РАДИОХИМИЯ, 2022, том 64, № 1, с. 65-69
УДК 66.088
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ
ФОТОИОНИЗАЦИИ ИЗОМЕРА 177mLu ДЛЯ СОЗДАНИЯ
ГЕНЕРАТОРА 177mLu/177Lu
© 2022 г. А. Б. Дьячков, А. А. Горкунов, А. В. Лабозин, К. А. Маковеева,
С. М. Миронов, В. А. Фирсов, Г. О. Цветков*, В. Я. Панченко
Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»,
123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1
*е-mail: Tsvetkov_GO@nrcki.ru
Поступила в редакцию 01.12.2020, после доработки 01.12.2020, принята к публикации 11.01.2021
Впервые исследованы селективность и эффективность лазерной фотоионизации ядер-
ного изомера
177mLu с использованием трехступенчатой схемы фотоионизации лютеция
5d6s2 2D3/2-5d6s6p4F05/2-5d6s7s4D3/2-(53375 см-1)01/2 с использование импульсных узкополосных пере-
страиваемых лазеров на красителях с накачкой лазерами на парах меди. Исследование проведено при-
менительно к задаче создания внутрибольничного автономного генератора радионуклида 177Lu.
Ключевые слова: селективная фотоионизация, лазерное разделение изотопов, литеций-177
DOI: 10.31857/S0033831122010063
ВВЕДЕНИЕ
использовано для выделения вновь образованных
атомов 177Lu. Одна из трудностей, возникающих на
Широкое применение радионуклида 177Lu как
этом пути, заключается в том, что изомер 177mLu не
β-источника с энергией 490 кэВ с мягким сопут-
может быть наработан в реакторе до нужной кон-
ствующим γ-излучением (208.37 и 112.98 кэВ) сдер-
центрации из-за его выгорания. Данная работа по-
живается из-за небольшого периода полураспада
священа обсуждению возможности использования
(6.64 сут), что требует еженедельного использова-
лазерного фотоионизационного метода для допол-
ния нейтронных потоков для производства радио-
нительного обогащения материала генератора по
нуклида. Создание внутрибольничного автономно-
изомеру 177mLu.
го генератора 177Lu позволило бы существенно рас-
Работы по поиску метода выделения радиону-
ширить возможности применения и доступность
клида 177Lu из материала генератора активно ведут-
современных радиоиммунных методик терапии
ся с 2017г. в Делфтском техническом университете,
онкологических заболеваний, снизило бы зависи-
Нидерланды [1-3]. В работе [1] предложена схема
мость лечебных учреждений от особенностей экс-
генератора на основе твердой фазы, представляю-
плуатации ядерных установок (плановый ремонт,
щей собой соединение Lu-DOTATATE, размещен-
перезагрузка и прочее).
ное на сорбенте tC-18 в жидкостной хроматогра-
Естественным источником для генератора 177Lu
фической разделительной колонке, и подвижной
является его изомер 177mLu с периодом полураспада
фазы, представляющей собой смесь 5% метанола,
160.4 сут, ядро которого находится в высокоэнер-
NaCl и буферного раствора. Распад изомера 177mLu
гичном возбужденном состоянии. В распаде изоме-
в основное состояние сопровождается передачей
ра 78.6% занимает β-распад с переходом в 177Hf и
энергии электронной оболочке атома 177Lu, что
21.4% частиц переходит в основное состояние 177Lu.
приводит к разрыву химической связи в молекуле
При этом внутренняя конверсия приводит к каска-
хилатора DOTA и выходу свободного иона 177Lu в
ду Ожэ-электронов и в конечном счете к разрыву
мобильную фазу. В результате в работе достигнуто
химических связей атома 177Lu, что может быть
увеличение соотношения активностей 177Lu/177mLu
65
66
ДЬЯЧКОВ и др.
(2)
Подстановка значений CF177, CF177m и CP177,
в (1) дает значение селективности ~10 для работы
[1] и 40-140 в работе [2].
