Entwicklung natürlicher und angereicherter Cr-Targets zur Produktion von Mangan

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 1167 (2023) Diesen Artikel zitieren

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52Mn ist ein vielversprechendes PET-Radiometall mit einer Halbwertszeit von 5,6 Tagen und einer durchschnittlichen Positronenenergie von 242 keV. Typischerweise wird Chrom mit natürlicher Isotopenhäufigkeit als Zielmaterial verwendet, um dieses Isotop durch die Nat/52Cr(p,n)52Mn-Reaktion herzustellen. Während natürliches Cr ein geeignetes Zielmaterial ist, könnte 52Mn mit höherer Reinheit durch den Übergang zu angereicherten 52Cr-Zielen hergestellt werden, um die Koproduktion von langlebigem 54Mn (t1/2 = 312 Tage) zu verhindern. Leider sind 52Cr-Targets ohne vorhandene Recyclingprozesse nicht kosteneffektiv. Daher zielt diese Arbeit darauf ab, Wege zur Herstellung von Cr-Targets zu erkunden, die recycelt werden könnten. In dieser Arbeit wurden natürliche Cr-Folien, Metallpulverpellets, angereichertes Chrom-52-Oxid und Cr(III)-galvanisierte Targets untersucht. Jedes dieser Zyklotrontargets wurde bestrahlt und das erzeugte 52Mn wurde, wenn möglich, mithilfe eines halbautomatischen Systems gereinigt. Eine verbesserte Reinigung durch Festphasen-Anionenaustausch aus Ethanol-HCl-Mischungen führte zu einer Ausbeute von 94,5 ± 2,2 % an 52Mn. Die vielversprechendste Targetkonfiguration zur Herstellung eines recycelbaren Targets war galvanisiertes Cr(III). Diese Arbeit stellt mehrere Wege zur Optimierung angereicherter Cr-Targets für die Produktion von hochreinem 52Mn vor.

Mangan-52 (52Mn) ist ein Positronen emittierendes Radiometall, das für langlebige Studien mittels Positronen-Emissions-Tomographie (PET) verwendet werden kann. Da nicht-radioaktives Mn zuvor als kontrastverstärkendes Mittel für die manganverstärkte MRT (MEMRI) verwendet wurde, kann außerdem radioaktives 52Mn mit dem nichtradioaktiven Mn kombiniert werden, um ein signalverstärkendes Kontrastmittel mit dualer Modalität für die Bildgebung mit PET/MRT zu schaffen1.

Einer der häufigsten Produktionswege für 52Mn ist Nat/52Cr(p,n)52Mn. Mehrere Forscher haben über die Herstellung und Charakterisierung von Cr-Zielen mit natürlicher Isotopenhäufigkeit (natürliches Cr) berichtet. (Tabelle 1). Bei anderen Methoden wurden Vanadium-Targets verwendet, um 52Mn durch Beschuss mit 3He herzustellen. Allerdings gibt es nur eine begrenzte Anzahl von Beschleunigern, die in der Lage sind, diese Teilchen zu beschleunigen2.

Natürliches Cr besteht aus 4 Cr-Isotopen, darunter 50Cr (4,35 %), 52Cr (83,79 %), 53Cr (9,50 %) und 54Cr (2,37 %). Da natürliches Cr einen hohen Anteil an 52Cr enthält, ist es eine kostengünstige Möglichkeit, 52Mn herzustellen. Leider können die Reaktionen, die an den anderen drei stabilen Cr-Isotopen ablaufen, zur Produktion verschiedener Radiokontaminanten über dieses bestrahlte Zielmaterial führen, wie in Tabelle 2 gezeigt. Wenn die Wirkungsquerschnitte und Schwellenwerte dieser Reaktionen und der Protonenstrahl berücksichtigt werden Obwohl die Energie unter ~ 13 MeV gehalten wird, werden nur zwei dieser Verunreinigungen, 52 mMn und 54 Mn, in den Gammaspektren nach der Bestrahlung des natürlichen Chroms beobachtet1,9,10,11. Frühere Studien haben die Beschussparameter durch Querschnittsmessungen optimiert10. Eine andere Lösung, um die Entstehung dieser langlebigen Verunreinigungen zu verhindern, wäre die Verwendung eines angereicherten 52Cr-Targets.

