaceutical Chemistry (Hrsg. Lewis, JS, Windhorst, AD & Zeglis, BM). 371–390 (Springer, 2019).

Decay Data Evaluation Project (DDEP), Laboratoire National Henri Becquerel, Frankreich. http://www.lnhb.fr/Laraweb/ (2022).

Severin, WG, Engle, WJ, Barnhart, ET & Nickles, RJ 89Zr-Radiochemie für Positronenemissionstomographie. Med. Chem. 7, 389–394. https://doi.org/10.2174/157340611796799186 (2011).

Artikel CAS Google Scholar

Meijs, WE et al. Mit Zirkonium markierte monoklonale Antikörper und ihre Verteilung in tumortragenden Nacktmäusen. J. Nucl. Med. 38, 112 (1997).

CAS Google Scholar

Kobayashi, H. et al. Bewertung der In-vivo-Bioverteilung des mit Indium-111 und Yttrium-88 markierten Dendrimers-1B4M-DTPA und seiner Konjugation mit dem monoklonalen Anti-Tac-Antikörper. Biokonjug. Chem. 10, 103–111. https://doi.org/10.1021/bc980091d (1999).

Artikel CAS Google Scholar

Chadwick, MB et al. Bewertete Iridium-, Yttrium- und Thuliumquerschnitte und integrale Validierung anhand kritischer Montage- und Bethe-Kugelmessungen. Nukl. Datenblätter 108, 2716–2741. https://doi.org/10.1016/j.nds.2007.11.005 (2007).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Prestwood, RJ, Thomas, KW, Nethaway, DR & Smith, NL Messung von 14-MeV-Neutronenquerschnitten für 88Zr und 88Y. Physik. Rev. C 29, 805–810. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.29.805 (1984).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Shusterman, JA et al. Der überraschend große Neutroneneinfangquerschnitt von 88Zr. Natur 565, 328–330. https://doi.org/10.1038/s41586-018-0838-z (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Escher, JE et al. Beschränkung der Neutroneneinfangquerschnitte für instabile Kerne mit Ersatzreaktionsdaten und -theorie. Physik. Rev. Lett. 121, 052501. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.052501 (2018).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Utsunomiya, H. et al. Methode der γ-Strahlenstärkefunktion und ihre Anwendung auf 107Pd. Physik. Rev. C 82, 064610. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.82.064610 (2010).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Utsunomiya, H. et al. Photoneutronenquerschnitte für Mo-Isotope: Ein Schritt zu einem einheitlichen Verständnis der (γ, n)- und (n, γ)-Reaktionen. Physik. Rev. C 88, 015805. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.88.015805 (2013).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Guttormsen, M., Ramsøy, T. & Rekstad, J. Die erste Generation von γ-Strahlen aus heißen Kernen. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. A 255, 518–523. https://doi.org/10.1016/0168-9002(87)91221-6 (1987).

Artikel ADS Google Scholar

Guttormsen, M., Tveter, TS, Bergholt, L., Ingebretsen, F. & Rekstad, J. Die Entfaltung von Kontinuums-γ-Strahlenspektren. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. A 374, 371–376. https://doi.org/10.1016/0168-9002(96)00197-0 (1996).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Larsen, AC et al. Analyse möglicher systematischer Fehler in der Oslo-Methode. Physik. Rev. C 83, 034315. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.83.034315 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Schiller, A. et al. Extraktion der Pegeldichte und der γ-Stärkefunktion aus primären γ-Spektren. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. A 447, 498–511. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(99)01187-0 (2000).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Spyrou, A. et al. Neuartige Technik zur Einschränkung der Reaktionsgeschwindigkeiten des R-Prozesses (n, γ). Physik. Rev. Lett. 113, 232502. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.232502 (2014).

Artikel ADS CAS Google Scholar

O'Brien, EM et al. Neuartige Design- und Diagnoseverbesserungen für erhöhte Produktionskapazität und verbesserte Zuverlässigkeit in der Isotopenproduktionsanlage in Los Alamos. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. Ein Beschleuniger. Spektrom. Erkennen. Assoc. Ausrüsten. 956, 163316. https://doi.org/10.1016/j.nima.2019.163316 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Holland, JP, Sheh, Y. & Lewis, JS Standardisierte Methoden zur Herstellung von Zirkonium-89 mit hoher spezifischer Aktivität. Nukl. Med. Biol. 36, 729–739. https://doi.org/10.1016/j.nucmedbio.2009.05.007 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Kubota, M. Zersetzung von Oxalsäure mit Salpetersäure. J. Radioanal. Chem. 75, 39–49. https://doi.org/10.1007/BF02519972 (1982).

