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 de metal de itrio (≈20 g) en un haz de protones de ~16 a 34 MeV con una corriente de haz de 100–200 µA en la Instalación de producción de isótopos de Los Alamos (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). La solución líquida de DCl en D2O se seleccionó como una 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 8 µL de la solución obtenida se transfirieron 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 sobre Radionúclidos (DICER).

El circonio (Zr) es un metal de transición del grupo IV, que tiene 5 isótopos radiactivos estables y 31 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 radionúclidos 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) a través de la captura de electrones (77 %) y la emisión de positrones (23 %), emitiendo principalmente 511 keV. rayos gamma de aniquilación, rayos gamma de 909 keV y algunos rayos X3. Además de esto, se pueden producir con relativa facilidad cantidades significativas de 89Zr con un haz de protones de baja energía (Ep < 13,1 MeV) en un objetivo de 89Y monoisotópico y el 89Zr producido se puede separar de manera eficiente del objetivo, quelar y unir al anticuerpo4.

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

El circonio natural se usó ampliamente en dispositivos nucleares durante las pruebas de armas nucleares como material detector cargado o diagnóstico radioquímico, es decir, se usó 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 usando varios códigos, que usan secciones transversales inducidas por neutrones. El circonio-88 es uno de los isótopos de Zr más importantes que se forman en estas reacciones inducidas por neutrones de alta energía8 y se pueden usar mediciones precisas de su sección transversal (n,γ) para mejorar los códigos y, por lo tanto, comprender mejor el 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 barns9. 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 de 88Zr en un amplio rango de energía para determinar las propiedades de su sección transversal de captura de neutrones térmicos extremadamente alta y para 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. Tal estudio tendría un impacto tanto a nivel fundamental como aplicado.

El Dispositivo para Experimentos de Captura Indirecta de Radionúclidos (DICER) es un nuevo instrumento de transmisión de neutrones que fue concebido, diseñado y desarrollado en el Centro de Ciencias de Neutrones de Los Alamos (LANSCE). Se puede utilizar para medir y restringir estrictamente las secciones transversales (n, γ) en un amplio rango de energía mediante la realización de mediciones de transmisión de neutrones a través de la muestra como un sustituto de los estudios de captura de neutrones directos. DICER es especialmente útil para mediciones de secciones transversales de captura de neutrones de pequeñas cantidades de radionucleidos altamente radiactivos, como 88Zr. Esto se debe a que las distancias típicas de muestra a detector en configuraciones de transmisión como DICER son del orden de decenas de metros en lugar de unos pocos dm en experimentos de captura directa de neutrones. Por lo tanto, los experimentos de transmisión sufren considerablemente menos del fondo de decaimiento intrínseco del 88Zr, mientras que la proximidad cercana del detector de muestras en las mediciones directas (n, γ) de radionúclidos los convierte en un desafío. Ya se han desarrollado otras técnicas indirectas para la determinación de la sección transversal (n,γ), como los métodos sustituto10, función de intensidad de 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 lo tanto, debería ser más preciso que otras técnicas indirectas.

El objetivo del presente trabajo fue producir cantidades 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. medidas 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 medidas radiométricas cuantitativas se realizaron con 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 0,7 mm de capa muerta Ge/Li) 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 un vial de centelleo líquido de plástico de 20 ml) utilizando una solución de referencia de radionucleidos mixtos (NIST rastreable de Eckert y Ziegler, EE. UU.). Se realizaron controles de calibración diarios con una fuente de 152Eu (Eckert y Ziegler, EE. UU.). El tiempo muerto de conteo siempre se mantuvo por debajo del 10%.

Las mediciones radiométricas cualitativas de soluciones de carga, eluatos, residuos, vidrio y plástico, etc. se realizaron directamente desde la celda caliente (mediciones de pasillo cruzado) utilizando otro detector HPGe (Ortec GEM10P4-70-PL, coaxial, detector HPGe tipo p, 56,4 mm de diámetro, 29,2 mm de longitud y 0,7 mm de capa muerta de Ge/Li) 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. Todas las vidas medias, 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 Espectroscopía 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 NIST, que se prepararon en la misma matriz que el muestra de 88Zr medida. Los controles de calidad se realizaron varias veces entre las mediciones utilizando una muestra con 0,2 mg·L−1 de Zr e Y, preparada con diferentes estándares de 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 de objetivo atornillada de aluminio estándar (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 de objetivos 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 prolongado para alcanzar la corriente integrada requerida de ~3000 µAh.