Unser Ziel war es daher, mithilfe von Chemie angereicherte 52Cr-Targets zu entwickeln, die das Recycling des Targetmaterials ermöglichen würden, um neue Targets zu geringeren Kosten herzustellen. Natürliche Cr-Targets wurden verwendet, um Machbarkeitsstudien für Produktions-, Reinigungs- und Recyclingprozesse vor dem Übergang zu 52Cr durchzuführen. Cr kann in vielen verschiedenen Formen erworben werden, einschließlich Pulver, Folien und Stäben. 52Cr wird jedoch typischerweise in Metallpulverform erhalten. Cr-Pulver können mit einer hydraulischen Presse zu Pulvertargets gepresst, zur Bildung anderer chemischer Formen wie Cr2O3 oder CrCl3 umgesetzt oder galvanisiert werden, um das Potenzial für recycelbare, angereicherte 52Cr-Targets zu erhöhen. Da man davon ausgeht, dass Cr(VI) eine höhere Toxizität aufweist, vermied diese Arbeit diesen Oxidationszustand und konzentrierte sich auf das weniger toxische Cr(III). Diese Arbeit untersuchte verschiedene Arten und Zielkonfigurationen von Cr, um recycelbare, angereicherte 52Cr-Ziele zu erkunden.

Natürliches Cr-Metallpulver mit 5N-Reinheit, Ta-Bleche mit 3N8-Reinheit, Al-Bleche mit 5N-Reinheit, Cu-Bleche mit 5N5-Reinheit, Au-Bleche mit 5N-Reinheit und Pt-Stäbe mit 3N5-Reinheit wurden von ESPI Metals, Ashland, Oregon, bezogen. Angereichertes 52Cr-Metallpulver mit einer Anreicherung von 98,8 % wurde von Isoflex, San Francisco, CA, bezogen. Viton-O-Ringe wurden von McMaster-Carr, Elmhurst, IL bezogen. Der Trockenpressstempelsatz mit einem Innendurchmesser von 10 mm wurde von Across International (Livingston, NJ) bezogen. Chromchlorid-Hexahydrat mit einer Reinheit von ≥ 98 % und 1-ml-SPE-Röhrchen mit Fritten wurden von Millipore Sigma, Burlington, MA, bezogen. AG1-X8-Harz in analytischer Qualität in Chloridform mit 100–200 Mesh wurde von Bio-Rad, Hercules, CA, bezogen. Eine gemischte Nuklidquelle in einem versiegelten 1,5-ml-Zentrifugenröhrchen, die für die Kalibrierung des Detektors für hochreines Germanium (HPGe) verwendet wird, wurde von Eckert & Ziegler Analytics (Atlanta, GA) hergestellt. 1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure (DOTA) wurde von Macrocyclos (Plano, TX) bezogen und die Aluminium-beschichteten Si-60-TLC-Platten wurden von Sorbtech Technologies (Norcross, GA) bezogen ).

Alle anderen Materialien wurden von Fisher Scientific (Hampton, NH) gekauft, sofern nicht anders angegeben.

Wie in Pyles et al. 2021 wurden Cr-Folien in großem Maßstab durch galvanische Abscheidung von natürlich vorkommendem Cr hergestellt, wie zuvor in Wooten et al. beschrieben. 201511,13.

Cr-Metallpulver-Targets wurden durch 5-minütiges Pressen von 200–230 mg natürlichem Cr-Metallpulver mit 5 Tonnen unter Verwendung einer hydraulischen Presse und eines 10-mm-Farbsatzes hergestellt. Diese Ziele hatten einen Durchmesser von 10 mm und eine Nenndicke von 0,4–0,5 mm. Tantal (Ta)-Bleche mit 3N8-Reinheit und einer Dicke von 0,06 Zoll wurden in Münzen mit 2,5 cm Durchmesser geschnitten und in der Mitte wurde eine 0,5 mm tiefe Vertiefung eingearbeitet, um das Cr-Pulver-Target zu halten. Darüber hinaus verfügten diese Ziele über eine Aussparung für einen Viton-O-Ring außerhalb der Zielaussparung, um den Verlust von Zielmaterial zu verhindern. Die Ziele wurden schließlich mit einem 0,75-mm-Degrader aus Aluminium (Al) mit „Druckknopf“-Design abgedeckt, der in die 14-mm-Aussparung passte und sowohl das Ziel als auch den O-Ring abdeckte, wie in Abb. 1A gezeigt.

