本文是一项关于利用电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和同位素比值分析测量锕-227（²²⁷Ac）的原创性研究方法报道。研究团队来自NorthStar Medical Radioisotopes, LLC，主要作者为Jakob E. Baumeister，合作者包括Benjamin W. Puffer, Cory A. Hawkins, Joshua B. McCormick, Miguel Toro-González, John W. Brown, 和Daniel J. de Vries。该研究于2025年发表在《ACS Omega》期刊第10卷第56741-56752页。
学术背景 本研究的科学领域属于放射性药物质量控制与核分析化学的交叉领域。研究的核心动机源于靶向α治疗（Targeted Alpha Therapy， TAT）这一新兴癌症疗法对高纯度锕-225（²²⁵Ac）的需求日益增长。²²⁵Ac因其衰变链能释放多个α粒子，对癌细胞具有强大的杀伤力而成为TAT的核心放射性核素。然而，其供应有限，新的生产路线（如²³²Th散裂、回旋加速器或反应堆生产）在不断开发中。这些新生产路线面临一个共同挑战：可能共生长出长寿命的放射性杂质锕-227（²²⁷Ac，半衰期21.772年）。
²²⁷Ac因其长半衰期而受到严格的法规限制（例如，美国对其意外摄入和污染的报告限值很低），且其在²²⁵Ac药物活性成分（Active Pharmaceutical Ingredient, API）中的含量必须被精确控制。传统放射测量方法（如γ能谱法、α能谱法）用于测量²²⁵Ac中的微量²²⁷Ac存在严重不足：¹）²²⁵Ac及其子体的强放射性会淹没²²⁷Ac子体（²²⁷Th, ²²³Ra）的特征信号；2）唯一可行的方法是等待数周让²²⁵Ac衰变殆尽，同时让²²⁷Ac的子体生长积累，但这导致结果报告严重滞后，无法用于²²⁵Ac API的常规放行检验。已有一些新的放射测量方法如衰变能谱法（DES）和反冲子体α能谱法（α-SRP）被报道，但它们要么分析时间仍长达数天（DES），要么耗时数月（α-SRP），均不适用于常规质量控制。ICP-MS通过计数离子而非核辐射来检测长寿命核素，理论上可提供快速分析，但之前的研究（如Robertson等人的工作）缺乏对方法学性能的系统验证。因此，本研究旨在开发并全面验证一种基于ICP-MS和同位素比值分析的新型方法，用于快速、准确、灵敏地定量²²⁵Ac API中的²²⁷Ac杂质，以满足药品生产的质量控制和法规合规要求。
详细研究流程 本研究包含方法原理构建、实验材料与仪器准备、样品制备、数据采集、方法验证与性能评估、以及仪器背景影响探究等多个紧密相连的环节。
首先，研究团队从基础核衰变方程出发，建立了核心方法论。放射性衰变是一级反应，活度（A）与原子核数目（N）成正比：A = λN（λ为衰变常数）。对于²²⁵Ac和²²⁷Ac，其活度比（A₂₂₅/A₂₂₇）与同位素原子数比（N₂₂₅/N₂₂₇）通过衰变常数比（λ₂₂₅/λ₂₂₇）关联。关键在于，ICP-MS可测量离子计数率（counts per second, cps）。由于²²⁵Ac和²²⁷Ac是同一元素（Ac）的同位素，它们在ICP-MS中具有几乎相同的电离效率和仪器响应。因此，在质荷比m/z = 225和m/z = 227处测得的计数率之比（cps₂₂₅/cps₂₂₇）直接等于其摩尔浓度比，进而等于原子核数目比（N₂₂₅/N₂₂₇）。通过联立这些关系，推导出可由ICP-MS计数率比值、衰变常数以及正交测量的²²⁵Ac活度（通常由γ能谱法获得），精确计算出校准时刻的²²⁷Ac绝对活度（公式12）。该方法的显著优势在于无需依赖外标曲线进行定量，减少了标准物质使用和废液产生。