Artikel CAS Google Scholar

Mason, C. et al. Die Zersetzung von Oxalsäure in Salpetersäure. J. Solut. Chem. 45, 325–333. https://doi.org/10.1007/s10953-016-0437-2 (2016).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Steyn, GF et al. Großserienfertigung von 88Y- und 88Zr/88Y-Generatoren: Eine Proof-of-Concept-Studie für ein 70-MeV-H−-Zyklotron. Appl. Strahlen. Isotope 168, 109469. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2020.109469 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Tárkányi, F. et al. Anregungsfunktionen für die Produktion von 88Zr und 88Y durch Protonen- und Deuteronbestrahlung von Mo, Nb, Zr und Y. AIP Conf. Proz. 769, 1658–1661. https://doi.org/10.1063/1.1945326 (2005).

Artikel ADS Google Scholar

Zaneb, H., Hussain, M., Amjad, N. & Qaim, SM Auswertung von Kernreaktionsquerschnittsdaten für die Produktion von 87Y und 88Y über Protonen-, Deuteron- und Alphateilchen-induzierte Transmutationen. Appl. Strahlen. Isot. 112, 69–79. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.03.016 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Fassbender, M., Jamriska, DJ, Hamilton, VT, Nortier, FM & Phillips, DR Gleichzeitige 68Ge- und 88Zr-Gewinnung aus protonenbestrahlten Ga/Nb-Kapseln. J. Radioanal. Nukl. Chem. 263, 497–502. https://doi.org/10.1007/s10967-005-0082-5 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Faßbender, M. et al. Einige nuklearchemische Aspekte der Produktion von medizinischen Generatornukliden in der Hot Cell Facility in Los Alamos. Radiochim. Acta 92, 237–243. https://doi.org/10.1524/ract.92.4.237.35596 (2004).

Artikel Google Scholar

Shusterman, JA et al. Wässrige Gewinnung von 88Zr in einer radioaktiven Ionenstrahlanlage für Querschnittsmessungen. Physik. Rev. C 103, 024614. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.103.024614 (2021).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Khandaker, MU et al. Untersuchungen von 89Y(p, x)86,88,89gZr, 86m+g,87g,87m,88gY, 85gSr und 84gRb Kernprozessen bis zu 42 MeV. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. B 271, 72–81. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2011.11.009 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Levkovski, VN Querschnitte der Nuklidaktivierung mittlerer Masse (A=40–100) durch Protonen mittlerer Energie und Alphateilchen (E=10–50 MeV). (Intervesy, 1991).

Michel, R. et al. Wirkungsquerschnitte zur Erzeugung von Restnukliden durch nieder- und mittelenergetische Protonen aus den Zielelementen C, N, O, Mg, Al, Si, Ca, Ti, V, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Sr, Y; , Zr, Nb, Ba und Au. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. B 129, 153–193. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(97)00213-9 (1997).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Mustafa, MG et al. Messungen und eine Direktreaktion-plus-Hauser-Feshbach-Analyse von 89Y(p, n)89Zr-, 89Y(p,2n)88Zr- und 89Y(p, pn)88Y-Reaktionen bis zu 40 MeV. Physik. Rev. C 38, 1624–1637. https://doi.org/10.1103/PhysRevC.38.1624 (1988).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Omara, HM, Hassan, KF, Kandil, SA, Hegazy, FE & Saleh, ZA Protoneninduzierte Reaktionen auf 89Y mit besonderem Bezug auf die Produktion des medizinisch interessanten Radionuklids 89Zr. Radiochim. Acta 97, 467–471. https://doi.org/10.1524/ract.2009.1645 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Saha, GB, Porile, NT & Yaffe, L. (p, xn) und (p, pxn) Reaktionen von Yttrium-89 mit 5–85-MeV-Protonen. Physik. Rev. 144, 962–971. https://doi.org/10.1103/PhysRev.144.962 (1966).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Steyn, GF et al. Anregungsfunktionen protoneninduzierter Reaktionen auf 89Y und 93Nb mit Schwerpunkt auf der Produktion ausgewählter Radiozirkoniumverbindungen. J. Koreanische Phys. Soc. 59, 1991–1994. https://doi.org/10.3938/jkps.59.1991 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Uddin, MS, Hagiwara, M., Baba, M., Tarkanyi, F. & Ditroi, F. Experimentelle Studien zu Anregungsfunktionen der protoneninduzierten Aktivierungsreaktionen auf Yttrium. Appl. Strahlen. Isot. 63, 367–374. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2005.04.006 (2005).