La ventana de energía de protones deseada se obtuvo utilizando dos degradadores de aluminio aguas arriba del material del 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 se transportaron a las instalaciones de radioquímica de LANL y se desarmaron o abrieron dentro de la celda caliente. El disco de metal Y en el segundo objetivo estaba parcialmente roto. Todos los objetivos se disolvieron en ≈150 mL de 6 mol·L−1 HCl 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 a través del 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 colaboradores19 hicieron observaciones y conclusiones similares. 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 fabricada internamente: 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 la 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 blanco de metal 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 ≈50 mL de 2 mol·L-1 HCl 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 de C2H2O4 y se añadieron 15 ml de 15,5 mol·L−1 de HNO3 a este eluato para descomponer el ácido oxálico según la reacción20,21:

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

La matriz de la muestra de 88Zr se cambió de HCl a DCl mediante la evaporación de la muestra hasta ≈2 mL y la 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 las estimaciones de las actividades anticipadas 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 de destino IPF conocida y la geometría de destino Y, las fórmulas de potencia de frenado tradicionales y los datos de sección transversal pronosticados por el modelo disponibles. A continuación se proporciona la fórmula para la determinación de la velocidad de reacción integrada de un objetivo de cierto espesor x, de la que se puede extraer la actividad total producida en un rango de energía integral y un tiempo de irradiación conocidos.

donde \(\rho /\frac{dE}{dx}\) es la inversa del poder de frenado de 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 dado a 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 gamma-espectrométricas (1σ) estaban normalmente 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 los objetivos de metal Y disueltos y el filtro con el residuo negro mostraron que las actividades de los radionucleidos en el residuo son aproximadamente un 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 compensar 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 el objetivo 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 vías 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 formas metálicas o de óxido). Algunos otros métodos más exóticos de producción de 88Zr incluyen la recuperación de 88Zr como subproducto de las cápsulas de Nb irradiadas utilizadas como revestimiento objetivo25,26 y la posible recolección de 88Zr en la Instalación para 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 barn, el método que se puede utilizar para producir grandes cantidades de 88Zr sin portador en IPF es la irradiación de itrio monoisotópico natural en metal u óxido. forma.

Se utilizó una configuración de objetivos apilados en la estación de objetivos IPF que permitió que el material objetivo Y capturara el pico de la sección transversal de producción de 88Zr. 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 pila objetivo aguas arriba de IPF y el cálculo de potencia de frenado se muestran en la Fig. 1a, b, respectivamente.

(a) Datos de 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 predicha (gris). (b) Datos de literatura experimental23,29,30,31,32,37 (puntos) y datos de TENDL 201938 predichos por el modelo (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 típica para las reacciones (p,2n), así como para las reacciones (p,n) como 89Y(p,n)89Zr. Solo los datos de Levkovski29 son aproximadamente 100 a 200 mb más altos en el rango de energía de 15 a 30 MeV. Levkovski29 utilizó objetivos altamente enriquecidos para medir datos de sección transversal inducida 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. Más tarde 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 de TENDL 201938 en el rango de energía de 25–35 MeV y solo los datos de Levkovski29 se ajustan a TENDL 2019 data38 bastante bien. Como se discutió anteriormente, los datos de la sección transversal de Levkovski29 están sujetos a incertidumbres sistemáticas y deben reducirse en aproximadamente un 20%.

Podría elegirse el itrio metálico o el óxido de itrio como material objetivo. Para las mismas dimensiones del objetivo y ventana de energía, es preferible Y metálico porque hay más átomos de Y por unidad de área objetivo y, como resultado, mayores rendimientos de objetivo grueso integral de 88Zr. Sin embargo, el Y metálico es químicamente agresivo y las partículas finas son pirofóricas, por lo que es difícil fabricar objetivos de metal Y mediante la compresión de polvo. El metal a granel Y es estable en el aire debido a la pasivación de su superficie (formación de Y2O3). Por último, la pureza del material objetivo inicial es de gran importancia, porque incluso pequeñas cantidades de impurezas estables en el objetivo podrían dar lugar a actividades elevadas de radionucleidos de impurezas coproducidas si la sección eficaz 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 por Ca metal en atmósfera de argón y el metal reducido suele contener 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 subsiguiente fusión al vacío y da como resultado la separación de Y de Ca, Ta y Fe (< 0,01–0,001 % en peso). La separación del Y metálico de algunos elementos de tierras raras y algunas impurezas no metálicas (H, C, O, N) es muy difícil41. Tanto el metal Y como el Y2O3 se pueden disolver en HCl relativamente diluido (≈2 mol·L−1).