其次，在实验实施部分，研究使用了标准参考源²²⁷Ac和从橡树岭国家实验室生产的²²⁵Ac作为原料。²²⁵Ac母液活度通过高纯锗（HPGe）γ能谱仪测量²²¹Fr和²¹³Bi的特征γ射线进行标定。使用两种型号的ICP-MS仪器（Thermo Scientific iCAP TQe 三重四极杆和 iCAP RQplus 单四极杆）进行分析，以评估方法的重现性。仪器参数（如雾化气流量、透镜电压）经过优化以最大化信号并保持氧化物/双电荷离子干扰在低水平。
第三，样品制备涉及一系列已知浓度的²²⁵Ac/²²⁷Ac工作溶液。将²²⁵Ac母液和²²⁷Ac标准溶液用3% HCl/1% HNO₃（TraceMetal级酸配制）进行系列稀释，制备了五个水平的样品（Level 0 - Level 4）。所有样品中²²⁵Ac浓度固定为85.4 MBq/L（39.5 ng/L），而²²⁷Ac浓度从0变化至5.35 × 10³ Bq/L（0至2.00 ng/L），其中包括一个低浓度加标水平（0.025 ng/L， 66.8 Bq/L）。所有浓度均经衰变校正至统一的实验校准时间。
第四，数据采集过程包括测量空白溶液（n=6）以进行背景校正，以及测量各个工作溶液。对每个样品，记录分析物质量数（m/z = 225, 227）和非分析物质量数（m/z = 4.5, 5.0, 215, 226）的计数率，后者用于评估α衰变对仪器背景的影响。对Level 3样品在两个仪器上分别进行了六次重复测量（n=6）以评估重复性。
第五，方法验证依据美国药典（USP）和国际人用药品注册技术协调会（ICH）的指南进行，系统评估了以下性能指标：仪器响应等效性、线性、准确度、精密度（重复性和中间精密度）、检测限（DL）/定量限（QL）、特异性以及仪器背景影响。验证过程使用制备好的工作溶液作为“已知样品”，将根据上述原理公式（公式12）计算得到的²²⁷Ac测量值与理论添加值进行比较。
第六，特别对仪器背景进行了深入研究。在分析含α发射体样品前后，分别测量了空白溶液在所有监测质量数上的计数率，并使用Welch’s t检验和效应量（Hedges’ g）进行统计分析，以探究α核素分析是否导致仪器背景的显著性增加。
主要结果 研究结果全面证实了所开发方法的优异性能，并揭示了α核素分析对ICP-MS仪器背景的特殊影响。
在方法原理验证方面，通过计算单位皮摩尔浓度下的仪器响应（cps pm⁻¹），证明在两种ICP-MS仪器上，²²⁵Ac和²²⁷Ac的仪器响应在测量不确定度范围内是等效的。这为同位素比值法的核心假设提供了直接实验支持。
线性评估结果显示，在0.025至2.00 ng/L的²²⁷Ac浓度范围内，两种仪器上的校准曲线均呈现极强的线性关系，决定系数（R²）均≥0.9999，远超USP要求的不低于0.99的标准。
准确度通过加标回收率进行评估。对于TQe ICP-MS，在0.1 ng/L及以上浓度水平的加标回收率在100-101%之间，符合USP规定的70-150%接受标准。对于最低浓度0.025 ng/L的加标，回收率为74 ± 22%，虽然仍在接受范围内，但不确定度较大，这反映了该浓度接近方法的定量限。RQplus ICP-MS在所有浓度水平的加标回收率均在91-108%之间，表现优异。
精密度评估包括重复性和中间精密度。对0.5 ng/L ²²⁷Ac加标样品，在TQe和RQplus上分别进行6次重复测量，其相对标准偏差（RSD）分别为3.7%和4.6%。将两个仪器的12次测量结果合并计算中间精密度，RSD为4.1%，均满足USP对杂质分析的要求（重复性RSD≤20%，中间精密度RSD≤25%）。