Fotos der beschriebenen Zielkonfigurationen vor der Bestrahlung. (A) Cr-Metallpulver-Target mit Al-„Druckknopf“-Degrader, (B) Cr2O3-Target, (C) galvanisiertes Cr(III)-Target.

Durch die Reaktionen entstand 52Cr2O3.

Verwendung von angereichertem 52Cr-Metallpulver als Ausgangsmaterial.

200–230 mg 52Cr wurden in 5 ml 6 M Salzsäure (HCl) gelöst und etwa 30 Minuten lang oder bis zur Auflösung auf 95 °C erhitzt, um 52CrCl3 zu ergeben. Ungefähr 10 ml 7 M Ammoniumhydroxid wurden der 52CrCl3-Lösung zugesetzt, um das Material als 52Cr(OH)3 auszufällen. Das 52Cr(OH)3 wurde dann 7 Minuten lang oder bis der Niederschlag von der Lösung abgetrennt war, bei 3000 U/min zentrifugiert. Das Niederschlagspellet wurde vom Überstand abgetrennt und mit MQ-Wasser gespült. Das 52Cr(OH)3 wurde auf 200–250 °C erhitzt, um das Endprodukt 52Cr2O3 zu erhalten. Dann wurde das 52Cr2O3-Pulver gewogen und in den Ofen gegeben, um es bei 250 °C trocken zu halten. Die Pulvertargets wurden durch Pressen von 200–230 mg 52Cr2O3-Pulver in einem Trockenpressmatrizensatz mit 10 mm Innendurchmesser hergestellt, um die korrekte Targetform sicherzustellen, und zwar bei 5 Tonnen für 5 Minuten unter Verwendung einer hydraulischen Presse, um das gepresste Pellet für die Bestrahlung herzustellen . Diese Ziele hatten einen Durchmesser von 10 mm und eine Nenndicke von 0,4–0,5 mm. Das Target wurde wie in Abschnitt 1.3 beschrieben mit der Ta-Unterlage und dem Al-„Druckknopf“-Degrader konfiguriert, wie in Abb. 1B gezeigt.

Als Chromquelle in der Elektroabscheidungslösung wurde Chromchlorid-Hexahydrat (CrCl3·6H2O) verwendet, das an das zuvor in Liang et al.14 beschriebene Verfahren angepasst wurde. Als Elektrolysezelle wurde ein 20 × 150 mm großes Einweg-Kulturröhrchen aus Kalkglas verwendet, das so modifiziert war, dass es zwei offene Enden aufwies. Der Beschichtungsdurchmesser betrug 10 mm mit einer Nenndicke von 0,1–0,5 mm, abhängig von der Menge des plattierten Cr, wie in Abb. 1C dargestellt. Kupferbleche (Cu) oder Goldbleche (Au) mit einer Reinheit von 5N5 bzw. 5N und einer Dicke von 0,75 mm wurden in Münzen mit einem Durchmesser von 2,5 cm geschnitten und als Targetträger (Kathode) verwendet, während ein Platinstab als rotierender Stab verwendet wurde Anode in der Lösung suspendiert. Das Galvanisiergerät war an eine Gleichstromversorgung angeschlossen, die Krokodilklemmen nutzte, um Spannung an den Platinstab anzulegen. (Abb. 2) Die an den Platinstab und die Galvanisierungslösung angelegte Spannung betrug 3,8 V, was einen Strom von durchschnittlich 0,075 A lieferte. Zusätzlich wurden diese Targets schließlich mit einem 0,75 mm Al-Degrader abgedeckt.

Elektroplattiergerät zum Plattieren von Cr-Metall aus einer CrCl3-Lösung, wobei sich die Kathode zwischen der Grundplatte und dem Münzhalter aus Kunststoff befindet. Die Anode ist der Platinstab, der mit dem Motor verbunden und in der CrCl3-Beschichtungslösung suspendiert ist.