Como se discutió anteriormente, el 89Zr es un radionúclido inmuno-PET prometedor y, por lo tanto, muchos autores han estudiado su producción. Al igual que el 88Zr, se pueden producir grandes cantidades de 89Zr mediante la irradiación de Y metal o Y2O3 en un haz de protones, pero con energías de protones más bajas. Por lo general, solo se han utilizado objetivos pequeños (1 g o 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 ( típicamente pulverizado en 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 de pulverización catódica de itrio metálico grueso (≈20 g) dentro de un portaobjetos de aluminio atornillado o encerrados en una cápsula de Inconel e irradiados en un haz de protones de alta intensidad para explorar la viabilidad. de producción de 88Zr de decenas a cientos de cantidades de GBq.

Después de la irradiación, los objetivos se entregaron a la instalación de celdas calientes de LANL y se permitió que las impurezas radiactivas de vida corta 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 usaron HCl menos concentrado, por ejemplo, Mejs et al.44 disolvieron un pequeño objetivo de metal Y irradiado pulverizado sobre soporte de Cu en 1 mol·L−1 de HCl a temperatura ambiente y agregaron H2O2 para asegurar la oxidación completa de Zr. Otros autores también usaron 1 mol·L−1 de HCl relativamente diluido para disolver pequeñas dianas de metal Y43,47,48,49 y una disolución lenta generalmente seguida de evaporación a sequedad y redisolución en los medios deseados. Queern et al.45 utilizaron HCl 2 mol·L−1 más concentrado y 80 °C para acelerar el proceso de disolución. Otro procedimiento de uso común fue desarrollado por Holland y colaboradores19 e incluye la disolución del objetivo de metal Y en 6 mol·L−1 de HCl a temperatura ambiente y la adición de H2O242,46. Por último, el HCl concentrado (10 mol·L−1 o más) también se usa a veces para disolver objetivos de metal Y o Y2O350,51, en este caso, el 88Zr o el 89Zr se separa del Y estable usando una resina de intercambio aniónico. En este trabajo, los experimentos preliminares con el metal Y estable demostraron que la concentración óptima de HCl para una disolución objetivo de Y masiva (≈20 g) es de 6 mol·L−1 o superior. 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 están en excelente acuerdo con los resultados obtenidos por Holland y colaboradores19. Por lo tanto, en este trabajo se usó 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 de 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 discute en la literatura, y tales observaciones fueron reportadas solo por unos pocos autores. Por ejemplo, Holland y colaboradores19 informaron la formación de un residuo negro insoluble cuando se disolvió un objetivo de metal Y irradiado (0,33 g) 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 con protones de 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 está en buen acuerdo 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 radionúclidos se midieron a través del detector HPGe después de 86 días (objetivo 1), 10,42 días (objetivo 2) y 6,21 días (objetivo) 3 de enfriamiento, se volvieron a calcular hasta el final del bombardeo (EOB) y se corrigieron por el factor de dilución. de la alícuota y en comparación con los rendimientos estimados utilizando los datos de la sección transversal prevista del modelo TENDL 201938 (Tabla 3), con la excepción de 87Y, que se presenta en la fecha y hora de la medición.

Como se muestra en la Tabla 3, se produjeron 7.9(3) GBq, 22(1) GBq y 181(6) GBq de 88Zr en 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 95% y 109% del valor predicho, respectivamente. El circonio-89 no se detectó 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 predichos, 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 de la descomposición del 88Zr en 88Y. Las actividades medidas de 88Y hacia atrás calculadas para EOB en el primer, segundo y tercer objetivo se corrigieron para el decaimiento 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 la 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).

