Producción de circonio

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 1736 (2023) Citar este artículo

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Se desarrolló un proceso para la producción de cantidades de decenas a cientos de GBq de circonio-88 (88Zr) utilizando haces de protones sobre itrio. Para este propósito, se irradiaron objetivos metálicos de itrio (≈20 g) en un haz de protones de ~ 16 a 34 MeV con una corriente de haz de 100 a 200 µA en la Instalación de Producción de Isótopos de Los Álamos (IPF). El radionúclido 88Zr se produjo y se separó de los objetivos de itrio utilizando resina de hidroxamato con un rendimiento de elución del 94 (5)% (1σ). Se seleccionó una solución líquida de DCl en D2O como matriz de muestra de 88Zr adecuada debido a la alta transmisión de neutrones del deuterio en comparación con el hidrógeno y una distribución uniforme de 88Zr en la matriz de muestra. El 88Zr separado se disolvió en DCl y se transfirieron 8 µl de la solución obtenida a una lata de muestra de tungsteno con un orificio de 1,2 mm de diámetro usando una jeringa y una estación de llenado automatizada dentro de una celda caliente. La transmisión de neutrones de la muestra de 88Zr obtenida se midió en el Dispositivo para experimentos de captura indirecta en radionucleidos (DICER).

El circonio (Zr) es un metal de transición del grupo IV, que tiene 5 isótopos estables y 31 radiactivos conocidos. Algunos isótopos radiactivos de Zr son importantes para diversas áreas de la ciencia y la tecnología. El circonio-89 (89Zr) es uno de los radionucleidos más prometedores para la tomografía por emisión de positrones (inmuno-PET) debido a sus propiedades físicas y químicas únicas1,2. Su vida media relativamente larga (78,4 h) coincide con la vida media biológica de los anticuerpos y fragmentos de anticuerpos y se descompone en itrio-89 estable (89Y) mediante captura de electrones (77%) y emisión de positrones (23%), emitiendo principalmente 511 keV. rayos gamma de la aniquilación, rayos gamma de 909 keV y algunos rayos X3. Además de esto, se pueden producir cantidades significativas de 89Zr con relativa facilidad con un haz de protones de baja energía (Ep < 13,1 MeV) sobre un objetivo monoisotópico de 89Y y el 89Zr producido se puede separar eficientemente del objetivo, quelarlo y unirlo al anticuerpo4.

Otro isótopo interesante del circonio es el 88Zr, que tiene una vida media de 83 días y se desintegra en itrio-88 (88Y) mediante captura de electrones, emitiendo rayos gamma de 393 keV y algunos rayos X. El itrio-88 (t1/2 = 106,6 días) se desintegra hasta convertirse en estroncio-88 estable (88Sr) principalmente mediante captura de electrones, emitiendo rayos gamma de 898 keV y 1836 keV y algunos rayos X3. Por tanto, el 88Zr se puede utilizar para producir 88Y sin portadores y de alta pureza en un sistema generador de radionúclidos. Tanto 88Zr como 88Y son trazadores útiles en la investigación radiofarmacéutica como sustitutos de vida más larga del prometedor inmuno-PET 89Zr5, y en radioinmunoterapia y terapia de radioembolización con 90Y6, respectivamente.

El circonio natural se utilizó ampliamente en dispositivos nucleares durante las pruebas de armas nucleares como material detector cargado o diagnóstico radioquímico, es decir, se utilizó para derivar una fluencia de neutrones a partir de la cantidad inicial de Zr cargado y las actividades medidas de los isótopos de Zr formados en el entorno de neutrones7. La fluencia de neutrones derivada de los datos experimentales e históricos se puede comparar con la fluencia de neutrones calculada utilizando varios códigos, que utilizan secciones transversales inducidas por neutrones. El circonio-88 es uno de los isótopos de Zr más importantes formados en estas reacciones inducidas por neutrones de alta energía8 y se pueden utilizar mediciones precisas de su sección transversal (n,γ) para mejorar los códigos y así obtener una mejor comprensión del rendimiento del dispositivo. Además, recientemente Shusterman y sus colaboradores descubrieron que el 88Zr tiene una sección transversal de captura de neutrones térmicos inesperadamente alta de (8,61 ± 0,69)·105 graneros9. Presumiblemente, la gran sección transversal de neutrones térmicos del 88Zr es causada por una o más resonancias de baja energía. Se necesita un estudio detallado de la sección transversal de captura de neutrones del 88Zr en un amplio rango de energía para determinar las propiedades de su extremadamente alta sección transversal de captura de neutrones térmicos y obtener los primeros datos experimentales puntuales en energías de neutrones hasta el rango de keV para informar la precisión de los códigos de fluencia de neutrones. Un estudio de este tipo tendría repercusiones tanto a nivel fundamental como aplicado.

El Dispositivo para experimentos de captura indirecta de radionúclidos (DICER) es un novedoso instrumento de transmisión de neutrones que fue concebido, diseñado y desarrollado en el Centro Científico de Neutrones de Los Álamos (LANSCE). Se puede utilizar para medir y restringir estrictamente las secciones transversales (n,γ) en un amplio rango de energía realizando mediciones de transmisión de neutrones a través de la muestra como sustituto de los estudios directos de captura de neutrones. DICER es especialmente útil para mediciones de secciones transversales de captura de neutrones de pequeñas cantidades de radionucleidos altamente radiactivos, como el 88Zr. Esto se debe a que las distancias típicas entre la muestra y el detector en configuraciones de transmisión como DICER son del orden de decenas de metros, a diferencia de unos pocos dm en experimentos de captura directa de neutrones. Por lo tanto, los experimentos de transmisión sufren apreciablemente menos por el fondo de desintegración intrínseco del 88Zr, mientras que la proximidad cercana del detector de muestras en mediciones directas (n,γ) en radionucleidos los convierte en un desafío. Ya se han desarrollado varias otras técnicas indirectas para la determinación de la sección transversal (n,γ), como los métodos sustitutos10, función de intensidad de los rayos γ11,12, Oslo13,14,15,16 y β-Oslo17. Aunque se encontró que todos estos métodos son útiles, dependen mucho de la teoría y, por lo tanto, los valores de las secciones transversales obtenidos tienen incertidumbres muy altas. La técnica DICER mide las mismas resonancias de neutrones que determinan experimentalmente la sección transversal de captura de neutrones. Por lo tanto, el método DICER depende menos de la teoría y, por tanto, debería ser más preciso que otras técnicas indirectas.

El objetivo del presente trabajo fue producir de decenas a cientos de GBq de 88Zr mediante irradiación de protones en la Instalación de Producción de Isótopos de Los Alamos (IPF)18, separar el 88Zr producido del material objetivo y las impurezas y preparar un objetivo de 88Zr adecuado para neutrones. mediciones de transmisión en DICER.

Todo el trabajo experimental con el objetivo Y irradiado se realizó en las celdas calientes. Todos los métodos descritos, incluida la disolución del objetivo, la separación de cantidades de µg de Zr de cantidades de gramos de Y y la preparación del objetivo de Zr para mediciones de transmisión de neutrones, se desarrollaron y probaron primero con muestras no radiactivas.

Todas las soluciones se prepararon utilizando una balanza analítica. Todos los productos químicos utilizados en este trabajo se enumeran en la Tabla 1.

Las mediciones radiométricas cuantitativas se realizaron utilizando un detector de germanio de alta pureza (Ortec GEM30P4-76, coaxial, detector HPGe tipo p, 61,9 mm de diámetro, 43,4 mm de longitud y capa muerta de Ge/Li de 0,7 mm) con una eficiencia relativa del 31 % y una resolución. (FWHM) de 1,75 keV a 1332,49 keV. El detector HPGe se enfrió con nitrógeno líquido (sistema Ortec Möbius Recycler) y se acopló a un analizador de espectro digital (Ortec DSPEC502). El detector se calibró en el intervalo de energía de 60 a 1836 keV para la misma geometría (solución acuosa de 5 ml en 20 ml, vial de centelleo líquido de plástico) utilizando una solución de referencia de radionúclidos mixtos (trazable al NIST de Eckert y Ziegler, EE. UU.). Se realizaron comprobaciones diarias de calibración con una fuente de 152Eu (Eckert y Ziegler, EE. UU.). El conteo del tiempo muerto siempre se mantuvo por debajo del 10%.

