本文档是一篇发表于 Radiochim. Acta 期刊2014年102卷第12期的研究论文，题为《Production of 111In and 114mIn by proton induced reactions: an update on excitation functions, chemical separation – purification and recovery of target material》。其主要作者包括 Alex Hermanne（通讯作者，布鲁塞尔自由大学（VUB）回旋加速器实验室）、Razvan Adam-Rebeles、Pierre van den Winkel（同属VUB），以及 Ferenc Tárkányi 和 Sandor Takács（匈牙利科学院核研究所（ATOMKI））。该研究属于核医学与放射化学领域，具体聚焦于利用质子诱发核反应生产医用放射性同位素的实验与工艺研究。
一、 学术背景与研究目的 111In是一种在核医学诊断中应用已久的放射性核素，其衰变特性（半衰期2.805天，100%电子俘获）和发射的两条强γ射线非常适合单光子发射计算机断层成像（SPECT）。它早期用于标记血小板，后来发展为与抗体偶联的肿瘤和受体显像剂。尽管111In在全球范围内仍可通过商业途径获得，但它开始面临来自正电子发射体68Ga标记化合物的竞争。114mIn作为一种更长寿命的核素，虽然通常是111In生产中的杂质，但其发射的俄歇电子被认为具有治疗应用潜力，并可用于研究铟标记放射性药物的长期稳定性和生物动力学。
国际原子能机构（IAEA）曾发起协调研究项目（CRP），旨在建立医用放射性同位素生产的带电粒子截面数据库，相关结果发布在TECDOC-1211中。然而，随着时间推移和新数据的出现，需要对这些数据进行更新和重新评估。在此背景下，IAEA于2012年启动了一个新的CRP，旨在更新诊断性放射性核素（包括111In和114mIn）的生产数据。本研究由VUB-ATOMKI研究小组负责，主要目标包括：1) 通过新的实验测量，更新IAEA推荐的111In（通过112Cd(p,2n)反应）和114mIn（通过114Cd(p,n)反应）生产的激发函数（excitation function）数据；2) 描述用于从辐照靶中自动化分离、纯化无载体添加（NCA）111In以及回收富集靶材料的化学工艺。研究动机在于提供更精确的核反应截面数据以优化生产参数，并展示一套可工业应用的、高效的自动化化学处理系统，这对于确保放射性药物产品的质量、纯度和经济可行性至关重要。
二、 详细研究流程 本研究包含两个核心部分：核反应截面测量与自动化化学分离纯化工艺。
第一部分：激发函数测量 1. 靶材制备与辐照：研究使用高富集度的112Cd（富集度>97.6%）和114Cd（富集度99.01%）作为靶材料。采用电镀技术将富集Cd沉积在高纯度铜箔衬底上，形成特定面密度的靶层（112Cd约21.6 mg/cm²，114Cd约11.85 mg/cm²）。实验采用堆叠箔片（stacked-foil）辐照技术，在两种入射质子能量下进行：在VUB的CGR560回旋加速器上进行36.7 MeV的辐照（使用32片112Cd/Cu靶，间插铝降能片）；在LLN的CGR930回旋加速器上进行25.0 MeV的辐照（使用9片112Cd/Cu和114Cd/Cu靶，间插铍和铝降能片）。铜衬底同时作为监测反应（natCu(p,x)62,65Zn）的监测箔。束流强度保持在约100 nA，辐照时间40-60分钟。 2. 放射性测量与数据分析：辐照后，不进行化学分离，直接使用高纯锗（HPGe）γ射线谱仪对诱导产生的放射性核素进行非破坏性测量。为了准确识别和定量短寿命和长寿命的活化产物，在辐照结束（EOB）后的不同时间、使用不同的样品-探测器距离进行了多次测量。使用标准源校准探测器效率，并通过Genie软件包中的峰拟合算法确定全能峰计数率。 3. 截面计算与能量确定：使用熟知的活化公式计算反应截面。输入参数包括评估出的活度、单位时间的入射粒子数以及靶核的面密度。衰变数据取自NUDAT 2.6数据库。每个箔片中的中位束流能量根据入射能量、箔片厚度和能量相关的阻止本领计算得出。最终的束流参数（能量和流强）通过将重新测量的监测反应（natCu(p,x)62,65Zn）激发曲线与IAEA TECDOC-1211中的推荐截面数据进行比较来校正确定，确保了数据的可靠性。 4. 不确定度评估与理论计算对比：截面值的不确定度根据ISO指南，通过对靶核面密度（5%）、入射粒子数（7%）、探测器效率（5%）、统计误差（2-8%）和核衰变数据（3%）等独立贡献参数进行平方和开方合成，总体不确定度为10-13%。能量尺度的不确定度考虑了初始束流能量、靶厚估计和束流离散等因素的累积效应。实验数据还与基于TALYS 1.4理论代码计算的TENDL-2012在线库中的预测值进行了比较。