Der Stopp und die Reichweite von Ionen in Materie (SRIM) wurden verwendet, um die Energie des Protonenstrahls auf dem Ziel nach dem Degrader zu bestimmen15. Alle Bombardierungen wurden auf dem TR-24 Cyclotron (Advanced Cyclotron Systems Inc.) durchgeführt. Die folgenden Bestrahlungen verwendeten Beschussparameter, die zuvor von El Sayed et al. optimiert wurden. Diese Targetkonfigurationen wurden 2–8 Stunden lang mit einer einfallenden Protonenstrahlenergie von 17,5 MeV auf den Degrader (12,8 MeV auf das Cr-Targetmaterial) bei 15 μA bestrahlt. Der Protonenstrahl wurde in der in jeder Zielkonfiguration beschriebenen Trägermünze gestoppt. Das Target wurde auf der Vorderseite des Targets durch He-Gas gekühlt, während die Rückseite des Targets wassergekühlt war.

Die galvanisierten Targets wurden mittels SEM analysiert, um die Reinheit des plattierten Cr zu bestimmen. Die SEM-Analyse wurde mit einem SEM FEI Quanta 650 FEG mit Sekundärelektronendetektor bei einer Beschleunigungsspannung von 16 kV für die Spektroskopie durchgeführt, der mit einem elektronendispersiven Röntgenspektroskopie-Analysator (EDAX) ausgestattet war, um die Probenstöchiometrie qualitativ zu messen. Das SEM nutzte die xT-Mikroskopsteuerungssoftware, während das EDAX die Teams-Software nutzte.

Die unten beschriebene Reinigungsmethode wurde von Pyles et al. übernommen. mit Ausnahme der natürlichen Cr-Folien, die das exakte Trennverfahren von Pyles et al.13 verwendeten. Für die angepassten Studien wurden drei Säulen bestehend aus 1-ml-Festphasenextraktionsröhrchen (SPE) wie folgt mit AG1-X8-Harz beladen: Spalte 1 (C1) – 300 mg, Spalte 2 (C2) – 200 mg und Spalte 3 ( C3) – 100 mg. Eine mit den SPE-Röhrchen gelieferte Fritte wurde auf das AG1-X8-Harz gelegt, um zu verhindern, dass das Harzbett durch die einströmenden Reagenzien während des Reinigungsprozesses gestört wird. Das bestrahlte Cr-Target wurde in konzentrierter HCl gelöst, in EtOH auf 3 % HCl verdünnt und auf eine Säule mit AG1-X8-Harz geladen. Das Cr wurde mit 3 % HCl in Ethanol eluiert. Das Mn wurde mit 6 M HCl eluiert.

Das angepasste Verfahren der Drei-Säulen-Chemietrennung ist in Tabelle 3 und Abb. 3 beschrieben.

Angepasstes Schema eines halbautomatischen Systems zur Trennung von 52Mn vom Chrom-Zielmaterial, Ventilsteuerung und Spritzenpumpen, während die Spritzen 1–6 manuell bedient werden. B1-3: Becher 1–3; T1-3: konisches 50-ml-Fläschchen 1–3; C1-3: Spalte 1–3; V1-5: Ventil 1–5; ABCD: 4-Wege-Ventil; S1-6: Spritze 1–6; SP1-2: Spritzenpumpe 1–2; FPV: Endproduktfläschchen. Modifiziert nach Pyles et al.13.

Nach der Bestrahlung und der Zielauflösung wurden vor und nach der Reinigung Aliquots aus der Rohlösung der gelösten NatCr- und 52Cr-Ziele gesammelt. Die Proben wurden wie in Pyles et al.13 beschrieben analysiert.

Induktiv gekoppelte Plasma-Massenspektroskopie (ICP-MS, 7700-Serie; Agilent, Santa Clara, CA) wurde verwendet, um das Vorhandensein von Cr im gelösten Zielmaterial und den aus jeder Säule eluierten Lösungen zu bewerten. Von jeder Probe wurden Aliquote entnommen und analysiert, wie in Pyles et al.13 beschrieben.