Artikel CAS Google Scholar

Yang, S.-C., Song, T.-Y., Lee, Y.-O. & Kim, G. Produktionsquerschnitte protoneninduzierter Reaktionen auf Yttrium. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. B 398, 1–8. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2017.03.021 (2017).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Zhao, W., Shen, Q., Lu, H. & Yu, W. Untersuchung von 89Y(p, n)89Zr, 89Y(p,2n)88Zr und 89Y(p, pn)88Y-Reaktionen bis zu 22 MeV. Kinn. J. Nucl. Physik. 14, 7–14 (1992).

CAS Google Scholar

Koning, AJ et al. TENDL: Vollständige Nukleardatenbibliothek für innovative Nuklearwissenschaft und -technologie. Nukl. Datenblätter 155, 1–55. https://doi.org/10.1016/j.nds.2019.01.002 (2019).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Takács, S., Tárkányi, F., Sonck, M. & Hermanne, A. Untersuchung der natMo(p, x)96mgTc-Kernreaktion zur Überwachung von Protonenstrahlen: Neue Messungen und Konsequenzen für die früher gemeldeten Daten. Nukl. Instrument. Methoden Phys. Res. Sekte. B 198, 183–196. https://doi.org/10.1016/S0168-583X(02)01528-8 (2002).

Artikel ADS Google Scholar

Qaim, SM, Sudár, S., Scholten, B., Koning, AJ & Coenen, HH Bewertung der Anregungsfunktionen von 100Mo(p, d+pn)99Mo- und 100Mo (p,2n)99mTc-Reaktionen: Schätzung langlebiger Tc-Verunreinigung und ihre Auswirkung auf die spezifische Aktivität von Zyklotron-produziertem 99mTc. Appl. Strahlen. Isot. 85, 101–113. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2013.10.004 (2014).

Artikel CAS Google Scholar

Stevenson, PC & Nervik, WE Die Radiochemie der Seltenen Erden, Scandium, Yttrium und Actinium (University of California, Livermore, 1961).

Buchen Sie Google Scholar

Dias, GM et al. 89Zr für die Antikörpermarkierung und In-vivo-Studien – Ein Vergleich zwischen der Produktion flüssiger und fester Zielmoleküle. Nukl. Med. Biol. 58, 1–7. https://doi.org/10.1016/j.nucmedbio.2017.11.005 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Dutta, B., Maiti, M. & Lahiri, S. Produktion von 88,89Zr durch protoneninduzierte Aktivierung von natY und Trennung durch SLX und LLX. J. Radioanal. Nukl. Chem. 281, 663. https://doi.org/10.1007/s10967-009-0051-5 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Meijs, WE et al. Herstellung von hochreinem, trägerfreiem 89Zr zur Markierung von Antikörpern mit einem Positronenemitter. Appl. Strahlen. Isot. 45, 1143–1147. https://doi.org/10.1016/0969-8043(94)90029-9 (1994).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Queern, SL et al. Herstellung von Zr-89 mittels gesputterter Yttrium-Münztargets. Nukl. Med. Biol. 50, 11–16. https://doi.org/10.1016/j.nucmedbio.2017.03.004 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Siikanen, J. et al. Ein peristaltische Pumpe angetriebenes 89Zr-Trennmodul. AIP-Konferenz. Proz. 1509, 206–210. https://doi.org/10.1063/1.4773969 (2012).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Tang, Y. et al. Ein radiopharmazeutisches [89Zr]Zr-DFO-Nimotuzumab für ImmunoPET mit epidermaler Wachstumsfaktor-Rezeptor-Expression in vivo. Nukl. Med. Biol. 70, 23–31. https://doi.org/10.1016/j.nucmedbio.2019.01.007 (2019).