第二部分：自动化、PC控制的NCA 111In分离纯化化学工艺 此部分描述了一套为处理辐照后富集112Cd靶而开发的工业级、全自动化学分离纯化装置，旨在高效生产符合欧洲药典要求的NCA 111In溶液，并回收昂贵的富集靶材料。 1. 系统构成：该系统由三大部分组成：a) 安装在热室内的流路装置，其上组装了执行物理化学步骤所需的机电组件；b) 安装在热室外部的面板，用于安全地将所需化学品引入流路；c) 控制单元，包括一个电子接口和一台加载专用软件的PC，用于生成执行化学步骤的正确指令序列。 2. 化学工艺流程（详细流程见图9示意图）： * a. 辐照靶溶解：使用含Fe³⁺（作为刻蚀剂）的1.4 N HNO₃溶液，在室温下于流通式剥离器中溶解112Cd靶层，最小化铜衬底的溶解。溶解液中含有Cd(NO₃)₂、过量的HNO₃、HNO₂、Fe³⁺、Cu²⁺、NCA 111In以及少量由核反应产生的NCA Zn同位素。 * b. NCA 111In与Fe(OH)₃共沉淀及HBr再溶解：将溶解液泵入加热（70°C）并搅拌的共沉淀-过滤单元，与NH₄OH和H₂O₂混合。In³⁺与Fe(OH)₃共沉淀，而Cd、Cu、Zn则留在上清液中。沉淀物收集在过滤器上，用热NH₄NO₃洗涤。随后用6 N HBr溶解沉淀，使In和Fe形成溴配合物进入溶液。 * c. Fe³⁺和In³⁺萃取到二异丙醚（DIPE）中：将HBr溶液与用6 N HBr饱和的DIPE混合。在6 N HBR中，Fe和In通过形成氧鎓盐被萃取到有机相（OP），而Cu和Zn留在水相（AP）。采用两级萃取确保完全分离。 * d. In³⁺反萃取到7.7 N HCl中：使用7.7 N HCl对含In和Fe的有机相进行反萃取。在此酸度下，In以中性或阳离子氯配合物形式被反萃取到水相，而FeCl₄⁻仍以氧鎓盐形式留在有机相，从而实现Fe与In的分离。同样采用两级反萃取。 * e. 阴离子交换色谱：将含In的7.7 N HCl溶液通过预处理的Dowex 1x8 Cl⁻型阴离子交换柱。在此酸度下，In³⁺被树脂吸附，然后用0.05 N HCl洗脱，得到约0.4 N HCl的111In溶液，并进一步去除了痕量Cd。 * f. 体积监测与取样：洗脱液收集在体积监测器中，用于确定活度浓度。通过基于微电导测量的滴计数器取样，用于化学、放射化学和放射性核素纯度的多重分析以及产额测定。 3. 富集112Cd靶材料的电化学回收：从共沉淀步骤得到的含Cd、Cu、Zn的氨性滤液（回收液）中回收富集112Cd。首先酸化溶液，并用磺胺酸去除亚硝酸盐。然后采用控制阴极电位电解法（CCPE）分步回收：第一步在pH 1-2，阴极电位630 mV（vs. Hg/Hg₂SO₄参比电极）下沉积去除Cu；第二步调整pH至9，加入阳极去极化剂（肼）和表面活性剂，在阴极电位-1.600 V下沉积Cd。NCA Zn保留在废液中。沉积在铂网阴极上的Cd随后用硝酸溶解，转化为硫酸盐形式，最终重新溶于氨水，可回用于配制新的电镀液或补充部分耗尽的镀液。实验表明，该回收方法对Cd的回收率超过99.9%，损失小于0.1%。