Se realizaron mediciones radiométricas cualitativas de soluciones de carga, eluatos, residuos, vidrio y plástico, etc. directamente desde la celda caliente (mediciones entre pasillos) utilizando otro detector HPGe (Ortec GEM10P4-70-PL, coaxial, detector HPGe tipo p, 56,4 mm de diámetro, 29,2 mm de longitud y capa muerta de Ge/Li de 0,7 mm) que tiene una eficiencia relativa del 14% y una resolución (FWHM) de 1,57 keV a 1332,49 keV. El detector HPGe se enfrió con nitrógeno líquido (sistema Ortec Möbius Recycler) y se acopló a un analizador de espectro digital (Ortec DSPEC502).

Todos los espectros gamma se evaluaron utilizando el software Gamma Vision 7.01.03. Toda la vida media, las energías de emisión gamma y las probabilidades de emisión de fotones se tomaron del Proyecto de evaluación de datos de desintegración3.

Las concentraciones de elementos estables en el primer objetivo se midieron mediante espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) utilizando un Perkin-Elmer Optima 8000. El instrumento se calibró utilizando varios estándares de calibración trazables por el NIST, que se prepararon en la misma matriz que el muestra medida de 88Zr. Se realizaron controles de calidad varias veces entre mediciones utilizando una muestra con 0,2 mg·L-1 de Zr e Y, preparada con estándares diferentes a los utilizados para la calibración. Se midieron los siguientes elementos y se utilizaron longitudes de onda: 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). ). Los datos se evaluaron utilizando el software WinLab32 ICP.

Se encapsularon dos objetivos metálicos de itrio (Y) en una cápsula estándar de aluminio atornillable (ventana de ~ 1 mm) y el tercer objetivo se encapsuló en una cápsula de Inconel (ventana de ~ 0,5 mm). Todos los objetivos fueron irradiados en la posición del objetivo de baja energía en la Instalación de Producción de Isótopos (IPF)18. Se realizaron un total de tres irradiaciones, la primera en diciembre de 2020, la segunda en junio de 2021 y la tercera en agosto de 2022. Los parámetros objetivo y de irradiación se enumeran en la Tabla 2, incluida la carga integrada total recibida.

La corriente total del haz integrado que se muestra en la Tabla 2 es una función del haz total recibido durante la duración de la irradiación. Para el segundo objetivo irradiado, hubo un período de tiempo durante el cual el haz de protones estuvo apagado, lo que llevó a un tiempo de irradiación más largo para alcanzar la corriente integrada requerida de ~3000 µAh.

La ventana de energía de protones deseada se obtuvo mediante el uso de dos degradadores de aluminio aguas arriba del material objetivo Y para reducir la energía promedio del haz de protones a la energía incidente deseada de ~34 MeV en el objetivo Y.

Después de las irradiaciones, todos los objetivos fueron transportados a las instalaciones de radioquímica de LANL y desmontados o abiertos dentro de la celda caliente. El disco de metal Y del segundo objetivo estaba parcialmente roto. Todos los objetivos se disolvieron en ≈150 ml de HCl 6 mol·L-1 mediante la adición lenta de porciones de ≈10 ml. En todos los casos se observó la formación de un residuo negro insoluble y las suspensiones obtenidas primero se dejaron sedimentar, se decantaron y luego se filtraron utilizando un filtro de nitrato de celulosa de membrana de 0,45 µm. El filtrado y el filtro con el residuo negro se midieron mediante un detector HPGe y se encontró que las tasas de recuento de 88Zr y 88Y del filtro son significativamente más bajas (≈1%) en comparación con las tasas de recuento del filtrado. Holland y sus colaboradores hicieron observaciones y conclusiones similares19. Se descartó el filtro con el residuo negro y se tomó una pequeña alícuota del filtrado y se midió mediante HPGe.

Se cargaron dos gramos de resina de hidroxamato en una columna de polipropileno hecha a medida: 1,5 cm de diámetro, 11,5 cm de altura del lecho de trabajo, filtro de polietileno de 30 µm con un depósito de 100 ml en la parte superior. Esta columna se usó para cromatografía de flujo por gravedad y la columna cargada se lavó primero con agua y luego con 2 mol·L-1 de HCl. El filtrado con el objetivo metálico Y disuelto se diluyó con agua de 6 a ≈2 mol·L-1 HCl y la solución obtenida se pasó a través de la columna. El eluato se recogió en porciones de 50 ml y cada porción se midió mediante un detector HPGe para controlar la penetración de 88Zr. Después de la carga de 88Zr, la columna se lavó con aproximadamente 50 ml de HCl 2 mol·L-1 para eliminar cualquier posible Y. Luego, el 88Zr se eluyó mediante tres porciones de 10 ml de 1 mol·L-1 C2H2O4.

Casi todo el 88Zr se eluyó a través de los primeros 10 ml de 1 mol·L-1 C2H2O4 y a este eluido se agregaron 15 ml de 15,5 mol·L-1 HNO3 para descomponer el ácido oxálico según la reacción20,21:

Este procedimiento se repitió 2 veces más para asegurar la descomposición completa del ácido oxálico. Después de eso, se evaporó 88Zr en 15,5 mol·L-1 de HNO3 hasta ≈2 ml y se agregaron ≈10 ml de 6 mol·L-1 de HCl.

La matriz de la muestra de 88Zr se cambió de HCl a DCl mediante evaporación de la muestra hasta ≈2 ml y adición de DCl en D2O. La muestra obtenida se evaporó nuevamente hasta ≈1 mL y se agregaron otros 10 mL de DCl en D2O y se repitió el procedimiento una vez más. La solución final de 88Zr del objetivo 2 se evaporó para obtener 0,1041 g de ≈2 mol·L-1 DCl en D2O. La solución de circonio-88 del objetivo 3 también se disolvió en ≈2 mol·L-1 DCl en D2O y se observó la formación de un precipitado apenas visible.

Se calcularon estimaciones de las actividades previstas producidas para determinar la ventana de energía óptima, el espesor objetivo y la corriente de protones integrada requerida para la producción de las cantidades requeridas de 88Zr. Estas estimaciones se realizaron computacionalmente, utilizando la estación objetivo IPF conocida y la geometría objetivo Y, las fórmulas tradicionales de potencia de frenado y los datos de sección transversal predichos del modelo disponible. A continuación se proporciona la fórmula para la determinación de la velocidad de reacción integrada de un objetivo de cierto espesor x, del cual se puede extraer la actividad total producida en un rango de energía integral y tiempo de irradiación conocidos.

donde \(\rho /\frac{dE}{dx}\) es la inversa del poder de frenado de la masa, \({I}_{beam}\) es la intensidad del haz, N es la densidad numérica del material y \ (\upsigma (\mathrm{E})\) es la sección transversal microscópica que describe la probabilidad de generar un isótopo específico en un material objetivo determinado con una energía de protón específica. A partir de esta velocidad de reacción, se puede determinar una actividad total.

Las incertidumbres estocásticas (Tipo A) de todas las mediciones espectrométricas gamma (1σ) generalmente estaban entre el 3 y el 4%. Estas incertidumbres se combinaron con las incertidumbres de las mediciones volumétricas (dentro de la celda caliente) y se propagaron a las incertidumbres de las actividades EOB. Las mediciones de HPGe del filtrado de objetivos metálicos Y disueltos y del filtro con el residuo negro mostraron que las actividades de los radionucleidos en el residuo son aproximadamente del 1% en comparación con las actividades de estos radionucleidos en el filtrado. Estas incertidumbres se clasificaron como sistemáticas (Tipo B) y las actividades EOB de todos los radionucleidos se incrementaron en un 1% para tener en cuenta las pérdidas de actividad en el residuo negro. Las incertidumbres en la elución de 88Zr (1σ) de la columna de hidroxamato se calcularon a partir de duplicados (dos experimentos independientes con los objetivos 1 y 2). Las incertidumbres en las mediciones de ICP-OES se calcularon a partir de 2 alícuotas diferentes tomadas de la misma muestra.