Otro isótopo de itrio, 87Y, también se midió en el segundo y tercer ensayo objetivo (Tabla 3). Dado el largo período de descomposición 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 tanto 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 ambos son de corta duración (87Zr t1/2 = 1,68 h, 87mY t1/2 = 13,37 h) en relación con el tiempo total de descomposición antes de la medición. Por lo tanto, las actividades del 87Y medidas que se presentan en la Tabla 3 no se proyectaron hacia el EOB y solo reflejan la actividad en el momento de la medición, incluida la descomposición del 87Y producida directamente y la alimentación del 87Y a través de la descomposición del 87Zr y el 87mY. Las actividades pronosticadas de 87Y se calcularon plegando la cantidad de 87Y producida en el EOB y el decaimiento y posterior crecimiento interno debido al decaimiento 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 del 18 % y el 45 % de las actividades previstas del objetivo 2 y 3, respectivamente. Como la ventana de energía en los objetivos se ubicó en el umbral para el 87Y y las reacciones de los padres, las incertidumbres en la pérdida de energía del protón 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 probablemente el resultado de la reacción 48Ti(p,n)48V. 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 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 fue explicada por la reacción (p,n) sobre las impurezas diana naturales de Fe y Ti, respectivamente, y confirmada por X inducida por p -espectrometría de emisión de rayos del material objetivo.

Hay muchos métodos diferentes que se pueden usar para separar pequeñas cantidades (GBq o mCi o ≈10–5 mol·L−1) de 88Zr o 89Zr de cantidades de 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 óctuple son iguales a 0,84 Å y 1,019 Å, respectivamente. En general, la química de la solución acuosa de Y es similar a la química de la solución de los 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 al pequeño radio iónico. Incluso en concentraciones traza (10–9 a 10–11 mol·L−1), el Zr4+ se hidroliza fácilmente y forma complejos en medios acuosos y tiende a formar varias especies poliméricas y coloides incluso en medios ácidos de HCl (≈ pH < 1,5). La química acuosa de Zr4+ se complica aún más por la cinética de polimerización lenta. La hidrólisis de Zr ha sido estudiada por muchos autores y se encuentra disponible una revisión exhaustiva54. Según la revisión54, Zr4+ puede formar varias especies monoméricas y poliméricas y los datos experimentales muestran que Zr4+ comienza a hidrolizarse de forma relativamente lenta a concentraciones de H+ de 0,1 mol·L−1 en medios de NaClO4. Por lo tanto, se concluyó que una concentración de HCl de ≈2 mol·L−1 es suficiente para evitar la polimerización de Zr4+ y mantenerlo mayormente como un ion Zr4+ libre o como complejo de cloruro de circonio.

Algunos de los métodos de separación de trazas de Zr a partir de 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 o 88Zr de gramos de Y a través de la 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 de grado radiofarmacéutico. Las constantes de estabilidad de los complejos acuosos de Zr con varios ligandos de hidroxamato son muy altas (log10(β0) ≈ 40)55,56. Las cantidades traza de Zr4+ se retienen muy eficientemente en la resina de hidroxamato en medios de HCl o HNO3 (los valores D varían de 104 a 105), mientras que la afinidad de Y3+ es limitada (los valores D varían de 1 a 10)44. Como se discutió en la parte de objetivos de este trabajo, las impurezas típicas en el objetivo de metal Y pueden incluir otros metales de tierras raras. Se espera que la afinidad de los lantánidos y Sc por los grupos funcionales de hidroxamato sea similar a Y y, por lo tanto, el método también se puede usar para separar Zr de otros metales de tierras raras. Otras posibles impurezas en el metal Y incluyen Ca, Fe y Ta. El titanio también podría estar presente como se muestra en este y otros trabajos44 (48V se midió y produjo a través de la reacción (p,n) en 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 que la retención de Fe esté limitada de 1 a 6 mol·L−1. Los valores D de algunos metales tetravalentes y pentavalentes, incluidos el Ti y el Ta en la resina a base de hidroxamato, son muy altos en una amplia gama 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 usando varios agentes quelantes, pero generalmente se usa ácido oxálico porque el eluato de ácido oxálico 89Zr se puede usar directamente para marcar rápida y eficientemente anticuerpos monoclonales49. La afinidad del zirconio por los grupos funcionales de hidroxamato es muy alta y, por lo general, se usan ≈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 [Zr(C2O4)4]4− predominante con fuerza iónica cero (log10 β0) es 29,758, mientras que la estabilidad del Ti y algunos otros elementos es menor y se puede determinar cierto grado de separación del Zr. logrado. La resina a base de hidroxamato se puede sintetizar fácilmente mediante la funcionalización de 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 el 89Zr de los objetivos Y irradiados51.