Artikel CAS Google Scholar

Tang, Y. et al. Eine einfache und praktische Methode zur Herstellung von 89Zr mit hoher Reinheit. Appl. Strahlen. Isot. 118, 326–330. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2016.09.024 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Verel, I. et al. 89Zr-Immuno-PET: Umfassende Verfahren zur Herstellung von 89Zr-markierten monoklonalen Antikörpern. J. Nucl. Med. 44, 1271–1281 (2003).

CAS Google Scholar

Kandil, SA et al. Eine vergleichende Studie zur Trennung von Radiozirkonium mittels Ionenaustausch- und Lösungsmittelextraktionstechniken, mit besonderem Bezug auf die Produktion von 88Zr und 89Zr in protoneninduzierten Reaktionen auf Yttrium. J. Radioanal. Nukl. Chem. 274, 45. https://doi.org/10.1007/s10967-006-6892-2 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Kazakov, AG, Aliev, RA, Ostapenko, VS, Priselkova, AB & Kalmykov, SN Trennung von 89Zr aus bestrahlten Yttrium-Targets durch Extraktionschromatographie. J. Radioanal. Nukl. Chem. 317, 605–611. https://doi.org/10.1007/s10967-018-5888-z (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Omara, HM, Hassan, KF, Kandil, SA, Hegazy, FE & Saleh, ZA Protoneninduzierte Reaktionen auf 89Y mit besonderem Bezug auf die Produktion des medizinisch interessanten Radionuklids 89Zr. RCA-Radiochim. Acta 97, 467–471. https://doi.org/10.1524/ract.2009.1645 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

Shannon, RD Überarbeitete effektive Ionenradien und systematische Studien zu interatomaren Abständen in Halogeniden und Chalkogeniden. Acta Crystallogr. Sekte. Ein Kristall. Physik. Beugen. Theoretisch. Generalkristallologe 32, 751–767. https://doi.org/10.1107/S0567739476001551 (1976).

Artikel ADS Google Scholar

Brown, PL, Curti, E., Grambow, B. & Ekberg, C. Chemische Thermodynamik von Zirkonium. Bd. 8 (Elsevier, 2005).

Holland, JP Vorhersage der thermodynamischen Stabilität von Zirkonium-Radiotracern. Inorg. Chem. 59, 2070–2082. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.9b03515 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Toporivska, Y. et al. Thermodynamische Stabilität und Speziation von Ga(III)- und Zr(IV)-Komplexen mit hochzähnigen Hydroxamat-Chelatoren. Inorg. Chem. 60, 13332–13347. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c01622 (2021).

Artikel CAS Google Scholar

Radchenko, V. et al. Protoneninduzierte Produktion und radiochemische Isolierung von 44Ti aus Scandiummetalltargets für die Entwicklung von 44Ti/44Sc-Generatoren. Nukl. Med. Biol. 50, 25–32. https://doi.org/10.1016/j.nucmedbio.2017.03.006 (2017).

Artikel CAS Google Scholar

Kobayashi, T., Sasaki, T., Takagi, I. & Moriyama, H. Zirkoniumlöslichkeit im ternären wässrigen System von Zr(IV)-OH-Carboxylaten. J. Nucl. Wissenschaft. Technol. 46, 142–148. https://doi.org/10.1080/18811248.2007.9711515 (2009).

Artikel CAS Google Scholar

O'Hara, MJ, Murray, NJ, Carter, JC & Morrison, SS Optimierte Anionenaustauschsäulenisolierung von Zirkonium-89 (89Zr) aus Yttrium-Zyklotron-Target: Methodenentwicklung und Implementierung auf einer automatisierten Fluidplattform. J. Chromatogr. A 1545, 48–58. https://doi.org/10.1016/j.chroma.2018.02.053 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Bandi, WR, Buyok, EG, Lewis, LL & Melnick, LM Anionenaustauschtrennung von Zirkonium, Titan, Niob, Tantal, Wolfram und Molybdän. Anal. Chem. Rev. 33, 1275–1278. https://doi.org/10.1021/ac60177a045 (1961).