Hay muchas vías nucleares para producir 88Zr y se encuentran disponibles revisiones exhaustivas de las rutas de producción comunes22,23,24. Estos métodos incluyen la irradiación de metal Mo natural, metal Nb monoisotópico natural, metal Zr natural o Y natural (ya sea en forma metálica u óxido). Algunos otros métodos más exóticos de producción de 88Zr incluyen la recuperación de 88Zr como subproducto de cápsulas de Nb irradiadas utilizadas como revestimiento de objetivos25,26 y la posible recolección de 88Zr en la Instalación de Haces de Isótopos Raros (FRIB)27. Dadas las energías de los protones y la gran sección transversal de producción de 89Y(p,2n)88Zr de casi 1 granero, el método que se puede utilizar para producir grandes cantidades de 88Zr libre de portadores en IPF es la irradiación de itrio monoisotópico natural en metal u óxido. forma.

Se utilizó una configuración de objetivo apilado en la estación de objetivo IPF que permitió que el material objetivo Y capturara el pico de la sección transversal de producción de 88Zr. En la Fig. 1a se muestran los datos experimentales de la literatura y las predicciones del modelo para las secciones transversales 89Y (p, 2n) 88Zr y 89Y (p, x) 88Y y las ventanas de energía objetivo Y predichas utilizando la configuración de la pila objetivo aguas arriba de IPF y el cálculo de la potencia de frenado. b, respectivamente.

(a) Datos de la literatura experimental23,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 (puntos) y datos TENDL 2019 predichos por el modelo38 (línea de puntos) para la sección transversal 89Y(p,2n)88Zr y la ventana de energía objetivo Y prevista (gris). (b) Datos de la literatura experimental23,29,30,31,32,37 (puntos) y datos TENDL 2019 predichos por el modelo38 (línea de puntos) para la sección transversal 89Y(p,x)88Y y la ventana de energía objetivo Y predicha (gris) .

Como se muestra en la Fig. 1a, existe una buena concordancia entre los datos experimentales23,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37 y TENDL 201938 para la sección transversal 89Y(p,2n)88Zr, que es típico de las reacciones (p,2n), así como de las reacciones (p,n) como 89Y(p,n)89Zr. Sólo los datos de Levkovski29 son aproximadamente 100-200 mb más altos en el rango de energía de 15-30 MeV. Levkovski29 utilizó objetivos altamente enriquecidos para medir datos de sección transversal inducidos por protones y obtener funciones de excitación para aproximadamente 300 reacciones. Usó la reacción natMo(p,x)96Tc para monitorear la intensidad del haz y el valor de la sección transversal de 250 mb a 30 MeV para esta reacción. Posteriormente se descubrió que casi todos los datos de sección transversal obtenidos por Levkovski29 son sistemáticamente más altos y esto se explica por el uso de datos de sección transversal del monitor natMo(p,x)96Tc demasiado altos39. Por lo tanto, Takacs et al.39 y Qaim et al.40 propusieron utilizar factores de corrección de 0,8 y 0,82 para los datos de Levkovski29, respectivamente. Por el contrario, como se muestra en la Fig. 1b, casi todos los datos experimentales para la sección transversal 89Y(p,x)88Y son aproximadamente 100 mb más bajos en comparación con los datos TENDL 201938 en el rango de energía de 25 a 35 MeV y solo los datos de Levkovski29 se ajustan a TENDL. Los datos de 201938 son bastante buenos. Como se analizó anteriormente, los datos de sección transversal de Levkovski29 están sujetos a incertidumbres sistemáticas y deberían reducirse en aproximadamente un 20%.

Como material objetivo se podría elegir itrio metálico u óxido de itrio. Para las mismas dimensiones del objetivo y ventana de energía, es preferible el Y metálico porque hay más átomos de Y por unidad de área objetivo y, como resultado, mayores rendimientos integrales del objetivo grueso de 88Zr. Sin embargo, el Y metálico es químicamente agresivo y las partículas finas son pirofóricas, por lo que es difícil fabricar objetivos metálicos en Y mediante compresión de polvo. El metal Y a granel es estable en el aire debido a la pasivación de su superficie (formación de Y2O3). Finalmente, la pureza del material objetivo inicial es de gran importancia, porque incluso pequeñas cantidades de impurezas estables en el objetivo podrían dar lugar a altas actividades de radionucleidos de impurezas coproducidas si la sección transversal es grande. El óxido de itrio con una pureza muy alta (99,999%) está ampliamente disponible, mientras que la disponibilidad del metal Y de alta pureza es limitada porque es químicamente agresivo y difícil de sintetizar. Por ejemplo, uno de los métodos utilizados para obtener Y metálico es la reducción de YF3 en un crisol de tantalio a 1550 °C mediante Ca metal en atmósfera de argón y el metal reducido generalmente contiene algo de Ca (≈0,02 en peso%), Ta (≈0,3 wt%), Fe (≈0,05 wt%), tierras raras (≈0,1–0,2 wt%), así como algunas impurezas no metálicas. La purificación adicional del metal Y incluye su posterior fusión al vacío y da como resultado la separación del Y de Ca, Ta y Fe (<0,01–0,001% en peso). La separación del Y metálico de algunas tierras raras y de algunas impurezas no metálicas (H, C, O, N) es muy difícil41. Tanto el Y metal como el Y2O3 se pueden disolver en HCl relativamente diluido (≈2 mol·L-1).

Como se mencionó anteriormente, 89Zr es un radionucleido inmuno-PET prometedor y, por lo tanto, muchos autores han estudiado su producción. De manera similar al 88Zr, se pueden producir grandes cantidades de 89Zr mediante la irradiación de metal Y o Y2O3 en un haz de protones, pero con energías de protones más bajas. Por lo general, sólo se han utilizado objetivos pequeños (1 go menos) para producir cantidades de GBq (mCi) de 88Zr o 89Zr y algunos autores seleccionaron itrio metálico9,19,42,43,44,45,46,47,48,49 ( normalmente pulverizado sobre Nb o Cu) u óxido de itrio prensado50,51,52 como material objetivo. También se han estudiado objetivos de nitrato de itrio líquido42 para la producción de 89Zr.

En este trabajo, se eligió itrio metálico como material objetivo y se colocaron objetivos gruesos de pulverización catódica de itrio metálico (≈20 g) dentro de un portaobjetos de aluminio atornillado o se encerraron en una cápsula de Inconel y se irradiaron con un haz de protones de alta intensidad para explorar la viabilidad. de producción de 88Zr de decenas a cientos de GBq.

Después de la irradiación, los objetivos se entregaron a las instalaciones de celdas calientes de LANL y se permitió que las impurezas radiactivas de corta duración se desintegraran. Todos los objetivos (≈20 g cada uno) se disolvieron en ≈150 ml de HCl 6 mol·L-1 mediante la adición lenta de alícuotas de ≈10 ml y la disolución tomó ≈30 min. Algunos autores utilizaron HCl menos concentrado, por ejemplo Mejs et al.44 disolvieron un pequeño objetivo de pulverización catódica de metal Y irradiado sobre soporte de Cu en 1 mol·L-1 de HCl a temperatura ambiente y agregaron H2O2 para asegurar la oxidación completa del Zr. Otros autores también utilizaron HCl 1 mol·L-1 relativamente diluido para disolver pequeños objetivos metálicos Y43,47,48,49 y una disolución lenta generalmente seguida de una evaporación hasta sequedad y una redisolución en el medio deseado. Queern et al.45 utilizaron HCl 2 mol·L-1 más concentrado y 80 °C para acelerar el proceso de disolución. Otro procedimiento comúnmente utilizado fue desarrollado por Holland y colaboradores19 e incluye la disolución del objetivo metálico Y en 6 mol·L-1 de HCl a temperatura ambiente y la adición de H2O242,46. Finalmente, a veces también se usa HCl concentrado (10 mol·L-1 o más) para disolver objetivos de metal Y o Y2O350,51; en este caso, 88Zr o 89Zr se separa del Y estable usando una resina de intercambio aniónico. En este trabajo, los experimentos preliminares con el metal estable Y mostraron que la concentración óptima de HCl para una disolución masiva (≈20 g) del objetivo Y es de 6 mol·L-1 o más. También se pueden usar concentraciones más bajas de HCl (2–6 mol·L-1), pero en esos casos el proceso de disolución lleva más tiempo, mientras que la disolución de un objetivo de metal Y masivo en 1 mol·L-1 de HCl es difícil. Estos resultados concuerdan excelentemente con los resultados obtenidos por Holland y colaboradores19. Por lo tanto, en este trabajo se utilizó un procedimiento de disolución similar pero a mayor escala, con la excepción de que no se añadió peróxido de hidrógeno.