Otro método ampliamente utilizado para la separación de trazas de Zr de Y a granel es una cromatografía de intercambio de aniones 9,50,59 y las resinas de intercambio de aniones fuertes basadas en grupos funcionales de amonio cuaternario están bien establecidas. El método se basa en la formación de complejos de ZrCl5− y ZrCl62− en concentraciones de HCl de 8 mol·L−1 o superiores, mientras que el itrio no forma complejos cargados negativamente en medios de HCl. El método tiene una selectividad similar al método del hidroxamato, porque normalmente solo los metales tetravalentes o pentavalentes forman complejos cargados negativamente en HCl concentrado. Muchas resinas de intercambio de aniones están disponibles comercialmente y O'Hara y colaboradores59 evaluaron el rendimiento de tres resinas de intercambio de aniones 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 usar 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 utilizando 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. . Esto probablemente 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 de aniones y se puede obtener la separación de muchos otros elementos (p. ej., Nb, Ta, W, Mo)60.

También se pueden usar resinas de intercambio catiónico fuerte para separar Zr de muchos elementos, incluido el Hf, mediante elución selectiva de Zr. Este método fue utilizado por algunos autores43,50 para la separación de 88Zr y 89Zr de blancos de Y2O3 y metal Y irradiados. Hasta donde sabemos, aún no se ha desarrollado la separación de 88Zr o 89Zr de objetivos Y irradiados utilizando adsorbentes 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 de metal Y irradiados. Las dianas Y se disolvieron en 150 mL de HCl 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 GBq de 88Zr, así como otros radionúclidos coproducidos. Esta solución se cargó en la columna hecha a la medida, hecha internamente, llena con 2 g de resina de hidroxamato y prelavada 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 emisión gamma principal de 88Zr (392,1 keV) no estaba presente en estos espectros, lo que significa que no se produjo un avance de 88Zr y que se cargó más del 99 % de 88Zr. Posteriormente, la columna se lavó con ≈50 mL de HCl 2 mol·L−1 para eliminar los posibles residuos de Y. El circonio-88 se eluyó mediante tres porciones de 10 ml de 1 mol·L−1 de C2H2O4 y su perfil de elución se muestra en la figura 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, el 94(5) % del 88Zr se eluyó en la primera porción de 10 ml de 1 mol·L−1 de C2H2O4, mientras que la segunda y la tercera elución de 10 ml dieron como resultado una elución del 6(5) % y una elución de 0,1(1 )% de elución de 88Zr, respectivamente. Anteriormente se informaron rendimientos de elución de 89Zr similares de columnas de hidroxamato45,49. Solo se usó la primera elución para experimentos posteriores y se descartaron la segunda y la tercera elución. Solo las emisiones gamma de 88Zr, 89Zr y las emisiones gamma débiles de 88Y encarnado estaban presentes en el espectro medido, lo que significa que 88Zr se separó eficientemente de Y estable, así como la impureza de 48V con factores de separación de más de 300.

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

Este procedimiento se repitió 2 veces más, luego la muestra se evaporó nuevamente y se agregaron ≈10 mL de 6 mol·L−1 de HCl. 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 la dilución significativa de la alícuota tomada de una muestra de 88Zr altamente radiactiva. Los experimentos preliminares con Zr frío y estable sin la adición de ningún radiotrazador no requirieron diluciones ni evaporaciones y la concentración medida de Ca estaba 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 monoisotópico estable 89Y 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 pueden compararse 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 algunos Y estables juntos. con Zr, Al y Fe.

Recientemente, LANSCE diseñó y puso en servicio un nuevo instrumento para medir la transmisión de neutrones. Este instrumento (DICER) se desarrolló 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 mencionó anteriormente.