При реализации генератора необходимо учи-
тывать наличие в материале генератора не только
радиоактивных изотопов, но и стабильных 175Lu
и 176Lu (рис. 1). При этом диссоциация комплекса
будет приводить к появлению в продукте не толь-
ко изомера, но и стабильных изотопов. Выражение
(1) можно использовать для оценки концентрации
изомера, необходимой для получения требуемого
продукта. Полагая типичные значения CP177 = 0.5,
Рис. 1. Схема образования продукта генератора.
CF177 = 10-5 [4] и S = 40÷140, получаем, что изотоп-
ная концентрация изомера 177mLu в материале гене-
в мобильной фазе 240 по сравнению с начальным
ратора должна находиться в диапазоне 0.7-2.5%.
соотношением в твердой фазе 0.24 ± 0.03. Расчет
с учетом периодов полураспада показывает, что
В работе [3] оценена возможная концентрация
исходные концентрации радиоизотопов
177Lu и
изомера, которую можно достичь при облучении
177mLu в твердой фазе составляют CF177 = 0.0088
в нейтронном потоке. Показано, что имеет место
и CF177m = 0.9912, а конечные концентрации в мо-
интенсивное выгорание изомера, что существенно
бильной фазе - CP177 = 0.91 и CP177m = 0.09. Основ-
ограничивает его содержание в продукте. При этом
ным деселектирующим процессом, ответственным
интенсивность нейтронного потока влияет лишь
за появление изомера 177mLu в подвижной фазе,
на длительность наработки, оставляя неизменной
является диссоциация соединения Lu-DOTATATE,
максимально достигаемую концентрацию изомера.
размещенного на сорбенте в колонке.
Так, при облучении лютеция с природным изотоп-
ным содержанием максимальная удельная актив-
Существенно улучшить селективность выделе-
ность составляет 0.004 ТБк/г, что соответствует
ния 177Lu позволяет процесс жидкостной экстрак-
ции, осуществляемый с водными растворами Lu-
концентрации 0.0024%. В случае применения вы-
сокообогащенного (99%) 176Lu удельная активность
DOTATATE и Lu-DOTA [2]. Накопление 177Lu про-
текает при температуре жидкого азота, что позволя-
достигает 0.125 ТБк/г, что соответствует концен-
ет существенно понизить интенсивность деселек-
трации 0.077%. Таким образом, достигаемая при
тирующего процесса, связанного с диссоциацией
нейтронном облучении изотопная концентрация
Lu-содержащих комплексов. В результате конечное
177mLu недостаточна для использования в генерато-
соотношение активностей 177Lu/177mLu достигает
ре 177mLu/177Lu.
значений (1.0-3.5) × 103, что соответствует концен-
Увеличить концентрацию изомера в лютеции
трации радиоизотопа CP177 = 0.976÷0.993.
можно с использованием лазерного фотоиониза-
В условия параллельного протекания основного
ционного метода. Суть метода состоит в том, что
процесса накопления радионуклида и деселектиру-
поток атомов, формируемый испарителем в глу-
ющего процесса диссоциации можно выразить кон-
боком вакууме, проходит в зону взаимодействия с
центрацию продукта
лазерным излучением, где происходит селективная
фотоионизация атомов выделенного изотопа (изо-
,
(1)
мера). Образованные фотоионы извлекаются из по-
тока электрическим полем на коллектор продукта,
где P177 - константа основного процесса накопле-
в то время как атомы других изотопов (изомеров),
ния радионуклида, PD - константа диссоциации,
оставаясь нейтральными, продолжают свой путь
Sch - селективность радиохимического процесса
по прямой на коллектор отвала. Селективность ла-
РАДИОХИМИЯ том 64 № 1 2022
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ФОТОИОНИЗАЦИИ ИЗОМЕР
А 177mLu
67
зерной фотоионизации основана на том, что атомы
ненные в сеть, осуществляли стабилизацию длин
различных изотопов и изомеров имеют отличающи-
волн лазеров и регистрацию сигнала с ВЭУ [10].