Después de la disolución de todos los objetivos en 6 mol·L-1 HCl, observamos la formación de un residuo negro insoluble, que se separó de la fase líquida y se midió mediante un detector HPGe. Se encontró que el residuo contiene una cantidad insignificante de 88Zr y 88Y (≈1%) en comparación con la cantidad de 88Zr y 88Y en la fase líquida. Desafortunadamente, la formación de residuos insolubles generalmente no se analiza en la literatura, y tales observaciones fueron reportadas sólo por unos pocos autores. Por ejemplo, Holland y colaboradores19 informaron la formación de un residuo negro insoluble cuando un objetivo de metal Y irradiado (0,33 g) se disolvió en 2 ml de HCl 6 mol·L-1 a temperatura ambiente. Los autores plantearon la hipótesis de que el residuo negro es una forma insoluble de cloruro de itrio, mientras que nosotros pensamos que es hidruro de itrio (YHx donde x es igual a 1, 2 o 3), que probablemente se forma durante la irradiación de protones del itrio metálico. El hidrato de itrio es un compuesto negro que es insoluble en medios acuosos. Con base en los resultados de este trabajo, hemos concluido que este residuo casi no contiene Zr y esta conclusión concuerda con los resultados de Holland et al.19. Este residuo negro se descartó y se tomó una pequeña alícuota del filtrado y se midió mediante HPGe. Las actividades de todos los radionucleidos se midieron mediante un detector HPGe después de 86 días (objetivo 1), 10,42 días (objetivo 2) y 6,21 días (objetivo) 3 de enfriamiento, se recalcularon hasta el final del bombardeo (EOB) y se corrigieron según el factor de dilución. de la alícuota y se compara con los rendimientos estimados utilizando los datos de sección transversal previstos del modelo TENDL 201938 (Tabla 3), con la excepción de 87Y, que se presenta en la fecha y hora de medición.

Como se muestra en la Tabla 3, se produjeron 7,9 (3) GBq, 22 (1) GBq y 181 (6) GBq de 88Zr en el EOB a partir del primer, segundo y tercer objetivo, respectivamente. La actividad EOB de 88Zr fue del 95% del valor previsto para el primer objetivo, del 76% para el segundo objetivo y del 102% para el tercer objetivo. Las actividades EOB de 89Zr en el segundo y tercer objetivo fueron el 95% y el 109% del valor previsto, respectivamente. No se detectó circonio-89 en el primer ensayo objetivo debido al largo tiempo de enfriamiento (86 días). Las actividades EOB medidas de 88Zr y 89Zr concuerdan bien con los valores previstos, como se esperaba.

La actividad significativa del 88Y presente en la muestra del primer objetivo (90 kBq, Tabla 3) es el resultado de largos tiempos de enfriamiento y la desintegración del 88Zr en 88Y. Las actividades medidas de 88Y calculadas a EOB en el primer, segundo y tercer objetivo se corrigieron para la desintegración de 88Zr (Tabla 3) y son solo el 66%, 51% y 74% de los valores predichos, respectivamente. Esta discrepancia puede explicarse por el hecho de que los datos de sección transversal TENDL 2019 89Y (p, x) 88Y38, que se utilizaron para las estimaciones, son significativamente más altos que los datos experimentales en la ventana de energía utilizada (Fig. 1b).

También se midió otro isótopo de itrio, el 87Y, en el segundo y tercer ensayo objetivo (Tabla 3). Dado el largo período de desintegración del primer objetivo antes del procesamiento y la cuantificación de la actividad, este isótopo se había desintegrado por completo antes del ensayo y, por lo tanto, no se presentan datos sobre este isótopo para el objetivo 1. Al igual que el 88Y, el 87Y se produce directamente en el haz de protones y de la desintegración de los radionucleidos originales: 87Zr y 87mY. Ambos radionucleidos originales también se producen directamente. Las actividades de 87Zr y 87mY en las muestras medidas estuvieron por debajo del límite de detección, ya que ambas tienen una vida corta (87Zr t1/2 = 1,68 h, 87mY t1/2 = 13,37 h) en relación con el tiempo total de desintegración antes de la medición. Por lo tanto, las actividades medidas de 87Y presentadas en la Tabla 3 no se proyectaron a EOB y solo reflejan la actividad en el momento de la medición, incluida la desintegración de 87Y producida directamente y la alimentación de 87Y a través de la desintegración de 87Zr y 87mY. Las actividades previstas de 87Y se calcularon sumando la cantidad de 87Y producida en EOB y la desintegración y el posterior crecimiento interno debido a la desintegración de 87Zr y 87mY a la fecha y hora de las mediciones. Como se muestra en la Tabla 3, la actividad medida de 87Y es 18 % y 45 % de las actividades previstas para los objetivos 2 y 3, respectivamente. Como la ventana de energía en los objetivos estaba ubicada en el umbral para las reacciones 87Y y de los padres, las incertidumbres en la pérdida de energía de los protones y el rezago, así como en las secciones transversales de TENDL y los umbrales de energía de la sección transversal, podrían contribuir a las discrepancias.

La presencia de vanadio-48 (t1/2 = 15,97 días) es muy probablemente el resultado de la reacción del 48Ti(p,n)48 V. El titanio-48 es el isótopo natural de titanio más abundante (73,7%) y probablemente estaba presente en el objetivo de metal Y como impureza. Meijs y sus colaboradores44 obtuvieron resultados similares, quienes irradiaron un objetivo de pulverización catódica de metal Y en un haz de protones (1 h, 100 µA) para producir 4,8 GBq de 89Zr. Midieron 56Co, 65Zn y 48 V en el objetivo de metal Y disuelto. La presencia de 48V (t1/2 = 15,97 días) y 56Co (t1/2 = 77,24 días) también se explicó por la reacción (p,n) en las impurezas objetivo naturales de Fe y Ti, respectivamente, y se confirmó mediante X inducido por p. -espectrometría de emisión de rayos del material objetivo.

Existen muchos métodos diferentes que se pueden utilizar para separar pequeñas cantidades (GBq o mCi o ≈10–5 mol·L-1) de 88Zr o 89Zr de cantidades en gramos de itrio. Hay muchos métodos de separación disponibles debido a la diferencia fundamental de los iones Zr4+ e Y3+ y su comportamiento en soluciones acuosas. Según Shannon53, los radios iónicos efectivos de Zr4+ e Y3+ en coordinación ocho veces mayor son iguales a 0,84 Å y 1,019 Å, respectivamente. Generalmente, la química de la solución acuosa de Y es similar a la química de la solución de lantánidos pesados, mientras que la química de la solución de Zr es similar a la del Hf y es compleja debido a la alta carga y el pequeño radio iónico. Incluso en concentraciones traza (10–9 a 10–11 mol·L−1), Zr4+ se hidroliza y compleja fácilmente en medios acuosos y tiende a formar varias especies poliméricas y coloides incluso en medios ácidos de HCl (≈ pH < 1,5). La química acuosa del Zr4+ se complica aún más por la lenta cinética de polimerización. Muchos autores han estudiado la hidrólisis de Zr y se encuentra disponible una revisión exhaustiva54. Según la revisión54, el Zr4+ puede formar varias especies monoméricas y poliméricas y los datos experimentales muestran que el Zr4+ comienza a hidrolizarse relativamente lentamente a concentraciones de H+ de 0,1 mol·L-1 en medios NaClO4. Por lo tanto, se concluyó que una concentración de HCl de ≈2 mol·L-1 es suficiente para evitar la polimerización del Zr4+ y mantenerlo mayoritariamente como ion Zr4+ libre o como complejo de cloruro de circonio.