Um die chemische Reinheit und die scheinbare molare Aktivität (AMA) des von den natürlichen Chrommetallpulver-Targets produzierten 52Mn zu beurteilen, wurde ein Chelatisierungstest durchgeführt, wie zuvor von Graves et al.4 beschrieben. Kurzzeitig wurde 52MnCl2 getrocknet und in 0,1 M Ammoniumacetat, pH 4,5, rekonstituiert. Es wurden zweifach seriell verdünnte Proben von DOTA (1,4,7,10-Tetraazacyclododecan-1,4,7,10-tetraessigsäure) 1 mg/ml in 0,1 M Ammoniumacetat, pH 4,5, hergestellt. 100 μl gepufferte Aktivität wurden mit jeder der DOTA-Proben kombiniert und 1 Stunde lang bei 37 °C inkubiert. Die Markierungseffizienz der Proben wurde durch Auftüpfen von 2 μl jeder Probe auf Aluminium-beschichtete Si-60-DC-Platten bewertet. Die Platten wurden in einer mobilen Phase mit 0,1 M HCl entwickelt, 52Mn-DOTA blieb am Ursprung und freies 52Mn bewegte sich mit der mobilen Phase.

Die Einzelheiten der Bestrahlungs- und Reinigungsergebnisse jeder Targetkonfiguration sind in Tabelle 4 aufgeführt. Die theoretischen Werte für jedes Target wurden unter Verwendung der Dickentarget-Ausbeutemessung berechnet und stimmen mit den experimentellen Ausbeuten überein.

In der ursprünglichen Zielkonfiguration von 1–2 natürlichen Cr-Folien und der zuvor in Pyles et al. beschriebenen Reinigungsmethode sind die Folien nicht mehr verfügbar und es wurden zwei–drei Säulen verwendet13. Die Mengen an Cr und nicht radioaktivem Mn im Endprodukt pro Charge [Chargengröße: 284,9 ± 48,1 MBq (7,7 ± 1,3 µCi)] für die radioaktive Reinigung betrugen 5,6 ± 8,6 μg bzw. 1,3 ± 2,3 μg. Die Eisen- und Kupferverunreinigungen für die radioaktive Reinigung pro Charge betrugen 79 ± 14 µg (1,41 µmol) bzw. 54 ± 2 µg (0,85 µmol).

Diese Zielkonfiguration erwies sich im Hinblick auf die Benutzerfreundlichkeit insgesamt als die erfolgreichste. Nach einer 8-stündigen Bestrahlung wurden hohe Ausbeuten von 336,7 ± 44,4 MBq (9,1 ± 1,2 mCi) erzielt. Diese Targets ließen sich einfach zusammensetzen und reinigen und erzielten eine hohe Ausbeute von 52 Mn bei 93,1 ± 2,5 %. Das Reinigungssystem trennte Mn mithilfe einer Reihe von drei 1-ml-SPE-Röhrchen vom Cr-Zielmaterial. Die Zielreinigung für natürliches Chrompulver [Chargengröße: 336,7 ± 44,4 MBq (9,1 ± 1,2 µCi)] ergab ICP-MS-Daten für Cr (10,5 ± 2,6 µg), Mn (2,0 ± 0,6 µg), Fe (7,2 ± 1,3 µg), Cu (2,9 ± 0,4 µg) und Zn (13,2 ± 1,0 µg) für jedes der Endprodukte. Ein Nachteil besteht darin, dass dieses Target nicht recycelt werden kann und daher nicht als guter Kandidat für die Umwandlung in ein angereichertes 52Cr-Target angesehen wurde, es sei denn, ein Recycling wäre nicht erforderlich.

Dann wurde das 52Cr2O3-Pulver gewogen und 411,5 ± 44,5 mg in den Ofen gegeben, um es bei 250 °C trocken zu halten. Diese Zielkonfigurationen waren dem natürlichen Chrommetallpulver sehr ähnlich, jedoch wurde das angereicherte 52Cr-Metall zur Herstellung von 52Cr2O3 verwendet. Das angereicherte Material führte in kürzerer Zeit zu höheren Erträgen von 318,2 ± 7,4 MBq (8,6 ± 0,2 mCi) in 2,5 Stunden. Leider löste sich dieses Material in keiner der folgenden Säuren und Basen in ihrer konzentrierten Form: Salzsäure, Salpetersäure, Schwefelsäure, Flusssäure und Natriumhydroxid. Auch Mischungen dieser Säuren wurden erfolglos unter Verwendung von Königswasser und Piranha-Lösung versucht. Dies steht im Einklang mit früheren Literaturberichten, dass zum Auflösen von Cr2O3 harsche Bedingungen erforderlich sind, weshalb dieses Target nicht gereinigt werden konnte, um das gereinigte 52Mn16,17 zu erhalten. Wenn eine vernünftige Auflösung entwickelt würde, könnten diese Targets recycelt und für ein angereichertes 52Cr-Target wiederverwendet werden. Der Recyclingprozess würde die aufgeführte Reaktion nutzen, um 52Cr2O3 ausgehend von dem CrCl3 herzustellen, das während des Reinigungsprozesses gesammelt wird.