еся длины волн поглощения лазерного излучения.
Изомер 177mLu получали в результате облучения
Настраивая длину волны лазерного излучения на
0.6 г природного металлического лютеция на реак-
поглощение требуемого изотопа (изомера), можно
торе ИР-8 в потоке нейтронов 1.4 × 1013 см-2·с-1 в
достигнуть фотовозбуждения и фотоионизации ато-
течение 49 сут. Концентрацию изомера определяли
мов. При этом основная часть установки - лазерная
методом γ-спектрометрии по линиям 319.02 (10.5%)
система - остается вне области работы с радиоак-
и 413.62 кэВ (17.5%). На момент проведения экспе-
тивными веществами. В работах [5, 6] предложена
риментов (спустя 10 месяцев после облучения) кон-
и исследована схема фотоионизации лютеция 5d6s2
центрация 177mLu составила (1.2 ± 0.1) × 10-6. Отно-
2D3/2-5d6s6p4F05/2-5d6s7s4D3/2-(53375 см-1)01/2, до-
шение активностей 177Lu/177mLu, определенное по
стигаемая с помощью этой схемы эффективность
интенсивности линий 112.98 и 208.37 кэВ (за вы-
фотоионизации исследована в работе [7]. В работе
четом излучения 177mLu), составило 0.2 ± 0.03, что
[8] определены изотопические сдвиги и константы
соответствует концентрации 177Lu (1 ± 0.2) × 10-8.
сверхтонкой структуры изомера, а также выявлены
каналы фотоионизации (по компонентам сверхтон-
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
кой структуры), позволяющие осуществлять селек-
тивное выделение изомера 177mLu. Данная работа
Фотоионизацию
177mLu
прово-
посвящена исследованию селективности и эффек-
дили
по
трехступенчатой
схеме
тивности фотоионизации 177mLu применительно к
5d6s2 2D3/2-5d6s6p4F05/2-5d6s7s4D3/2-(53375 см-1)01/2,
задаче обогащения облученного материала для соз-
уровни которой имеют сверхтонкую структуру.
дания автономного генератора 177Lu.
Основное состояние имеет четыре подуровня с
квантовыми числами F = 10, 11, 12, 13, начальная
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
заселенность которых пропорциональна статисти-
ческому весу 2F + 1. Сверхтонкая структура уров-
Резонансное возбуждение и фотоионизацию осу-
ней в сочетании с правилами отбора ΔF = 0, ±1
ществляли излучением трех импульсных перестра-
образуют более 40 возможных каналов фотоиони-
иваемых по длине волны лазеров на красителях,
зации.
накачиваемых излучением лазера на парах меди [9].
На рис. 2-4 приведены экспериментальные за-
Узкая спектральная ширина лазеров (ширина линии
висимости фотоионного сигнала от плотности
генерации 100-120 МГц (FWHM) позволяет дости-
средней мощности на каждой ступени для наиболее
гать высокой селективности, а частота повторения
селективного канала 12-13-13-12. Результаты со-
импульсов 10 кГц - высокой вероятности фотоио-
ответствуют случаю задержки лазерных импульсов
низации атомов целевого изотопа (изомера). Лазер-
второй и третьей ступени относительно импуль-
ное излучение трех лазеров на красителях своди-
са первой ступени на величину длительности им-
лось в один луч, который направлялся в вакуумную
пульса (20 нс). Так как для второй и третьей ступе-
камеру, где пересекался с атомным пучком непо-
ни (импульсы совмещены) наблюдалось взаимное
средственно в источнике ионов квадрупольного
влияние на ход зависимости и уровень насыщения,
масс-спектрометра МС-7302. Ионно-оптическая си-
графики были построены при различных уровнях
стема масс-спектрометра формировала пучок фото-
средней плотности мощности соотвествующей сту-
ионов и направляла в квадрупольный фильтр масс.