Algunos de los métodos de separación de trazas de Zr de cantidades en gramos de Y incluyen:

Cromatografía de extracción de Zr mediante resinas a base de hidroxamato u otras resinas

Cromatografía de intercambio aniónico de Zr.

Cromatografía de intercambio catiónico de Zr.

Una revisión de la literatura sobre esfuerzos anteriores muestra que la separación de pequeñas cantidades de 89Zr u 88Zr de gramos de Y mediante cromatografía de extracción con la resina a base de hidroxamato es el método más utilizado5,19,44,45,47,49. El método de separación fue desarrollado por Mejs et al.44 y estudiado con más detalle por Verel et al.49 y Holland et al.19 y se basa en la capacidad del Zr4+ para formar complejos fuertes con hidroxamatos en una amplia gama de HCl y HNO3. concentraciones. El método da como resultado un 89Zr de alta pureza y calidad radiofarmacéutica. Las constantes de estabilidad de los complejos acuosos de Zr con varios ligandos de hidroxamato son muy altas (log10(β0) ≈ 40)55,56. Se retienen muy eficientemente trazas de Zr4+ en la resina de hidroxamato en medios HCl o HNO3 (los valores D oscilan entre 104 y 105), mientras que la afinidad de Y3+ es limitada (los valores D oscilan entre 1 y 10)44. Como se analizó en la parte de objetivos de este trabajo, las impurezas típicas en el objetivo de metal Y podrían incluir otros metales de tierras raras. Se espera que la afinidad de los lantánidos y Sc por los grupos funcionales hidroxamato sea similar a la del Y y, por tanto, el método también se puede utilizar para separar Zr de otros metales de tierras raras. Otras posibles impurezas en el metal Y incluyen Ca, Fe y Ta. También podría estar presente titanio, como se demostró en este y otros trabajos44 (se midió y produjo 48V mediante reacción (p,n) sobre 48Ti natural). Se espera que la afinidad del Ca por la resina de hidroxamato esté limitada en todo el rango de concentraciones de HCl y la retención de Fe esté limitada de 1 a 6 mol·L-1. Los valores D de algunos metales tetra y pentavalentes, incluidos Ti y Ta, en resinas a base de hidroxamato, son muy altos en un amplio rango de concentraciones de HCl57 y estos elementos seguirán al Zr en el procedimiento de separación. La elución de Zr de la resina de hidroxamato se puede realizar utilizando diversos agentes quelantes, pero normalmente se utiliza ácido oxálico porque el eluato de ácido oxálico 89Zr se puede utilizar directamente para marcar de forma rápida y eficaz anticuerpos monoclonales49. La afinidad del circonio por los grupos funcionales hidroxamato es muy alta y normalmente se utilizan ≈10 ml de 1 mol·L-1 de ácido oxálico (que está cerca de la saturación) para la elución. El logaritmo decimal de la constante de estabilidad del complejo predominante [Zr(C2O4)4]4− con fuerza iónica cero (log10 β0) es 29,758, mientras que la estabilidad del Ti y algunos otros elementos es menor y se puede lograr cierto grado de separación del Zr. logrado. La resina a base de hidroxamato se puede sintetizar fácilmente funcionalizando una resina de intercambio catiónico débil con grupos hidroxamato utilizando el procedimiento descrito anteriormente19 y está disponible comercialmente. También se pueden utilizar otras resinas cromatográficas de extracción (resinas TEVA, UTEVA, TRU y LN) para separar 89Zr de objetivos Y irradiados51.

Otro método ampliamente utilizado para la separación de trazas de Zr del Y en masa es la cromatografía de intercambio aniónico9,50,59 y están bien establecidas las resinas de intercambio aniónico fuertes basadas en grupos funcionales de amonio cuaternario. El método se basa en la formación de complejos ZrCl5- y ZrCl62- a concentraciones de HCl de 8 mol·L-1 o superiores, mientras que el itrio no forma complejos cargados negativamente en medios HCl. El método tiene una selectividad similar a la del método del hidroxamato, porque normalmente sólo los metales tetra o pentavalentes forman complejos cargados negativamente en HCl concentrado. Muchas resinas de intercambio aniónico están disponibles comercialmente y O'Hara y colaboradores59 evaluaron el desempeño de tres resinas de intercambio aniónico diferentes para el aislamiento de 89Zr: AG 1-X10, AG MP-1 M y Toyopearl QAE-550C. Las tres resinas están basadas en amonio cuaternario. Los autores recomiendan el uso de AG MP-1 M debido a su mayor capacidad para retener 89Zr de soluciones que contienen altas concentraciones de Y disuelto. La elución de 89Zr de una columna de intercambio aniónico se puede realizar usando HCl puro con concentraciones de 6 mol·L-1 o menos, así como algunos otros ácidos minerales, pero la adición de algo de F- al HCl mejora los perfiles de elución de Zr y su selectividad de elución. . Probablemente esto se deba a la formación de complejos mixtos de Zr con Cl- y F-. En general, se puede realizar la elución selectiva de Zr de una columna de intercambio aniónico y se puede obtener la separación de muchos otros elementos (por ejemplo, Nb, Ta, W, Mo)60.

También se pueden utilizar resinas de intercambio catiónico fuertes para separar Zr de muchos elementos, incluido el Hf, mediante elución selectiva de Zr. Algunos autores43,50 utilizaron este método para la separación de 88Zr y 89Zr de objetivos de metal Y y Y2O3 irradiados. Hasta donde sabemos, aún no se ha desarrollado la separación de 88Zr o 89Zr de objetivos Y irradiados utilizando sorbentes inorgánicos resistentes a la radiación (Al2O3, TiO2, etc.).

En este trabajo, se seleccionó resina de hidroxamato para la separación de 88Zr y el método se amplió para separar decenas a cientos de cantidades de GBq de 88Zr (≈10–5 mol·L-1) de ≈20 g de objetivos metálicos Y irradiados. Los objetivos Y se disolvieron en 150 ml de HCl de 6 mol·L-1 y posteriormente se diluyeron a 450 ml con agua para alcanzar una concentración final de 2 mol·L-1. La solución objetivo contenía cantidades de GBq de 88Zr, así como otros radionucleidos coproducidos. Esta solución se cargó en una columna personalizada hecha internamente y se llenó con 2 g de resina de hidroxamato y se lavó previamente primero con agua y luego con 2 mol·L-1 de HCl. Este eluato se recogió en porciones de 50 ml y se midió mediante un detector HPGe. La principal emisión gamma de 88Zr (392,1 keV) no estaba presente en estos espectros, lo que significa que no se produjo una ruptura del 88Zr y más del 99% del 88Zr estaba cargado. Después de eso, la columna se lavó con aproximadamente 50 ml de HCl 2 mol·L-1 para eliminar cualquier posible residuo de Y. El circonio-88 se eluyó mediante tres porciones de 10 ml de 1 mol·L-1 C2H2O4 y su perfil de elución se muestra en la Fig. 2.

Perfil de elución para 88Zr en una columna de hidroxamato (2 g). Las barras de error corresponden a una desviación estándar de 1σ calculada a partir de duplicados.

Como se muestra arriba, se eluyó el 94(5)% del 88Zr en la primera porción de 10 ml de 1 mol·L-1 C2H2O4, mientras que la segunda y tercera eluciones de 10 ml dieron como resultado una elución del 6(5)% y una elución del 0,1(1). )% de elución de 88Zr, respectivamente. Anteriormente se informaron rendimientos de elución de 89Zr similares en columnas de hidroxamato45,49. Sólo se utilizó la primera elución para experimentos posteriores y se descartaron la segunda y tercera eluciones. En el espectro medido solo estuvieron presentes emisiones gamma de 88Zr, 89Zr y emisiones gamma débiles de 88Y encarnado, lo que significa que 88Zr se separó eficientemente del Y estable, así como de la impureza 48V con factores de separación de más de 300.