Das galvanisch abgeschiedene Cr nutzt Chromoxid-Hexahydrat in der Elektroabscheidungslösung. Als Komplexbildner dienten Ameisensäure und Harnstoff, als Leitsalze Ammoniumchlorid und Natriumchlorid und schließlich als Puffermittel Methanol und Borsäure. Diese Ziele wurden mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) weiter untersucht (Abb. 4). Die Analysetechnik bestätigte, dass die galvanisierten Targets 95,6 ± 1,0 Gewichtsprozent und 89,3 ± 1,1 Atomprozent Cr auf der Oberfläche sowie 3,2 ± 0,2 Gewichtsprozent und 9,7 ± 0,6 Atomprozent Sauerstoff unter Verwendung eines Cu enthielten Rückendeckung. Die galvanisierten Targets mit einer Au-Unterlage enthielten vor dem Schleifen der Oberfläche 93,5 ± 1,5 Gewichtsprozent und 83,1 ± 3,9 Atomprozent Cr auf der Oberfläche sowie 5,6 ± 1,2 Gewichtsprozent und 16,5 ± 3,1 Atomprozent Sauerstoff und enthielt 93,7 ± 0,6 Gewichtsprozent und 82,0 ± 1,4 Atomprozent Cr auf der Oberfläche mit 6,3 ± 0,6 Gewichtsprozent und 18,0 ± 1,4 Atomprozent Sauerstoff nach dem Schleifen der Oberfläche. Während die Cr-Menge auf dem Cu-Träger leicht erhöht ist, ist Au praktischer, da bei Verwendung der Cu-Träger aufgrund der leichten Auflösung von Cu während der Auflösung des Cr-Targetmaterials ein erhöhter Cu-Gehalt im Endprodukt beobachtet wurde. Die Beschichtungsausbeuten betrugen 16,8 ± 2,6 %, was für die Umwandlung in ein angereichertes recyceltes Target verbessert werden könnte.

Rasterelektronenmikroskopbild (REM) und Spektren der energiedispersiven Röntgenanalyse (EDAX) für ein repräsentatives galvanisiertes Cr(III)-Target mit (A) Cu-Träger, (B) Au-Träger (C) Au-Träger nach dem Schleifen.

Das Reinigungssystem trennte Mn mithilfe einer Reihe von drei 1-ml-SPE-Röhrchen vom Cr-Zielmaterial. Die Ergebnisse der radioaktiven Reinigungen wurden unter Verwendung der in Abb. 5 gezeigten elektroplattierten Cr(III)-Targets erhalten. Die Targetreinigungen für elektroplattierte Cr(III)-Targets [Chargengröße: 118,4 ± 7,4 MBq (3,2 ± 0,2 µCi)] führten zu ICP -MS-Daten für Cr (1,0 ± 0,5 µg), Mn (0,6 ± 0,03 µg), Fe (4,9 ± 1,6 µg), Cu (4,5 ± 0,3 µg) und Zn (14,3 ± 2,3 µg) für jedes Endprodukt. Darüber hinaus erhöhte der verbesserte Reinigungsprozess die prozentuale Ausbeute an 52Mn von 70,8 ± 3,3 % (n = 3) (Pyles et al.) auf 94,5 ± 2,2 %, wenn sowohl die galvanisierten als auch die Chrommetallpulver-Targets berücksichtigt wurden.