пени.
Фотоионы выделенной массы (отношения массы к
Насыщение фотоионного сигнала соответству-
заряду) регистрировались вторично-электронным
ет исчерпанию атомов в начальном состоянии. За-
умножителем (ВЭУ) в составе масс-спектрометра.
селенность основного состояния 5d6s2 2D3/2 при
Такая система позволяет оперативно определять
температуре испарения металлического лютеция
изотопный состав фотоионов, образующихся в ре-
1700°С составляет 0.77, доля атомов на подуровне
зультате многоступенчатой лазерной резонансной
F = 12 равна 0.26, соответственно доля всех ато-
фотоионизации. Несколько компьютеров, объеди-
мов изомера, которая может быть фотоионизована
РАДИОХИМИЯ том 64 № 1 2022
68
ДЬЯЧКОВ и др.
3
4
3
2
2
1
I3 = 2.8 Вт/см2
1
I3 = 1.2 Вт/см2
I3 = 0.4 Вт/см2
0
0
10
20
30
40
50
0 0
10
20
30
40
Средняя плотность мощности лазера
Средняя плотность мощности лазера
1-й ступени, мВт/см2
2-й ступени, мВт/см2
Рис. 2. Зависимость фотоионного сигнала 177mLu в канале
Рис. 3. Зависимость фотоионного сигнала 177mLu в канале
12-13-13-12 от средней плотности мощности лазера 2-й
12-13-13-12 от средней плотности мощности лазера 1-й
ступени (средняя плотность мощности лазера 2-й и 3-й
ступени (средняя плотность мощности лазера 1-й ступе-
ступени 15 мВт/см2 и 2.5 Вт/см2 соответственно).
ни 96 мВт/см2).
3
160
140
120
2
100
80
1
60
I2 = 32 мВт/см2
I2 = 15 мВт/см2
40
I2 = 3.8 мВт/см2
I2 = 1.6 мВт/см2
20
00
1
2
3
4
5
0
Средняя плотность мощности лазера
174
175
176
177
178
Массовое число, а.е.м.
3-й ступени, Вт/см2
Рис. 4. Зависимость фотоионного сигнала 177mLu в канале
12-13--13-12 от средней плотности мощности лазера
Рис. 5. Масс-спектр фотоионов при ионизации 177mLu по
3-й ступени (средняя плотность мощности лазера 1-й
каналу 12-13-13-12 в условиях светового насыщения по
ступени 96 мВт/см2).
всем ступеням (20 мВт/см2, 10 мВт/см2, 3 Вт/см2).
с использованием канала 12-13-13-12, составляет
Уровни насыщения по ступеням возбуждения
0.77·0.26 = 0.2. При задержке импульсов второй и
составили 20 мВт/см2, 10 мВт/см2 и 3 Вт/см2 со-
ответственно. Масс-спектр фотоионов при данных
третьей ступени относительно импульса первой
световых условиях представлен на рис. 5. Селек-
ступени в фотоионы могут быть переведены толь-
тивность лазерной фотоионизации S как отношение
ко те атомы, которые после окончания импульса
вероятностей ионизации целевого и нецелевых изо-
первой ступени остались в первом возбужденном
топов можно определить по формуле
состоянии 5d6s6p4F05/2 (время жизни 472 нс). Доля
этих атомов соответствует отношению статисти-
,
(3)
ческих весов верхнего и нижнего состоянии и для
первого перехода 12-13 равна 0.52. В итоге при ис-
где CF - содержание целевого изотопа 177mLu, CP -
пользовании канала 12-13-13-12 с задержкой им-
концентрация фотоионов 177mLu. Изотопная кон-
пульсов второй и третьей ступени может быть фо-
центрация изомера 177mLu составила CP = 25(2)%,
тоионизовано 10% атомов изомера 177mLu.