Para la primera elución (10 mL de 1 mol·L-1 C2H2O4 con 94(5)% de 88Zr), el ácido oxálico se descompuso mediante la adición de 15 mL de 15,5 mol·L-1 HNO320,21:

Este procedimiento se repitió 2 veces más, luego la muestra se evaporó nuevamente y se agregaron ≈10 ml de HCl 6 mol·L-1. Esta muestra se diluyó y midió mediante ICP-OES. Los resultados de las mediciones de ICP-OES se enumeran en la Tabla 4.

Como se muestra en la Tabla 4, se midió Ca en la muestra de 88Zr. Lo más probable es que el Ca estuviera presente en los ácidos minerales utilizados (HCl y HNO3) y se concentrara durante muchas evaporaciones. La concentración del Zr medido fue bastante baja debido a una dilución significativa de la alícuota tomada de una muestra de 88Zr altamente radiactiva. Los experimentos preliminares con Zr frío y estable sin adición de ningún radiotrazador no requirieron diluciones ni evaporaciones y la concentración medida de Ca estuvo por debajo del límite de detección (≈5 µg·L-1); sin embargo, se detectó cierta cantidad de Y estable. La detección de Y mostró que se requieren lavados de columna adicionales con 2 mol·L-1 HCl para eliminar completamente todo el Y. Los isótopos estables de Ca y el 89Y monoisotópico estable son casi transparentes para los neutrones y, por lo tanto, la presencia de estos elementos no afectaría las mediciones de transmisión de neutrones. . Los resultados obtenidos en este trabajo se pueden comparar con el resultado obtenido por Queern y colaboradores45 que utilizaron ICP-MS para medir impurezas estables en la muestra de 89Zr, que se produjo mediante la irradiación de varios objetivos metálicos Y, y también detectaron algo de Y estable en conjunto. con Zr, Al y Fe.

Recientemente, se diseñó y puso en servicio en LANSCE un nuevo instrumento para mediciones de transmisión de neutrones. Este instrumento (DICER) fue desarrollado para estudiar secciones transversales de captura y neutrones totales y es especialmente útil para medir secciones transversales de neutrones totales de muestras altamente radiactivas, como 88Zr, como se analizó anteriormente.

Dada la sección transversal de captura térmica extremadamente grande del 88Zr de 8,61·105 b9, el objetivo principal del experimento DICER fue cuantificar la resonancia presumiblemente responsable de una sección transversal tan grande. Teniendo en cuenta la gran sección transversal de captura de neutrones y el pequeño haz de neutrones de 1 mm de diámetro disponible en la posición de la muestra, se estimó que solo se necesitaba una pequeña cantidad (~1,4 µg) de 88Zr. Las simulaciones con el código de matriz R SAMMY61 indicaron que esta cantidad de 88Zr debería ser suficiente para determinar con precisión los parámetros de resonancia responsables de la gran sección transversal térmica.

Para obtener la sección transversal total de neutrones para el nucleido de interés (por ejemplo, 88Zr), se necesitan dos mediciones de transmisión: muestreo de entrada y muestreo de salida. Entonces, la relación de estas dos mediciones, normalizada al flujo de neutrones en cada medición, es la transmisión del nucleido de interés, a partir de la cual se puede calcular la sección transversal total de neutrones. En el presente caso, la muestra para la medición de entrada de muestra contiene el propio 88Zr, la matriz de la muestra y cualquier "ventana" utilizada para contener la muestra a través de la cual debe pasar el haz de neutrones. La muestra para la medición de salida contiene los mismos materiales que la muestra de entrada, excepto el 88Zr. Por lo tanto, la matriz de muestra y las “ventanas” pueden estar hechas de muchos materiales, siempre que no absorban o dispersen tantos neutrones que la medición lleve demasiado tiempo.

La muestra también debe ser uniforme para garantizar que los parámetros de resonancia extraídos sean precisos. Se puede lograr una distribución uniforme de los átomos en forma gaseosa, líquida y sólida. Sin embargo, el trabajo experimental con compuestos radiactivos volátiles requiere enormes precauciones de protección radiológica. La síntesis química de compuestos sólidos inorgánicos simples de Zr generalmente resulta en polvo y el trabajo experimental con polvo radiactivo también es un desafío. Además, es difícil llenar el recipiente experimental con polvo de 88Zr radiactivo y empaquetar este polvo en este recipiente para lograr una distribución uniforme. Se deben utilizar técnicas especiales para obtener una distribución uniforme de los átomos de 88Zr en forma sólida, por ejemplo, galvanoplastia, impresión por inyección u otras. Los iones metálicos sufren diversas interacciones en solución, incluida la electrostática, y generalmente se distribuyen uniformemente en forma líquida como iones cargados o complejos. Además, trabajar con líquidos altamente radiactivos es más fácil desde el punto de vista de la protección radiológica. La cantidad requerida de 88Zr era lo suficientemente pequeña (~1,4 µg) como para que fuera factible disolverla en un disolvente líquido dentro del volumen disponible (~10 µL de muestra, suponiendo un recipiente de muestra de 1,2 mm de diámetro y 1 cm de largo). Este enfoque debería garantizar una muestra uniforme y facilitar en gran medida la carga del material en un recipiente pequeño y adecuado mediante, por ejemplo, una jeringa de µL. Por lo tanto, una muestra líquida de 88Zr es la forma más adecuada para mediciones de transmisión de neutrones. Se puede resumir que existen algunos requisitos importantes para la muestra de 88Zr preparada para mediciones de transmisión de neutrones en DICER:

Una cantidad suficiente de 88Zr para determinar con precisión los parámetros de resonancia responsables de la gran sección transversal térmica.

Matriz de muestra transparente a neutrones y minimización de dispersores de neutrones como el hidrógeno.

Distribución uniforme de átomos de 88Zr en la matriz y el recipiente de la muestra.

La muestra debe ser compatible con el factor de forma de DICER (1,2 mm de diámetro, 1 cm de longitud).

Se pueden utilizar varios disolventes para disolver y preparar ~1,4 µg de muestra de 88Zr. Debido a que el hidrógeno tiene una sección transversal total de neutrones bastante grande a bajas energías62, se deben evitar los disolventes que lo contienen. Por el contrario, la sección transversal total de neutrones del deuterio es sólo aproximadamente 1/7 de la del hidrógeno a estas energías, por lo que los disolventes deuterados son aceptables. Por ejemplo, la transmisión de neutrones con energía térmica para una muestra de agua de 10 µl de volumen y 1,2 mm de diámetro es sólo aproximadamente del 17 %, mientras que para agua deuterada de las mismas dimensiones es aproximadamente del 78 %. El tetracloruro de carbono es el disolvente orgánico más común, que no contiene átomos de H y que en el presente caso también presenta una transmisión de neutrones aceptablemente alta. Es un disolvente no polar, líquido a temperatura ambiente y no inflamable. No se puede utilizar por sí solo para disolver suficiente 88Zr (1,4 µg en 10 µL), pero se puede utilizar como diluyente en el sistema de extracción con disolvente. Significa que se pueden disolver varias moléculas orgánicas (agentes de extracción) en CCl4 y este sistema de extracción se puede utilizar para extraer 88Zr de la fase acuosa a la fase de CCl4. La mayoría de los agentes de extracción son moléculas orgánicas, lo que significa que también contienen átomos de H, pero su concentración puede mantenerse relativamente baja (por ejemplo, 0,1 mol·L-1). Se encuentra disponible una revisión exhaustiva de los sistemas de extracción con solventes para la extracción de Zr63 y muestra que muchos agentes de extracción pueden extraer Zr de medios acuosos de nitrato o cloruro en CCl4. En este trabajo se seleccionaron y compararon dos sistemas de extracción con solventes comunes: tributilfosfato (TBP) en CCl4 y 2-tenoiltrifluoroacetona (TTA) en CCl4.

