铸剑为犁，实现放射性医疗同位素镥-177的国产化
马氏体
03-16 22:07
2024年3月7日，中国核工业集团有限公司（中核集团）发布消息，国产的克量级镱-176同位素产品经过反应堆辐照，获得了无载体镥-177产品，放射性核纯度大于99.9%，打通了国产核药产业链的关键一环。
这则专业新闻被多家媒体转载，但对于它的原理却语焉不详。今天我就试着来阐释一下这条晦涩的消息。
镥（Lu）是一种稀土元素。自然界中只有镥-175这一种稳定同位素，占97.4%，剩下的是半衰期长达370亿年的镥-176，镥-177则是一种人造的放射性同位素。
镥-177的半衰期为6.647天（β衰变为铪-177），释放较低能量的β射线（电子，大部分带有498keV的能量），在人体组织中的平均射程为670微米，在发挥治疗作用时可有效减少辐射相关不良反应的发生，安全性好。把镥-177与靶向配体结合，可将镥-177引导到肿瘤处，用于神经内分泌肿瘤和前列腺癌等的靶向治疗。另外，利用镥-177衰变释放出的低能量γ射线（208和113keV）可进行显像诊断和疗效评估。
镥-177的制备方法有两种，一是在反应堆中辐照镥-176，使之获得一个中子而成为镥-177，但这种方法的效率较低，产品中含有大量未反应的镥-176（新闻报道中所说的“无载体镥-177产品”中的“载体”就是指镥-176），放射性活度低，影响疗效，另外还会产生特殊的镥-177m同位素，半衰期160天，释放高能γ射线，带来较大的副作用。
另一种方法是用镱-176在反应堆内接受辐照，吸收中子成为镱-177，镱-177发生β-衰变（原子核内一个中子转变成一个质子和一个电子，质量数不变而原子序数+1），得到镥-177。
这就需要高丰度的镱-176同位素。稀土元素镱（Yb）天然存在从168到176的多种同位素，其中镱-176占比只有13%。镱的同位素分离采用电磁分离法。
待分离的镱被制成挥发性的三氯化镱（YbCl3），加热蒸发后被电弧电离，三氯化镱分子失去一个电子变成带正电的离子。把飞出的离子引入横向的磁场，离子在电磁力作用下发生偏转，质量越大的离子的旋转半径越大。根据镱同位素质量数的不同，在不同的位置收集离子，就可以实现同位素的分离。
此前镱同位素的电磁分离技术掌握在美俄手中，镱-176完全依赖进口。2023年11月，中核集团中国原子能科学研究院（原子能院，位于北京）在国内首次分离出丰度大于99%的镱-176同位素。
原子能院从上世纪60年代初起开始进行同位素电磁分离技术的研究，曾为我国的核武器事业分离出铀-238、锂-6、锂-7等同位素标准物质。他们于2015年新研制成功的EMIS-170同位素电磁分离器是目前国内唯一一台尚在运行的大型同位素电磁分离装置，与美国同类装置具有同等水平，保障了我国高丰度稳定同位素材料的自主生产的能力。
2023年12月，中核集团核工业理化工程研究院/有限公司（核理化院，位于天津）在国际上首次采用先进工艺成功生产出高丰度克量级镱-176同位素产品。核理化院始建于1964年，是中核集团唯一专门从事铀同位素分离技术、设备研究的基地。预计到2025年能够形成百克量级的镱-176同位素年生产能力，实现放射性药物关键原料的自主可控。
与分离铀-235和铀-238生产核燃料所用的离心法相比，电磁分离法的通用性好，可用于分离几乎所有多核素元素的同位素；灵活性大，几天内就可改变分离对象；分离能力强；原料滞留量小，可操作毫克量级物质；平衡时间短，开机数小时就可开始收集浓缩同位素产品。它能适应对稳定同位素的高丰度、多品种、少用量的需要，更是获得铷（Rb）、钾（K）、钆（Gd）、钙（Ca）、铜（Cu）、锑（Sb）、铒（Er）等多种同位素唯一可行的方法。除了核技术和基础科学研究，人工富集的稳定同位素在生物学、地球科学、农业、生态学等诸多领域被作为示踪剂和标准物质，也是放射医学所用的特殊放射性同位素的前驱体。
我国北斗三号卫星导航系统采用了自主研制的新一代高精度铷原子钟，授时精度优于10纳秒（一亿分之一秒），从而实现米级定位精度。其中用到的高丰度铷-87同位素（天然丰度27.8%，其余为铷-85）便由原子能院的电磁分离团队提供，具有极高的战略价值。
从稳定同位素到放射性医疗同位素，还需经过核反应，有些可以在医院内用加速器现场制备（例如肿瘤PET-CT所用的氟-18标记的氟代脱氧葡萄糖，是利用质子轰击氧-18的水，得到氟-18的氢氟酸，再把氟-18转移到脱氧葡萄糖上），有些则需要使用反应堆进行中子辐照。
中核集团分离出的镱-176经过中国工程物理研究院核（中物院，位于四川绵阳）物理与化学研究所的中国绵阳研究堆（CMRR）辐照，获得高活度的镥-177产品。这座反应堆不同于核电站，它的主要使命是产生中子服务于科学研究，例如利用中子与物质的相互作用作为“显微镜”探究微观结构、开展材料耐辐照性能考核、生产特殊的同位素等，是我国现有建成时间最早、运行最稳定、应用成效最显著的大型中子科学平台。
中国工程物理研究院简称中物院，但它更有名的大概是原来的简称——九院，是我国唯一的核武器研制生产单位，也是诸多国防尖端科学技术的研究基地。它的前身是我国第一颗原子弹、第一颗氢弹的诞生地——青海金银滩草原上的二二一基地（请看我的二二一基地游记）。
核技术不仅能爆发出毁天灭地的巨大威力，铸剑为犁，它也能成为守护生命的手术刀、服务于各行各业的先进工具。
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参考资料：
中国核工业集团有限公司.突破！我国首次获得克量级镱-176同位素并制成镥-177.
https://www.cnnc.com.cn/cnnc/xwzx65/yxdt10/1410164/index.html
四川在线.独家探访“四川造”国家大型科学平台：用“自己的眼睛”解锁微观世界奥秘.
https://sichuan.scol.com.cn/xwtg/202012/57979082.html
张朋俊,张露露,卜婷,等. 177Lu标记的放射性药物制备方法的比较及初步临床应用. 中华核医学与分子影像杂志,2022,42(10):597-601.
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任秀艳,王国宝,曾自强,等. CIAE同位素电磁分离技术的创新与发展. 原子能科学技术,2020,54(z1):316-321.
曾自强,任秀艳,曹进文,等. EMIS-170同位素电磁分离器——中国原子能科学研究院研究成果. 科技成果管理与研究,2017(2):80-81.