ICP-MS- und HPGe-Daten der radioaktiven Reinigung von 52 Mn unter Verwendung des halbautomatischen Drei-Säulen-Systems. Die Ergebnisse werden in Durchschnitt ± SD ausgedrückt; N = 3. SM Ausgangsmaterial, C1 Spalte 1, C2 Spalte 2, C3 Spalte 3, W Abfallmaterial.

Die radionuklidische Reinheit der Proben wurde mittels Gammastrahlenspektroskopie überprüft, wobei Proben vor, während und nach der Reinigung von 52Mn entnommen wurden. 52mMn (ein metastabiler Zustand von 52Mn mit t1/2 = 21,1 min) und 50Mn waren aufgrund ihrer kurzen Halbwertszeiten in den Spektren nicht vorhanden. 51Cr war in den Spektren nicht vorhanden, bei denen die Nachweisgrenze weniger als 1,24 ± 0,32 % betrug. Die in der Endprobe nachgewiesene Menge an 54Mn betrug 0,125 ± 0,124 % der Gesamtprobe, die in den oberen Gammaspektren von Abb. 6 angezeigt wird. Bei Verwendung eines angereicherten 52Cr-Targets lag die Menge an 54Mn unter der Nachweisgrenze von 0,01 ± 0,001 %. in den unteren Gammaspektren von Abb. 6 angezeigt.

Spitze. Repräsentative Gammaspektren, die nach dem 52Mn-Reinigungsprozess des natürlichen Cr-Metallpulver-Targets aufgenommen wurden (alle diskutierten natürlichen Targets zeigten ähnliche Spektren mit den gleichen Peaks), zeigten das Fehlen des 51Cr-Peaks (320,1 keV). Der rot hervorgehobene 54Mn-Peak (835,85 keV) kann jedoch immer noch beobachtet werden, ebenso wie die vielen charakteristischen Peaks von 52Mn (345,8, 744,23, 847,7, 935,54, 1246,28 und 1333,65 keV), wenn natürliche Cr-Targets verwendet werden. Unten. Repräsentative Gammaspektren, die nach dem 52Mn-Reinigungsprozess aufgenommen wurden, zeigen das Fehlen des 54Mn-Peaks, wenn das angereicherte 52Cr-Metallpulver-Target verwendet wurde1,13.

Unter Verwendung der natürlichen Cr-Metallpulver-Targets wurden unterschiedliche Markierungseffizienzen des makrozyklischen Chelators DOTA mit 52 Mn in 0,1 M Ammoniumacetat, pH 4,5 bei 37 °C beobachtet. Es wurde festgestellt, dass die scheinbare molare Aktivität von der Konzentration des Elutionsmittels abhängt, insbesondere bei den natürlichen Chrompulver-Targets. Wenn 52Mn mit 0,1 M HCl eluiert wurde, betrug die scheinbare molare Aktivität (AMA) 185 ± 22,2 MBq/µmol (5,0 ± 0,6 mCi/µmol), und wenn 6 M HCl verwendet wurde, stieg die AMA auf 999 ± 88,8 MBq/µmol ( 27,0 ± 2,4 mCi/μmol), wie in Abb. 7 dargestellt.

Scheinbare molare Aktivität von 52Mn als Funktion der Konzentration der Elutionslösung.

Die vorgestellten Cr-Target-Konfigurationen untersuchten zusätzliche Techniken für die Möglichkeit eines angereicherten 52Cr-Targets, das die Produktion von 52Mn verbessern würde. Die neuartigen Ziele weisen Herausforderungen auf, könnten jedoch durch weitere Untersuchungen verbessert werden.

Während einige Cr-Folien im Handel erhältlich sind, lassen sich Cr-Folien nur sehr schwer zu Scheiben verarbeiten, da das Material spröde ist. Das Cr-Metallpulver wurde zur Herstellung von 52Mn zu gepressten Pellets verarbeitet. Obwohl diese Zielkonfiguration gut funktioniert und konsistent für die Produktion von 52Mn verwendet werden könnte, kann sie nicht wiederverwendet oder recycelt werden, um angereichertes 52Cr kostengünstig zu nutzen. 52Cr könnte in dieser Zielkonfiguration gegen natürliches Cr ausgetauscht werden, um die Produktion von 54Mn zu verhindern, wenn die Kosten des angereicherten Materials keine Rolle spielen würden. Im Idealfall würde das angereicherte Material zu 100 % recycelt und das Target könnte mehrfach wiederverwendet werden, was zur Erkundung zusätzlicher Cr-Target-Konfigurationen führen würde.