Artikel CAS Google Scholar

Larson, NM Aktualisiertes Benutzerhandbuch für SAMMY: Mehrstufige R-Matrix passt sich mithilfe von Bayes-Gleichungen an Neutronendaten an. Bd. 2 (Oak Ridge National Laboratory, 2008).

Brown, DA et al. ENDF/B-VIII.0: Die 8. große Veröffentlichung der Kernreaktionsdatenbibliothek mit CIELO-Projektquerschnitten, neuen Standards und thermischen Streudaten. Nukl. Datenblätter 148, 1–142. https://doi.org/10.1016/j.nds.2018.02.001 (2018).

Banda, R. & Lee, MS Lösungsmittelextraktion zur Trennung von Zr und Hf aus wässrigen Lösungen. Sep. Purif. Rev. 44, 199–215. https://doi.org/10.1080/15422119.2014.920876 (2015).

Artikel CAS Google Scholar

El-Hefny, NE, El-Nadi, YA & Daoud, JA Wirkung von Verdünnungsmitteln auf die Extraktion von Zirkonium aus Nitratmedium durch Thenoyltrifluoraceton. Lösungsmittelextr. Ionenaustausch. 24, 703–717. https://doi.org/10.1080/07366290600762306 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Umezawa, H. & Hara, R. Studien zur Extraktion von Zirkonium mit Organophosphorverbindungen. Anal. Chim. Acta 25, 360–365. https://doi.org/10.1016/S0003-2670(01)81577-4 (1961).

Artikel CAS Google Scholar

Referenzen herunterladen

Die Autoren danken Mila Nhu Lam für ihre Hilfe bei den ICP-Messungen und Christopher A. Martinez und Heath W. Wade für ihre Hilfe bei der Handhabung der 88Zr-Proben. Tara Bessette, Monica Mullis und Jared George werden für ihre Hilfe bei radiologischen Kontrollen gedankt. Wir danken Mila Matyskina für ihre Hilfe bei der Grafik. Diese Forschung wurde vom Laboratory Directed Research and Development-Programm des Los Alamos National Laboratory unter der Projektnummer 20200108DR gefördert. Das Los Alamos National Laboratory wird von Triad National Security, LLC für die National Nuclear Security Administration des US-Energieministeriums betrieben (Vertragsnummer 89233218CNA000001).

Artem V. Matyskin

Aktuelle Adresse: Radiation Science and Engineering Center, Pennsylvania State University, 135 Breazeale Nuclear Reactor, University Park, PA, 16802, USA

Brad J. DiGiovine

Aktuelle Adresse: Q Division, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, USA

Chemieabteilung, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, USA

Artem V. Matyskin, Ellen M. O'Brien, Veronika Mocko, Michael E. Fassbender und C. Etienne Vermeulen

Abteilung für Physik, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, USA

Athanasios Stamatopoulos, Brad J. DiGiovine und Paul E. Koehler

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

EMO und CEV entwickelten und führten Y-Target-Bestrahlungen durch. AVM hat die 88Zr-Trennmethode und die 88Zr-Targetpräparation entwickelt. AVM führte eine 88Zr-Trennung durch und AVM und VM führten eine 88Zr-Zielvorbereitung durch. BJD hat einen 88Zr-Targetbehälter und eine automatisierte Station für den 88Zr-Probentransfer entworfen und gebaut. AS und PEK führten Neutronenübertragungssimulationen, Datenerfassung und -verarbeitung durch. CEV und PEK hatten die ursprüngliche Idee. AVM hat das Manuskript verfasst und alle Autoren haben das Manuskript diskutiert und kommentiert.

Korrespondenz mit Artem V. Matyskin.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Zusatzvideo 1.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die Originalautor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht gesetzlich zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Matyskin, AV, Stamatopoulos, A., O'Brien, EM et al. Herstellung von Zirkonium-88 durch Protonenbestrahlung von metallischem Yttrium und Vorbereitung des Targets für Neutronentransmissionsmessungen bei DICER. Sci Rep 13, 1736 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27993-7

Zitat herunterladen

Eingegangen: 23. Juni 2022

Angenommen: 11. Januar 2023

Veröffentlicht: 31. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-27993-7

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein Link zum Teilen verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.