La 2-tenoiltrifluoroacetona (TTA) es una molécula de dicarbonilo (C8H5F3O2S) que se puede utilizar para la extracción de varios iones metálicos, incluido Zr. Un ion circonio se combina con la forma enol de TTA. El tributilfosfato (TBP) es un éster de ácido fosfórico con n-butanol (PO(C4H9O)3) y se usa ampliamente en la extracción con solventes, especialmente para la extracción de lantánidos y actínidos de medios acuosos de nitrato. Tanto las moléculas de TTA como las de TBP contienen átomos de H y, como se analizó anteriormente, los átomos de H tienen una sección transversal total de neutrones alta y limitan la transmisión de neutrones. Por lo tanto, es importante calcular el número de átomos de H y otros en cada sistema de extracción y luego evaluar la transmisión de neutrones a través de la muestra.

El-Hefny y sus colaboradores64 estudiaron la extracción con solvente de Zr de medios de nitrato en una fase orgánica que contiene TTA (C8H5F3O2S) como agente de extracción y tetracloruro de carbono (CCl4) como diluyente y demostraron que la extracción de Zr de medios acuosos de nitrato ocurre a través del siguiente mecanismo de intercambio iónico:

Combinando la constante de equilibrio de extracción (Kex) para la reacción anterior y la relación de distribución de Zr (D) se obtiene:

La constante de equilibrio de extracción para la reacción anterior es 99,73 y ≈1 mol·L-1 es la concentración óptima de HNO3 para la extracción de Zr64.

TBP extrae el complejo de nitrato de circonio mediante un mecanismo de solvatación65:

El valor D para esta reacción es igual a:

Como se muestra en la ecuación anterior, el valor D y la cantidad de Zr extraído dependen significativamente de la concentración de TBP y HNO3. Según la literatura65, Kex para la reacción anterior es 0,016 a ≈5 mol·L-1 de HNO3.

Según definición el porcentaje de extracción es:

La cantidad de Zr extraída en CCl4 como función de la concentración de TTA o TBP en CCl4 se puede calcular sustituyendo el porcentaje de extracción en valores D y se muestra en la Fig. 3.

Cantidad de Zr extraído en CCl4 en función de la concentración de TTA o TBP en CCl4 a partir de 1 mol·L-1 HNO3 (TTA) y 5 mol·L-1 HNO3 (TBP).

Como se muestra en la Fig. 3, 0,3 mol·L-1 de TTA dan como resultado el 95,6% de Zr extraído de 1 mol·L-1 de HNO3 en CCl4, mientras que la misma concentración de TBP da solo el 47,4% de Zr extraído de 5 mol· L-1 HNO3 en CCl4. Además, una molécula de TTA contiene sólo cinco átomos de H y una molécula de TBP contiene veintisiete átomos de H. Por lo tanto, se puede concluir que una muestra de 88Zr preparada usando TTA en el sistema CCl4 contiene menos átomos de H y tiene una mayor transmisión de neutrones.

La transmisión de neutrones medida a través de un objetivo de natZr en blanco preparado usando TTA en el sistema de extracción por solvente CCl4 y ventanas de Pb se compara con la transmisión esperada utilizando las últimas secciones transversales evaluadas62 en la Fig. 4.

Transmisión de neutrones DICER y ENDF medida a través del objetivo TTA/CCl4 natZr: 8 µL de muestra de CCl4 con 0,3 mol·L-1 TTA con 1,4 µg de ventanas natZr y Pb. Las barras de error corresponden a 1σ.

Como se muestra en la Fig. 4, la transmisión de neutrones a través del objetivo de natZr en blanco preparado usando TTA en un sistema de extracción por solvente CCl4 y ventanas de Pb es aceptablemente alta en el rango de energía mostrado y los datos experimentales de DICER concuerdan bien con el Archivo de datos nucleares evaluados (ENDF). ). Por lo tanto, la Fig. 4 ilustra que la muestra de TTA/CCl4 en blanco de natZr se desempeñó como se esperaba y que la transmisión de neutrones a través de esta muestra es lo suficientemente alta como para ver la atenuación esperada con la muestra de 88Zr. Las mediciones de transmisión se realizaron con un filtro de cadmio en el haz que elimina neutrones por debajo de aproximadamente 0,3 eV y, por lo tanto, no fueron posibles mediciones con energía térmica (0,0253 eV). Sin embargo, la transmisión calculada de energía térmica, utilizando la última evaluación, es inferior a la deseada, lo que indica que se prefiere la matriz alternativa de agua pesada para el experimento de 88Zr.

El agua pesada (D2O) es otro disolvente libre de hidrógeno que se puede utilizar para preparar un objetivo de 88Zr y se encuentran disponibles comercialmente varios compuestos de deuterio, incluido el D2O y algunos ácidos minerales de deuterio (p. ej., DCl, DNO3) con grados de deuteración de hasta el 99,95%. . Se puede usar agua pesada pura para preparar el objetivo, pero como se analizó anteriormente, el Zr4+ se hidroliza y polimeriza fácilmente en medios acuosos y se puede esperar un comportamiento similar en agua pesada pura a pH neutro. La formación de especies poliméricas de Zr o la sorción de Zr podrían dar como resultado una distribución no uniforme de los átomos de Zr en el objetivo y comprometer las mediciones de transmisión de neutrones. Por lo tanto, el objetivo de 88Zr debe prepararse utilizando ácido a base de deuterio en D2O. Se seleccionó una concentración de DCl de 2 mol·L-1 en D2O como disolvente potencial para la preparación del objetivo de 88Zr. La transmisión de neutrones a través del blanco natZr en blanco preparado usando 2 mol·L-1 DCl en D2O (con 99,95% de átomos de D) y ventanas de Pb se muestra en la Fig. 5.

Transmisión de neutrones DICER y ENDF medida a través del objetivo DCl/D2O natZr: 8 µL de 2 mol·L−1 DCl en D2O (con 99,95 % de átomos de D) y 1,4 µg de ventanas natZr y Pb. Las barras de error corresponden a 1σ.

Según la Fig. 5, la transmisión de neutrones a través del objetivo de natZr preparado usando 2 mol·L-1 DCl en D2O es suficientemente alta y aproximadamente el 35% del flujo de neutrones es absorbido por la matriz de la muestra (2 mol·L-1 DCl en D2O). y ventanas de Pb. Por lo tanto, 2 mol·L−1 DCl en D2O es una matriz adecuada para el objetivo de 88Zr para mediciones de transmisión de neutrones en DICER. Cuatro resonancias que se muestran en la Fig. 5 se deben al 2,6% (en peso) de impurezas de Sb en las ventanas de Pb.

Sin embargo, una deuteración del 99,95% es bastante alta y las muestras de deuterio con una pureza tan alta deben mantenerse preferiblemente en una atmósfera inerte porque los átomos de H de la humedad del aire pueden intercambiarse con los átomos de D en dichas muestras y contaminarlas. El tipo de cambio es difícil de calcular. Desafortunadamente, no se puede crear una atmósfera inerte en las celdas calientes utilizadas para la preparación del objetivo de 88Zr; por lo tanto, la forma más razonable de verificar si el intercambio de H podría resultar en una contaminación significativa por H de las muestras de DCl/D2O es preparar y medir muestras en blanco con Zr natural.

Desde el punto de vista químico, la preparación de un objetivo de 2 mol·L-1 DCl 88Zr es más fácil en comparación con la preparación de una muestra de TTA/CCl4.

Es necesario diseñar y fabricar una lata especial para la muestra de 88Zr para realizar mediciones de transmisión de neutrones en DICER. La lata debe cumplir los siguientes requisitos:

Cualquier material que esté en el haz debe ser lo más transparente posible a los neutrones.

Su geometría debería ser compatible con el colimador binocular de DICER.

La muestra de circonio-88 dentro de la lata (1,2 mm de diámetro y 1 cm de longitud) debe encajar en un haz de neutrones disponible en la posición de la muestra.

La lata debe estar sellada herméticamente dentro de la celda caliente.