что соответствует селективности по отношению
РАДИОХИМИЯ том 64 № 1 2022
ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАЗЕРНОЙ СЕЛЕКТИВНОЙ ФОТОИОНИЗАЦИИ ИЗОМЕР
А 177mLu
69
к природным изотопам, рассчитанной по форму-
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
ле (3), S = 2.1(2) × 105.
В сигнал масс-спектрометра на массе 177 вносят
Авторы заявляют об отсутствии конфликта ин-
вклад как фотоионы изомера 177mLu, на линии по-
тересов.
глощения которого настроены лазеры, так и фото-
ионы 177Lu. Однако вследствие того, что начальное
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
содержание 177Lu на два порядка меньше изомера
177mLu, вкладом изотопа 177Lu можно пренебречь.
1.
Bhardwaj R., Van Der Meer A., Das S.K., De Bruin M.,
Gascon J., Wolterbeek H.T., Denkova A.G., Serra-
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Crespo P. // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 1-8.
2.
Bhardwaj R., Wolterbeek H.T., Denkova A.G., P. //
Таким образом, экспериментально достигнута
EJNMMI Radiopharm. Chem. 2019. Vol. 4.
селективность фотоионизации изомера S = 2.1 × 105
в условиях насыщения, соответствующих макси-
3.
Bhardwaj R., Ponsard B., Sarilar M., Wolterbeek B.,
мально возможной степени извлечения 177mLu, кото-
Denkova A., Serra-Crespo P. // Appl. Radiat. Isot. 2020.
рая с учетом задержки лазерных импульсов для ка-
нала 12-13-13-12 составляет 10%. При облучении
Vol. 156. Paper 108986.
нейтронами природного лютеция максимальная
4.
Агеева И.В., Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабо-
возможная концентрация изомера 177mLu составляет
зин А.В., Миронов С.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А.,
2.4 × 10-5, что при селективности S = 2.1 × 105 по-
Цветков Г.О., Цветкова Е.Г. // Квант. электроника.
зволяет достигать концентрации изомера в ансам-
2019. T. 49. C. 832-838.
бле фотоионов 83%. Полученный запас обогащения
5.
Дьячков А.Б., Ковалевич С.К., Лабозин А.В., Лабо-
по изомеру 177mLu - 83% при требуемых в продукте
зин В.П., Миронов С.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А.,
0.7-2.5% - представляет собой достаточную основу
Цветков Г.О., Шаталова Г.Г. // Квант. электроника.
для развития технологии лазерного выделения изо-
2012. T. 42. P. 953-956.
мера 177mLu из облученной смеси с целью создания
6.
Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабозин А.В., Миро-
автономного внутрибольничного генератора радио-
нов С.М., Цветков Г.О., Панченко В.Я., Фирсов В.А. //
нуклида 177Lu.
Оптика и спектроскопия. 2019.T. 126. C. 103.
7.
Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабозин А.В., Миро-
нов C.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А., Цветков Г.О. //
БЛАГОДАРНОСТИ
Квант. электроника. 2018. T. 48. P. 1043-1047.
8.
Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабозин А.В., Маковее-
Авторы выражают благодарность Арзумано-
ва К.А., Миронов С.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А.,
ву С.С., Панину Ю.Н., Вязовецкому Ю.В., Курочки-
Цветков Г.О. // Оптика и спектроскопия.
2020.
ну А.В. и Чувилину Д.Ю. за помощь в подготовке
T. 128. C. 10.
образца 177mLu.
9.
Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабозин А.В., Миро-
нов С.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А., Цветков Г.О. //
ФОНДОВАЯ ПОДДЕРЖКА
Квант. электроника. 2018. T. 48. C. 75-81.
10. Дьячков А.Б., Горкунов А.А., Лабозин А.В., Миро-
Исследование выполнено за счет гранта Россий-
нов С.М., Панченко В.Я., Фирсов В.А., Цветков Г.О. //
ского научного фонда (проект №17-13-01180П).
ПТЭ. 2018. С. 81-89.
РАДИОХИМИЯ том 64 № 1 2022
