压电堆栈增强型光学三角测量方法

《Instruments》：Enhanced Optical Triangulation Method for Piezoelectric Stack Sinan K?ksu and Sedat Nazl?bilek

　　

铒-165（¹⁶⁵Er）是一种奥格电子发射体，每次衰变发射7.2个电子，且其他发射极少，使其成为奥格电子治疗的有趣候选核素。研究人员在此介绍了一种通过^natHo(p,n)¹⁶⁵Er核反应在16.5 MeV医用回旋加速器上生产¹⁶⁵Er的流程。靶通过将Ho₂O₃:Al 1:1（w/w）粉末混合物压入中心带有圆柱形凹陷的Ag盘上制备。在靶前放置0.1 mm Nb箔将能量降低至15 MeV，并在Ag盘背面进行水冷，靶能够承受高达45 μA的束流辐照而无损坏迹象。通过数值求解热传导方程计算靶内温度和热耗散，还评估了靶的束流耐受性。对于180 mg靶，产率为12.3 ± 1.9 MBq/μAh。相邻镧系元素的分离具有挑战性，这促使研究人员研究了Er和Ho在商用LN2树脂上于HNO₃和HCl两种淋洗液中的分配系数。基于这些值，研究人员提出了一种纯化流程，包括两个串联的LN2柱以从Ho和Al中分离¹⁶⁵Er，随后使用一个小型TK221柱浓缩最终淋洗液。未检测到放射性核素杂质，最终配方中发现的化学杂质为痕量的Ho、Er、Ca、Pb和Fe。针对三种不同螯合剂（DOTA、DTPA和CHX-A″-DTPA），测量了最终配方的有效摩尔活度。还评估了在鼠血清中孵育28 h后形成的三种复合物的稳定性。

**论文解读：基于Ho₂O₃:Al靶的¹⁶⁵Er回旋加速器生产与纯化方法**

**研究背景、问题与意义**
奥格电子发射体在靶向放射性核素治疗中具有巨大潜力，其短射程内的高能量沉积可高效杀死靶向癌细胞同时保护周围健康组织，尤其适用于单细胞和微小转移瘤的清除。铒-165（¹⁶⁵Er）作为一种奥格电子发射体（每次衰变发射7.2个电子），具有极少的其他辐射（无γ射线，仅低能X射线），对减少周围组织剂量和人员暴露有优势，并已证明其X射线足够用于小动物单光子发射计算机断层扫描（SPECT）成像，是转化型奥格电子治疗研究中的潜在治疗诊断核素。然而，¹⁶⁵Er的生产面临挑战：其母核反应（^natHo(p,n)¹⁶⁵Er）截面较低（10–11 MeV时最大约160–180 mb），需在医用回旋加速器上实现；靶材料通常使用金属Ho（杂质Er难以化学分离），而Ho₂O₃虽纯度高但导热性差、含氧降低产额；此外，相邻镧系元素Er与Ho的化学性质极为相似，分离困难。为此，研究人员开展了基于Ho₂O₃:Al混合粉末靶的¹⁶⁵Er生产研究，旨在提高靶的束流耐受性、优化纯化流程并获得适用于放射性标记的高纯产物。该论文发表在《Instruments》期刊。

**关键技术方法**
研究人员采用了以下主要技术方法：（1）靶制备与辐照：将高纯Ho₂O₃（99.999%）与Al粉末按特定比例混合后压制成靶，使用16.5 MeV医用回旋加速器（GE PETtrace），经0.1 mm Nb箔降能至15 MeV后辐照，靶背面水冷；（2）热性能模拟：基于热传导方程（稳态模型）在MATLAB R2025b中计算靶内温度分布，评估最大束流耐受性，并通过实验数据校准Ho₂O₃:Al混合物的导热系数；（3）分配系数测定：通过批处理法测量Er和Ho在LN2树脂上于不同浓度HCl和HNO₃中的分配系数（K_D），设计动态柱分离流程；（4）全规模分离纯化：采用两个串联的LN2萃取树脂柱（4 g）和一个TK221小柱（0.1 g）进行¹⁶⁵Er/Ho/Al分离，中间可选b-DGA柱进行酸浓度转换；（5）有效摩尔活度测定：通过滴定法，使用DOTA、DTPA和CHX-A″-DTPA三种螯合剂，结合薄层色谱（TLC）测定复合物形成比例，计算有效摩尔活度；（6）血清稳定性评估：将¹⁶⁵Er-螯合剂复合物与鼠血清在37°C下孵育28 h，通过TLC分析稳定性。样本分析采用电感耦合等离子体发射光谱（ICP-OES）和X/γ射线能谱（HPGe探测器及X射线探测器）。

**研究结果**

**3.1 ¹⁶⁵Er的Ho₂O₃:Al靶生产**
通过测试不同Al添加量（无Al、7:3、1:1、1:2 w/w），发现Ho₂O₃:Al 1:1（w/w）配比最佳，靶在45 μA下稳定，50 μA时出现损伤；无Al靶在10 μA即损坏。靶中添加Al显著提高了束流耐受性。180 mg靶在25 μA下辐照3 h的产率为12.3 ± 1.9 MBq/μAh。辐照过程中产生少量短寿命放射性核素杂质（如^164g,mHo、¹⁶⁶Ho、¹⁰⁷Cd、⁵⁶Co、⁶⁹Ge、^66,67Ga），但后续纯化流程中均被去除。