Dada la sección transversal de captura térmica extremadamente grande de 88Zr de 8,61·105 b9, el objetivo principal del experimento DICER era cuantificar la resonancia presuntamente 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 (p. ej., 88Zr), se necesitan dos mediciones de transmisión: muestra de entrada y muestra de salida. Entonces, la relación de estas dos mediciones, normalizadas al flujo de neutrones en cada medición, es la transmisión para el nucleido de interés, a partir del 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 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 de muestra 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 tome demasiado tiempo.

La muestra también debe ser uniforme para garantizar que los parámetros de resonancia extraídos sean precisos. La distribución atómica uniforme se puede lograr en formas gaseosas, líquidas y sólidas. Sin embargo, el trabajo experimental con compuestos radiactivos volátiles requiere enormes precauciones de protección radiológica. La síntesis química de compuestos de Zr sólidos inorgánicos simples generalmente da como resultado polvo y el trabajo experimental con polvo radiactivo también es un desafío. Además, es difícil llenar el contenedor experimental con polvo radiactivo de 88Zr y empaquetar este polvo en este contenedor para lograr una distribución uniforme. Deben utilizarse 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 experimentan diversas interacciones en solución, incluida la electrostática, y generalmente se distribuyen por igual 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 necesaria de 88Zr era lo suficientemente pequeña (~1,4 µg) como para disolverlo 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 adecuado mediante, por ejemplo, una jeringa de µl. Por lo tanto, una muestra líquida de 88Zr es la forma más adecuada para las mediciones de transmisión de neutrones. Se puede resumir que existen algunos requisitos importantes para la muestra de 88Zr preparada para las 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 de neutrones y minimización de dispersores de neutrones como el hidrógeno

Distribución uniforme de átomos de 88Zr en la matriz y el contenedor 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 solventes que lo contengan. Por el contrario, la sección transversal total de neutrones para el deuterio es solo alrededor de 1/7 de la del hidrógeno a estas energías, por lo que los solventes deuterados son aceptables. Por ejemplo, la transmisión de neutrones a energía térmica para una muestra de agua de 10 µL de volumen y 1,2 mm de diámetro es solo del 17 %, mientras que para agua deuterada de las mismas dimensiones es del 78 %. El tetracloruro de carbono es el disolvente orgánico más común que no contiene átomos de H y también tiene una transmisión de neutrones aceptablemente alta en el presente caso. Es un solvente no polar que es líquido a temperatura ambiente y no es inflamable. No se puede usar solo para disolver suficiente 88Zr (1,4 µg en 10 µL), pero se puede usar como diluyente en el sistema de extracción con solvente. Significa que varias moléculas orgánicas (agentes de extracción) pueden disolverse en CCl4 y este sistema de extracción puede usarse para extraer 88Zr de la fase acuosa a la fase CCl4. La mayoría de los agentes de extracción son moléculas orgánicas, lo que significa que también contienen átomos de H, pero su concentración se puede mantener relativamente baja (p. ej., 0,1 mol·L−1). Se encuentra disponible una revisión exhaustiva de los sistemas de extracción por solventes para la extracción de Zr63 y se 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 comunes de extracción por solventes: fosfato de tributilo (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 el Zr. Un ion de circonio se combina con la forma enol de TTA. El fosfato de tributilo (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 discutió antes, 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 H y otros átomos en cada sistema de extracción y luego evaluar la transmisión de neutrones a través de la muestra.

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

La combinación de la constante de equilibrio de extracción (Kex) para la reacción anterior y la relación de distribución de Zr (D) da como resultado:

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 depende significativamente de la concentración de TBP y HNO3. De acuerdo con 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 extraído en CCl4 en 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 un 95,6 % de Zr extraído de 1 mol·L−1 de HNO3 en CCl4, mientras que la misma concentración de TBP da solo un 47,4 % de Zr extraído de 5 mol· L−1 HNO3 en CCl4. Además, una molécula de TTA contiene solo 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 con 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 con 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 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 con TTA en el sistema de extracción por solvente CCl4 y las ventanas de Pb es aceptablemente alta en el rango de energía que se muestra 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 medidas de transmisión se realizaron con un filtro de cadmio en el haz que elimina los neutrones por debajo de unos 0,3 eV y por tanto no fue posible realizar medidas a energía térmica (0,0253 eV). Sin embargo, la transmisión calculada en energía térmica, utilizando la última evaluación, es más baja que la deseada, lo que indica que se prefiere la matriz alternativa de agua pesada para el experimento 88Zr.

