氘核轰击富集176Yb靶生产治疗诊断核素177Lu的激发函数与产额研究

《Applied Radiation and Isotopes》：Deuteron-induced nuclear reactions to produce 177Lu: Extension of cross-sections data up to 33 MeV and impact on purity

本文推荐研究人员为解决反应堆生产177Lu面临的供应瓶颈和同位素纯度问题，通过氘核轰击富集176Yb靶的系统研究，精确测量了177Lu及其杂质核素的激发函数和厚靶产额，证实了加速器生产高纯度177Lu的可行性，为核医学治疗诊断一体化提供了新方案。

　　

在核医学领域，治疗诊断一体化（theranostics）正成为精准医疗的重要方向。其中，镥-177（¹⁷⁷Lu）因其理想的物理特性——半衰期6.65天、发射中等能量的β^?粒子（最大能量497 keV）和适合SPECT成像的γ光子（208 keV）——成为前列腺癌、神经内分泌肿瘤等疾病靶向放射性核素治疗的首选核素。然而，目前全球¹⁷⁷Lu主要依靠研究反应堆通过中子辐照富集¹⁷⁶Yb（¹⁷⁶Yb(n,γ)¹⁷⁷Yb→¹⁷⁷Lu）的方式生产，面临供应不稳定、比活度较低（通常为0.71–1.10 GBq/μg）以及可能受到核反应堆老化与关闭威胁等问题。因此，开发基于加速器的替代生产技术具有重要的战略意义。

为解决这一问题，研究人员探索了利用带电粒子加速器生产¹⁷⁷Lu的路径。其中，氘核轰击富集¹⁷⁶Yb靶（¹⁷⁶Yb(d,x)¹⁷⁷Lu）是一条极具潜力的路线，它可通过直接反应（如(d,n)）和间接反应（如(d,p)生成¹⁷⁷Yb再衰变）两种途径生成¹⁷⁷Lu。然而，该过程也会伴随产生一系列放射性杂质，如长半衰期的同质异能素^177mLu（T_1/2=160.4 d）和稳定的Lu同位素（如^176gLu、¹⁷⁵Lu），它们会降低产品的放射化学纯度和比活度，直接影响其在临床中的应用效果。因此，精确测量各相关核反应的激发函数（即核反应截面随入射粒子能量变化的曲线），评估不同能量下¹⁷⁷Lu的产额及其杂质水平，对于优化生产工艺、确定最佳辐照能量至关重要。

本研究发表在《Applied Radiation and Isotopes》上，研究人员利用法国ARRONAX回旋加速器提供的33 MeV氘束，通过堆叠箔活化技术结合高纯锗（HPGe）γ能谱法，系统测量了天然Yb靶在氘核轰击下产生Lu、Yb和Tm等多种放射性核素的激发函数，并推算了在富集¹⁷⁶Yb靶上生产¹⁷⁷Lu的物理厚靶产额和核纯度，为加速器驱动的高纯度¹⁷⁷Lu生产提供了关键数据支撑。

为开展研究，作者团队主要应用了以下几个关键技术方法：1) 堆叠箔活化技术：将高纯度天然Yb箔（厚度2.5–25 μm）与监测箔（Ti、Ni）交替排列，在ARRONAX回旋加速器上接受能量为10–33 MeV的氘束辐照；2) γ能谱分析：使用高分辨率HPGe探测器对辐照后的箔片进行长期测量，结合¹⁵²Eu和²⁴¹Am标准源进行效率和能量刻度，利用FitzPeaks软件分析特征γ峰面积；3) 核反应截面计算：基于活化公式，通过监测反应（如^natTi(d,x)⁴⁸V、⁴⁶Sc和^natNi(d,x)⁵⁸Co、⁵⁶Co）确定入射粒子注量；4) 厚靶产额计算：采用Radionuclide Yield Calculator (RYC)程序，结合SRIM计算的阻止本领和拟合的激发函数，积分计算单位束流强度下的放射性活度产额。