El material de la lata fuera del haz de neutrones debe tener una alta absorción de rayos gamma para reducir la dosis al personal que carga la muestra en DICER.

El diseño de la lata de muestra de 88Zr se muestra en la Fig. 6.

El diseño de la muestra de circonio-88 se puede utilizar para las mediciones de transmisión de neutrones en DICER.

Como se muestra en la Fig. 6, se fabrica una lata de muestra de tungsteno con un espacio cilíndrico vacío de 1,2 mm de diámetro y 1 cm de longitud (rojo) para que quepa la muestra de 88Zr. La lata entera mide 1 cm de diámetro y 1,5 cm de largo. El orificio en la lata de tungsteno tenía un diámetro de 1,2 mm para permitir algún posible error de alineación con el colimador de 1 mm de diámetro. La lata se puede sellar herméticamente presionando una esfera de plomo de 2,8 mm de diámetro con una prensa de palanca, dentro de una celda caliente. Debido a las altas tasas de dosis, la transferencia de la muestra de 8 µL con 88Zr debe realizarse dentro de la celda caliente.

En la Fig. 7 se muestra la estación automatizada para transferir una muestra de 8 µL con 88Zr desde un vial de vidrio a la lata de tungsteno (Fig. 6).

Estación automatizada para transferir muestra de 8 µL con 88Zr.

La estación se instaló dentro de la celda caliente y se controló de forma remota. Consiste en una jeringa de vidrio (Hamilton) que es accionada mecánicamente por un accionador de jeringa. La estación se calibró primero fuera de la celda caliente. En la posición de la muestra se colocó un soporte de muestra de acero con un vial de vidrio en V de 0,3 ml lleno con 100 µl de 88Zr disueltos en 2 mol·L-1 DCl del objetivo 2. Se bajó la jeringa de vidrio, se retiraron 8 µl de muestra y se volvió a levantar a la posición inicial. Después de eso, se retiró el vial de vidrio y se colocó la lata de tungsteno sellada en el fondo con una esfera de plomo en la posición de la muestra. La jeringa se movió hacia abajo para encajar en el orificio de 1,2 mm y se dispensaron 8 µL de muestra dentro de la lata (la dispensación se muestra en el video complementario). La lata se movió a la prensa de palanca y luego se usó el tapón de esfera de Pb de 2,8 mm de diámetro para sellar la parte superior de la lata. La lata se volvió a colocar en la posición de la muestra y se verificó visualmente la integridad del sello utilizando una cámara con la que estaba equipada la estación (Fig. S1 y S2 en el suplemento). Después de garantizar la integridad del sello, la lata de muestra con 37 MBq (1 mCi) de 88Zr en 8 µL de 2 mol·L-1 DCl se sacó de la celda caliente y se entregó a las instalaciones de LANSCE para las mediciones de transmisión de neutrones. El mismo experimento con mayores actividades de 88Zr del objetivo 3 mostró que se puede formar un precipitado después del cambio de matriz de HCl a 2 mol·L-1 DCl. Esto indica que la solubilidad de Zr en DCl es menor que en HCl, por lo tanto, se usaron 8 µL de 2 mol·L-1 HCl para preparar ≈1 GBq (27 mCi) de 88Zr para las segundas mediciones de DICER.

En este trabajo, se amplió un proceso para la producción de 88Zr en un haz de protones desde cantidades de MBq (mCi) a cientos de GBq (Ci). El circonio-88 se produjo mediante la irradiación de objetivos metálicos de itrio de ≈20 g en un haz de protones de ~16–34 MeV a una corriente de 100–200 µA en la instalación de producción de isótopos LANL. Las actividades producidas con 88Zr y 89Zr estuvieron dentro de 1σ desviaciones estándar de las actividades esperadas, pronosticadas utilizando datos de sección transversal de TENDL-201938. Las actividades de 88Y coproducidas fueron menores debido a los datos de sección transversal sobreestimados de 89Y(p,x)88Y de TENDL-201938. Los nanogramos del 88Zr y 89Zr producidos se separaron de ≈20 g de itrio usando una pequeña columna llena con 2 g de resina de hidroximato y el Zr se eluyó usando 1 mol·L-1 de ácido oxálico con un rendimiento de elución del 94(5)% ( 1σ). Se detectaron algo de Ca y 48V estables mediante ICP-OES y HPGe, respectivamente. Ca es una impureza típica en los ácidos minerales que se usaron para descomponer el ácido oxálico y cambiar la matriz de muestra de 88Zr y 48V es un producto de activación de la impureza de Ti en el objetivo de metal Y. Se seleccionó una solución de DCl en D2O con un nivel de deuteración del 99,95% como matriz de muestra de 88Zr, apropiada para mediciones de transmisión de neutrones. Se eligió el disolvente de deuterio debido a la alta transmisión de neutrones del deuterio, a diferencia del hidrógeno, que tiene una menor transmisión de neutrones. Además, la forma líquida de las muestras de 88Zr garantiza una distribución uniforme de los átomos de 88Zr en la matriz de la muestra. Se transfirió una muestra de 8 µL con ≈3,7 MBq (1 mCi) de 88Zr a una lata de tungsteno con un orificio de 1,2 mm de diámetro dentro de una celda caliente utilizando una jeringa y una estación automatizada, desarrollada específicamente para este experimento. La transmisión de neutrones de la muestra de 88Zr obtenida se midió en el Dispositivo para experimentos de captura indirecta en radionucleidos (DICER). Esta muestra fue la primera muestra radiactiva medida en DICER.

Todos los datos generados y analizados durante este estudio se incluyen en este artículo (las concentraciones medidas se enumeran en las Tablas 3 y 4) y en el archivo de información complementaria (las mediciones de transmisión de neutrones se enumeran en las Tablas S1 y S2).

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Los autores agradecen a Mila Nhu Lam por su ayuda con las mediciones de la PIC y a Christopher A. Martinez y Heath W. Wade por su ayuda con el manejo de las muestras de 88Zr. Se reconoce a Tara Bessette, Monica Mullis y Jared George por su ayuda con los controles radiológicos. Se reconoce a Mila Matyskina por su ayuda con los gráficos. Esta investigación recibió financiación del programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Nacional de Los Álamos bajo el número de proyecto 20200108DR. El Laboratorio Nacional de Los Álamos es operado por Triad National Security, LLC, para la Administración Nacional de Seguridad Nuclear del Departamento de Energía de EE. UU. (Contrato No. 89233218CNA000001).

Artem V. Matyskin

Dirección actual: Centro de Ingeniería y Ciencias de la Radiación, Universidad Estatal de Pensilvania, 135 Breazeale Nuclear Reactor, University Park, PA, 16802, EE. UU.

Brad J. DiGiovine

Dirección actual: División Q, Laboratorio Nacional de Los Alamos, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

División de Química, Laboratorio Nacional de Los Alamos, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

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

División de Física, Laboratorio Nacional de Los Alamos, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

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

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EMO y CEV diseñaron y realizaron irradiaciones de objetivos Y. AVM diseñó el método de separación de 88Zr y la preparación del objetivo de 88Zr. AVM realizó la separación de 88Zr y AVM y VM realizaron la preparación del objetivo de 88Zr. BJD diseñó y construyó una lata objetivo de 88Zr y una estación automatizada para la transferencia de muestras de 88Zr. AS y PEK realizaron simulaciones de transmisión de neutrones, recopilación y tratamiento de datos. CEV y PEK concibieron la idea original. AVM escribió el manuscrito y todos los autores discutieron y comentaron sobre el manuscrito.

Correspondencia a Artem V. Matyskin.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Vídeo complementario 1.

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Reimpresiones y permisos

Matyskin, AV, Stamatopoulos, A., O'Brien, EM et al. Producción de circonio-88 mediante irradiación de protones de itrio metálico y preparación de un objetivo para mediciones de transmisión de neutrones en DICER. Informe científico 13, 1736 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-27993-7

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Recibido: 23 de junio de 2022

Aceptado: 11 de enero de 2023

Publicado: 31 de enero de 2023

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

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