**3.2 靶热性能模拟**
通过数值求解热传导方程，初始假设Ho₂O₃:Al 1:1混合物的导热系数为30 W/m·K，计算表明180 mg靶在52 μA下温度达645 °C（接近Al熔点660 °C），Nb箔温度1127 °C（远低于熔点2477 °C），预测靶材料为限制因素。实验观察到50 μA时靶损伤，与计算预测一致。通过实验数据校准，将导热系数修正为24 W/m·K时，计算与实测束流耐受性吻合。

**3.3 理论产额计算**
基于SRIM-2013软件和截面数据，计算得175 mg Ho₂O₃:Al靶（覆盖15–8 MeV）的理论产额为19.5 MBq/μAh，实验产额（12.3 MBq/μAh）为其63%。与纯Ho₂O₃靶（理论产额49.2 MBq/μAh）相比，含Al靶虽产额降低，但束流可提高2.5倍以上（实验显示从10 μA提升至45 μA），实际产额得到改善。

**3.4 ¹⁶⁵Er纯化流程**

**3.4.1 批分离的K_D值和分离因子**
批处理实验表明，在HNO₃和HCl浓度低于1 M时，Er对LN2树脂的亲和力高于Ho；HNO₃体系下分离因子（α）更高。动态分离选用HNO₃为淋洗液。

**3.4.2 全规模流程**
开发了三级柱分离流程：第一根LN2柱（4 g）去除主体Ho和Al，¹⁶⁵Er在4 M HNO₃中洗脱（回收率>80%），但Ho残留；中间可选用b-DGA柱（1.2 g）转换酸浓度并去除残余Al；第二根LN2柱（4 g）进一步分离Ho（0.6–0.8 M HNO₃洗脱），¹⁶⁵Er在4 M HNO₃中洗脱；最后通过TK221小柱（0.1 g）浓缩产物（0.05 M HCl中洗脱，回收率89.9±9.0%）。整个流程耗时约8 h（接近¹⁶⁵Er半衰期）。最终产物中未检测到放射性核素杂质，化学杂质主要为Ho、Ca、Fe和痕量Pb；分离因子（α_{coulumn,Er,Ho}）平均约100。

**3.5 有效摩尔活度测定**
使用DTPA、CHX-A″-DTPA和DOTA三种螯合剂进行滴定，有效摩尔活度（衰变校正至辐照结束EOB）分别为17.8±4.6、15.9±5.3和19.4±2.7 MBq/nmol。ICP-OES测得的表观摩尔活度为24.9 MBq/nmol（扣除Ca后为36.3 MBq/nmol），有效摩尔活度较低提示可能存在未检测的金属杂质。

**3.6 ¹⁶⁵Er-复合物的血清稳定性**
[¹⁶⁵Er]Er-DTPA、[¹⁶⁵Er]Er-CHX-A″-DTPA和[¹⁶⁵Er]Er-DOTA三种复合物在鼠血清中37°C孵育28 h后均未检测到游离¹⁶⁵Er或解络现象，表明稳定性良好。

**讨论与结论**
研究人员在讨论中指出，Ho₂O₃:Al混合靶的使用确保了靶的高鲁棒性，尽管牺牲了部分产额，但通过提升束流（4–4.5倍）补偿；热传导模拟对发展粉末靶具有指导意义。¹⁶⁵Er在医用回旋加速器上生产的优势包括避免竞争核反应、设备可及性高、运输时间短，但其半衰期较短（10.36 h）需要本地化处理。分离过程利用两个LN2柱、一个b-DGA柱（或蒸发步骤）和TK221柱实现了¹⁶⁵Er/Ho的高效分离，在化学纯度可妥协时可简化流程。由于流程耗时，目前估计在纯化结束时（EOP）可获得约1 GBq的¹⁶⁵Er，足以用于临床前研究。尽管存在规模化和分离挑战，¹⁶⁵Er因仅发射X射线和奥格电子，对研究奥格电子效应高度相关，且可使用非富集靶材料及常规螯合剂进行标记。三种螯合剂的标记效率高、有效摩尔活度相近，复合物在血清中稳定，为应用多种放射性示踪剂提供了可能。

**研究结论翻译**：研究人员开发了一种在16.5 MeV回旋加速器上使用压制的Ho₂O₃:Al靶生产¹⁶⁵Er的流程，以及使用LN2和TK221萃取树脂的¹⁶⁵Er/Ho分离方法。添加Al粉末后，回旋加速器靶对质子束的稳定性显著提高，一个180 mg的Ho₂O₃:Al 1:1（w/w）靶可承受高达45 μA的束流，这一耐受性也可通过温度和热耗散计算进行模拟。¹⁶⁵Er的生产产率达到12.3 ± 1.9 MBq/μAh。为获得适用于后续放射性标记和应用的纯度，研究人员使用了两个较大的LN2树脂柱进行分离，随后使用一个小型TK221树脂柱浓缩最终¹⁶⁵Er产品。根据ICP-OES，最终¹⁶⁵Er的表观摩尔活度（衰变校正至EOB）为24.9 MBq/nmol，且适用于DOTA、DTPA和CHX-A″-DTPA螯合剂的标记，这些螯合剂与¹⁶⁵Er形成的复合物在鼠血清中具有高稳定性。该靶开发与分离流程是提高¹⁶⁵Er可获得性的一部分，以用于未来对奥格电子效应和治疗效力的潜在研究。