检测限和定量限通过信噪比法计算。TQe ICP-MS展现了更低的背景噪声，因此获得了更优的检测性能：检测限（DL）为23 Bq/L（0.0086 ng/L），定量限（QL）为77 Bq/L（0.029 ng/L）。RQplus ICP-MS的DL和QL分别为99 Bq/L和330 Bq/L。重要的是，该方法在²²⁵Ac活度为85.4 MBq/L的基质中，可检测的²²⁷Ac/²²⁅Ac活度比低至2.7 × 10⁻⁵%，灵敏度优于已报道的DES（0.14%）和Robertson等人的ICP-MS方法（<7.1 × 10⁻⁵%）。
特异性通过满足准确度要求而得到证明。额外的干扰研究表明，在可能存在于API中的元素（如Bi、Pt、Re等）存在下，未观察到对m/z = 227信号的显著干扰。²²⁵Ra作为潜在的同量异位素干扰，由于其在本研究及典型的²²⁵Ac API中含量极低（放射性核纯度>99.9%），对结果影响可忽略。
一个关键且深入的发现是关于仪器背景的研究。统计分析明确显示，在分析含²²⁵Ac/²²⁷Ac的工作溶液后，两种ICP-MS仪器在所有监测的质量数（包括分析物和非分析物）上的背景计数率均出现了统计学上的显著增加（p < 0.01），且效应量很大。这一现象并非由常规的样品残留或记忆效应引起（因为非分析物质量数背景也同步升高），作者提出了一个假设：α发射体放射性核素（或其反冲子体）可能在ICP-MS的检测器表面或下游区域发生沉积。这些沉积的核素持续衰变释放的α粒子（本质是He²⁺离子）撞击检测器，产生与四极杆设定质量数无关的背景计数信号。这一发现对维持低检测限至关重要，因为它意味着分析α核素的总活度、样品量、分析频率以及仪器硬件的清洁/更换周期都需要进行管理。
结论与意义 本研究成功开发并系统验证了一种基于ICP-MS同位素比值分析定量²²⁵Ac API中²²⁷Ac杂质的新方法。该方法具有快速（样品制备简单，分析时间约2小时，总周转时间天）、准确（加标回收率符合要求）、灵敏（检测限低至0.0086 ng/L）和稳健（在不同仪器上表现出良好的中间精密度）的特点。
其科学价值在于：1）建立了从ICP-MS原始计数率数据直接推导放射性核素活度比的严谨数学和物理模型；2）首次对ICP-MS法定量²²⁵Ac中²²⁷Ac的方法进行了全面、符合药品质量控制规范的验证；3）揭示了α发射体核素对ICP-MS仪器背景的独特影响机制，为后续相关分析方法的优化提供了重要见解。
应用价值尤为突出：该方法可直接整合到²²⁵Ac API的常规质量控制流程中，与现有的γ能谱法、稳定金属杂质ICP-MS分析等并行开展，实现²²⁷Ac杂质的快速放行检验。这解决了传统放射测量方法时间滞后的问题，使得生产商和最终用户能够及时确保产品质量并证明符合严格的监管限值，对于推动²²⁵Ac靶向α治疗的临床发展和应用具有重要意义。
研究亮点 1. 方法学创新：首创了基于同位素比值原理、无需外标校准的ICP-MS定量方法，用于放射性药物中关键放射性杂质的测定。 2. 全面验证：严格遵循USP和ICH指南，对方法的准确性、精密度、线性、特异性、检测限等关键属性进行了系统评估，数据详实可靠，为该方法成为行业标准方法奠定了基础。 3. 卓越的性能：实现了目前文献报道中最低的²²⁷Ac检测限和最短的分析时间（天），在灵敏度与速度上均优于现有的DES和α-SRP等方法。 4. 深刻的机理发现：通过严谨的实验设计（监测非分析物质量数）和统计分析，首次明确证实并深入探讨了α核素分析导致ICP-MS仪器背景普遍升高的现象及其可能机制，对该领域的仪器使用和维护具有指导意义。 5. 高实用性：方法基于放射性分析实验室常用设备（ICP-MS， HPGe），样品前处理简单，易于在放射性药物生产和质检机构实施和推广。
该研究不仅为解决²²⁵Ac产品质量控制中的一个关键难题提供了强大工具，也为ICP-MS在放射性核素，特别是α发射体分析中的应用提供了重要的方法学范例和深刻的技术洞察。