El agua pesada (D2O) es otro solvente libre de hidrógeno que se puede usar para preparar un objetivo de 88Zr y varios compuestos de deuterio que incluyen D2O y algunos ácidos minerales de deuterio (p. ej., DCl, DNO3) con grados de deuteración de hasta 99,95 % están disponibles comercialmente. . Se puede usar agua pesada pura para preparar el objetivo, pero como se discutió anteriormente, 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 podría 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 de diana de 88Zr. La transmisión de neutrones a través del objetivo de natZr en blanco preparado con 2 mol·L−1 de 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 de natZr y Pb. Las barras de error corresponden a 1σ.

Según la Fig. 5, la transmisión de neutrones a través del objetivo natZr preparado con 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 88Zr para las 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, la deuteración del 99,95 % es bastante alta y las muestras de deuterio con una pureza tan alta deben conservarse 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. La tasa de este intercambio es difícil de calcular. Desafortunadamente, no se puede crear una atmósfera inerte en las celdas calientes utilizadas para la preparación de objetivos de 88Zr, por lo tanto, la forma más razonable de verificar si el intercambio de H podría resultar en una contaminación significativa de 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 blanco de 2 mol·L−1 DCl 88Zr es más sencilla que 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 con los siguientes requisitos:

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

Su geometría debe 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 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.

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

Estación automatizada para transferencia de 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 impulsor de jeringa. Primero se calibró la estación fuera de la celda caliente. En la posición de la muestra se colocó un portamuestras de acero con un vial en V de vidrio de 0,3 ml lleno con 100 µl de 88Zr disuelto en 2 mol·L−1 DCl del objetivo 2. La jeringa de vidrio se movió hacia abajo, se extrajeron 8 µL de muestra y se levantó de nuevo 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 vídeo 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 asegurar 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 actividades más altas de 88Zr del objetivo 3 mostró que se puede formar un precipitado después de que la matriz cambie de HCl a 2 mol·L−1 DCl. Esto indica que la solubilidad de Zr en DCl es menor que en HCl, por lo que 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 escaló 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 de 88Zr y 89Zr producidas estuvieron dentro de una desviación estándar de 1σ de las actividades esperadas, pronosticadas utilizando los datos de sección transversal de TENDL-201938. Las actividades del 88Y coproducido fueron menores debido a los datos transversales sobreestimados del 89Y(p,x)88Y de TENDL-201938. Nanogramos del 88Zr y 89Zr producidos se separaron de ≈20 g de itrio utilizando una pequeña columna rellena con 2 g de resina de hidroximato y el Zr se eluyó utilizando 1 mol·L−1 de ácido oxálico con un rendimiento de elución del 94(5)% ( 1σ). Se detectaron algunos Ca y 48V estables a través de ICP-OES y HPGe, respectivamente. El Ca es una impureza típica en los ácidos minerales que se utilizaron para descomponer el ácido oxálico y cambiar la matriz de muestra de 88Zr y 48V es el 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, adecuada para las 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 transmisión de neutrones más baja. 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 usando 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 sobre Radionúclidos (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 medidas 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 ICP ya Christopher A. Martinez y Heath W. Wade por su ayuda con el manejo de muestras de 88Zr. Tara Bessette, Monica Mullis y Jared George son reconocidos por su ayuda con los controles radiológicos. Se reconoce a Mila Matyskina por su ayuda con los gráficos. Esta investigación recibió fondos 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 Alamos 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: Radiation Science and Engineering Center, Pennsylvania State University, 135 Breazeale Nuclear Reactor, University Park, PA, 16802, EE. UU.

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Dirección actual: Q Division, Los Alamos National Laboratory, PO Box 1663, Los Alamos, NM, 87545, EE. UU.

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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 88Zr y la preparación del objetivo 88Zr. AVM realizó la separación 88Zr y AVM y VM realizaron la preparación del objetivo 88Zr. BJD diseñó y construyó la lata objetivo 88Zr y la estación automatizada para la transferencia de muestras 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 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 zirconio-88 mediante irradiación de protones de itrio metálico y preparación de diana para medidas 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 junio 2022

Aceptado: 11 de enero de 2023

Publicado: 31 enero 2023

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

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