三、 主要研究结果 1. 激发函数测量结果： * 112Cd(p,2n)111In反应：新的测量结果与早期基于富集112Cd靶的数据集在实验不确定度范围内总体一致，但截面最大值出现在约高2 MeV的能量处，且数值比IAEA TECDOC-1211推荐值高约15%。通过从已发表的天然Cd（natCd）靶实验数据中扣除111Cd(p,n)反应的贡献，推导出的112Cd(p,2n)反应截面在低能区（<20 MeV）支持了新的测量结果和形状。TENDL-2012的预测在18 MeV以下与数据吻合良好，但在更高能量处下降较快。 * 111Cd(p,n)111In反应：从近期发表的natCd实验数据中推导出的截面值与IAEA推荐值吻合良好，为使用低能回旋加速器通过此反应生产111In提供了更新的数据支持。 * 112Cd(p,3n)110g,110mIn反应：测量了110In同核异能态和基态的激发函数。110gIn的激发函数与Tárkányi等人的结果相比有约2 MeV的能量偏移，其最大值出现在约35 MeV，而TENDL-2012预测的最大值在28 MeV且低25%。110mIn的结果较为分散，但总体趋势与文献一致。 * 112Cd(p,4n)109In反应：仅在36.7 MeV辐照中观测到，截面随能量增加而上升，未达到最大值。TENDL-2012预测值比实验值高25-30%。 * 114Cd(p,2n)113mIn反应：激发曲线在约17 MeV处出现340 mb的最大值。与早期富集靶研究结果相比，本研究数据约高15%，但形状一致。TENDL-2012预测值更接近早期的较低数据。 * 114Cd(p,n)114mIn反应：新的测量结果与文献中大量基于natCd和富集114Cd靶的数据集（包括IAEA 2011年技术报告473中汇编的数据）在重叠能量范围内吻合良好，确认了该激发函数的普遍行为。TENDL-2012低估了最大值，但再现了形状。
2. 化学分离纯化与回收工艺结果： * 化学产额与纯度：使用111In示踪剂进行的测试运行表明，该自动化化学系统的平均总产额超过96%。对最终111In产物的化学纯度分析显示，Cd和Cu的浓度远低于欧洲药典（EP）限值。Fe的浓度在最终产物中略高，但考虑到在分装前通常会对原液进行10倍稀释，最终患者剂量中的Fe浓度将符合EP要求。 * 工业级验证：该化学系统在土耳其TAEK-Saraykoy核研究与培训中心的热室中成功进行了现场测试。使用天然Cd靶在IBA Cyclone30回旋加速器上进行辐照，并经过完整的化学处理，获得了平均97%的总产额，且污染物水平低于EP建议值，证明了其在工业生产条件下的可靠性和有效性。 * Cd回收效率：采用CCPE方法从处理过的靶回收液和部分耗尽的电镀液中回收富集112Cd，回收率超过99.9%，损失小于0.1%，且回收的Cd不含Cu和Fe杂质，可直接重新用于靶材制备。
四、 研究结论与意义 本研究成功更新了通过112Cd(p,2n)和114Cd(p,n)反应生产111In和114mIn的质子激发函数数据。新的测量结果与现有数据库基本一致，为IAEA协调研究项目（CRP）进行统计拟合、更新推荐截面和厚靶产额提供了可靠的新数据集。研究同时表明，基于TALYS 1.4代码的理论预测对于这组(p,xn)反应并不完全准确，计算出的激发函数形状大多与实验相符，但对最大值的符合度较差。
更重要的是，本研究详细描述并验证了一套完整的、工业级PC控制的自动化化学系统，用于从辐照的富集Cd靶中分离纯化NCA 111In并高效回收靶材料。该系统产额高、重现性好，产物符合药典标准，且回收的富集Cd可循环使用，显著降低了生产成本。该化学工艺也可直接应用于从富集114Cd靶生产114mIn。
五、 研究亮点 1. 数据更新与验证：提供了基于高富集度靶材的、精确测量的最新激发函数数据，特别是对关键的111In生产反应进行了更精确的刻画，并整合了从近期natCd实验推导的补充数据，为医用同位素生产数据库的更新提供了坚实实验基础。 2. 工艺集成与创新：将放射化学分离纯化与昂贵的富集靶材料回收工艺整合到一个自动化、PC控制的系统中，并实现了工业化应用。该流程设计巧妙，通过共沉淀、液-液萃取、离子交换等多步组合，高效地去除了大量Cd基体、Cu/Zn杂质以及Fe载体，最终获得高纯度的NCA 111In。 3. 方法学的详细描述：论文对靶材制备、辐照条件、γ谱学分析、截面计算与校正、化学分离的每一步反应条件、设备设计（如流路装置、相分离检测、体积监测器）以及电化学回收的具体参数都进行了极为详尽的描述，具有很高的可重复性和参考价值。 4. 理论与实验结合：不仅报告了实验数据，还系统地与现有的理论计算（TENDL-2012）和文献数据进行了比较与批判性分析，指出了理论模型的不足之处。 5. 解决实际生产问题：研究直接针对医用放射性核素实际生产中的两个核心问题——优化生产参数（通过精确截面数据）和建立经济高效的分离纯化/回收流程，具有明确的转化应用价值。