Das Cr2O3-Target kann möglicherweise recycelt werden, da die letzte Cr-Spezies aus der Reinigung CrCl3 ist. Das CrCl3 könnte möglicherweise umgesetzt werden, um mehr Cr2O3 zu erzeugen und so ein neues Ziel zu bilden. Allerdings konnten wir dieses Material nicht auflösen, was zu Reinigungsproblemen führt. Schließlich ist das galvanisierte Cr(III)-Target das vielversprechendste, da es recycelt werden kann, aufgelöst/gereinigt werden kann und weniger toxisch ist als die bekannte Cr(VI)-Elektroabscheidung. Um die Ausbeute an Cr(III) auf der Au-Oberfläche zu verbessern, müssen neue Techniken erforscht werden, mit dem Ziel, Ausbeuten von mehr als 90 % bei einer Dicke von mehr als 0,2 mm zu erreichen.

Die Konzentration der Elutionslösung hatte großen Einfluss auf die AMA des produzierten 52Mn. Höhere Konzentrationen an HCl-Säure setzten 52Mn selektiv aus dem Harzbett frei.

Angereicherte Targets für die Produktion von 52Mn sollten weiterhin untersucht werden, um ein recycelbares Target zu erhalten, das die Ausbeute erhöht und die Bestrahlungszeit verkürzt. Cr-Folien- und Cr-Metallpulver-Targets werden routinemäßig für die Produktion von 52Mn verwendet. Diese Targets können jedoch nicht recycelt werden, um auf das angereicherte 52Cr-Targetmaterial umzusteigen. Aufgrund der Auflösungsprobleme ist die Verwendung von Cr2O3 für natürliche oder angereicherte Ziele nicht möglich. Obwohl das Target höhere Ausbeuten liefern kann, wenn angereichertes Material verwendet wird, und es möglich ist, es durch die CrCl3-zu-Cr2O3-Reaktion zu recyceln, war es eine Herausforderung, das 52Mn aufzulösen und vom Cr zu trennen. Schließlich sind die galvanisierten Cr-Targets die vielversprechendsten für die Zukunft angereicherter 52Cr-Targets für die 52Mn-Produktion. Diese Targets können möglicherweise recycelt werden, indem das endgültige CrCl3 in der neuen Galvanisierungslösung verwendet wird, und das plattierte Cr kann einem höheren Strom standhalten als die anderen hier beschriebenen Targets, was zu höheren Ausbeuten führt.

Die während der aktuellen Studie generierten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Dieses Projekt wurde vom Department of Energy Isotope Program unter Grant DESC0015773 (PI: Lapi) unterstützt. Die Autoren danken allen Teammitgliedern von Dr. Lapis Gruppe und der UAB Cyclotron Facility für ihre Unterstützung.

Abteilung für Radiologie, University of Alabama in Birmingham, Birmingham, AL, USA

Jennifer M. Pyles, James M. Omweri und Suzanne E. Lapi

Fakultät für Chemie, University of Alabama in Birmingham, Birmingham, Al, USA

Jennifer M. Pyles, James M. Omweri und Suzanne E. Lapi

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JMP führte alle Experimente mit Ausnahme der scheinbaren molaren Aktivität durch, verfasste das Hauptmanuskript und bereitete die Abbildungen vor. 1, 2, 3, 4, 5 und 6 und alle Tabellen. JMO führte die Experimente zur scheinbaren molaren Aktivität durch, schrieb die entsprechenden Teile des Manuskripts und bereitete Abb. 7 vor. SEL lieferte Konzepte, Feedback zum experimentellen Design und der Analyse sowie die Aufsicht über diese Arbeit und redigierte das Manuskript.

Korrespondenz mit Suzanne E. Lapi.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Pyles, JM, Omweri, JM & Lapi, SE Entwicklung natürlicher und angereicherter Cr-Targets für die Produktion von Mangan-52. Sci Rep 13, 1167 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27257-w

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Eingegangen: 24. Oktober 2022

Angenommen: 28. Dezember 2022

Veröffentlicht: 20. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27257-w

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