研究结果丰富而系统，主要发现如下：

^177g+mLu的激发函数：实验测得的^177g+mLu累积截面在20 MeV附近出现一个肩峰，与Khandaker等人之前的观测趋势一致。数据在低能区与Hermanne、Manenti和Khandaker的结果吻合良好，但在高于20 MeV的能量区，与Tárkányi等人的数据存在较大差异，后者可能因其探测器分辨率有限，未能将^177gLu的208.4 keV γ峰与¹⁶⁷Tm的207.8 keV γ峰有效分离所致。TENDL-2017库的评价数据在8 MeV以上低估了实验值，表明其对间接反应¹⁷⁶Yb(d,p)¹⁷⁷Yb→^177gLu的贡献估计不足。

^177mLu杂质的评估：通过对辐照样品进行长达数月的冷却后测量，利用^177mLu的特征γ射线（208.4, 228.5, 378.5 keV）进行分析，未检测到其信号。根据Currie准则计算其探测限，确定在EOB时^177mLu的活度与^177gLu的活度比低于0.0005%，远低于IAEA规定的0.07%的限值要求。这表明通过氘核反应直接产生^177mLu的贡献极低，不是主要的杂质来源。

其他Lu同位素杂质的生产：研究详细测量了^176mLu、^174g+mLu、¹⁷³Lu、^172g+mLu、^171g+mLu、^170g+mLu、^169g+mLu和¹⁶⁷Lu的激发函数。这些数据与已有研究具有良好的一致性，共同描绘出在宽能量范围内这些核素的生产趋势。例如，^176mLu主要通过¹⁷⁶Yb(d,2n)反应产生，其截面在13 MeV附近达到峰值；而长半衰期的^174gLu（T_1/2=3.31 y）和¹⁷³Lu（T_1/2=1.37 y）则在高能区（>20 MeV）贡献显著。

Yb和Tm同位素的生产：研究还测量了由(p,d)、(d,t)、(d,α)等反应产生的Yb同位素（如¹⁷⁷Yb、^175cumYb、^169cumYb）和Tm同位素（¹⁶⁸Tm、¹⁶⁷Tm）的截面。其中，¹⁷⁷Yb（T_1/2=1.91 h）是^177gLu的前体核素，其间接衰变是低能区生产^177gLu的主要途径。

物理厚靶产额与核纯度评估：基于测量的激发函数，计算了在富集¹⁷⁶Yb（99.588%）靶上生产¹⁷⁷Lu的物理厚靶产额。结果显示，在15 MeV氘束、7天辐照、2天冷却后，¹⁷⁷Lu的产额可达362 GBq/mA·week，比活度约为0.71 GBq/μg。更重要的是，评估了产品的放射性核纯度和同位素纯度：放射性核纯度极高，>99.5%（主要杂质¹⁷³Lu、^174g+mLu、^176mLu的活度贡献均<0.01%）；但同位素纯度受稳定同位素^176gLu和¹⁷⁵Lu的污染，导致其比活度约为理论最大值（4.10 GBq/μg）的17.3%，这与反应堆生产的比活度水平（0.71–1.10 GBq/μg）相当，完全满足临床使用要求。研究指出，为获得更高的放射性核纯度（>99.9%），入射氘束能量应控制在20 MeV以下；而为平衡产额与比活度，最佳的辐照能量窗口在12-15 MeV之间。

综上所述，本研究通过精确的实验测量和详细的数据分析，全面评估了利用氘束辐照富集¹⁷⁶Yb靶生产治疗诊断核素¹⁷⁷Lu的可行性。结果表明，该路线能够生产出高放射性核纯度、临床级比活度的¹⁷⁷Lu，其主要长寿命放射性杂质^177mLu的含量可忽略不计。这一研究成果为加速器驱动生产¹⁷⁷Lu提供了坚实的数据基础和工艺优化指南，对于保障¹⁷⁷Lu的稳定供应、推动核医学治疗诊断一体化的发展具有重要的战略意义和应用价值。随着新一代高强度线性加速器（如IFMIF-DONES设施）的发展，该方法有望实现¹⁷⁷Lu的大规模生产，从而摆脱对反应堆的依赖。