Produzione di zirconio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 1736 (2023) Citare questo articolo

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È stato sviluppato un processo per la produzione di quantità da decine a centinaia di GBq di zirconio-88 (88Zr) utilizzando fasci di protoni su ittrio. A questo scopo, target di ittrio metallico (≈20 g) sono stati irradiati in un fascio di protoni da ~ 16 a 34 MeV con una corrente di fascio di 100–200 µA presso l'impianto di produzione di isotopi di Los Alamos (IPF). Il radionuclide 88Zr è stato prodotto e separato dai target di ittrio utilizzando resina idrossammato con una resa di eluizione del 94(5)% (1σ). La soluzione liquida di DCl in D2O è stata selezionata come matrice campione di 88Zr adatta a causa dell'elevata trasmissione di neutroni del deuterio rispetto all'idrogeno e di una distribuzione uniforme di 88Zr nella matrice del campione. L'88Zr separato è stato sciolto in DCl e 8 µL della soluzione ottenuta sono stati trasferiti in un contenitore per campioni di tungsteno con un foro di 1,2 mm di diametro utilizzando una siringa e una stazione di riempimento automatizzata all'interno di una cella calda. La trasmissione di neutroni del campione 88Zr ottenuto è stata misurata presso il Dispositivo per esperimenti di cattura indiretta su radionuclidi (DICER).

Lo zirconio (Zr) è un metallo di transizione del gruppo IV, che ha 5 isotopi stabili e 31 isotopi radioattivi conosciuti. Alcuni isotopi radioattivi di Zr sono importanti per vari settori della scienza e della tecnologia. Lo zirconio-89 (89Zr) è uno dei radionuclidi più promettenti per la tomografia a emissione di positroni (immuno-PET) grazie alle sue proprietà fisiche e chimiche uniche1,2. La sua emivita relativamente lunga (78,4 ore) corrisponde all'emivita biologica degli anticorpi e dei frammenti di anticorpi e decade in ittrio-89 stabile (89Y) tramite cattura di elettroni (77%) ed emissione di positroni (23%) emettendo principalmente 511 keV raggi gamma da annichilazione, raggi gamma da 909 keV e alcuni raggi X3. Oltre a ciò, quantità significative di 89Zr possono essere prodotte con relativa facilità con un fascio di protoni a bassa energia (Ep < 13,1 MeV) su un bersaglio monoisotopico 89Y e l'89Zr prodotto può essere efficacemente separato dal bersaglio, chelato e attaccato all'anticorpo4.

Un altro interessante isotopo dello zirconio è 88Zr, che ha un'emivita di 83 giorni e decade in ittrio-88 (88Y) tramite cattura di elettroni, emettendo raggi gamma a 393 keV e alcuni raggi X. L'ittrio-88 (t1/2 = 106,6 giorni) decade in stronzio-88 stabile (88Sr) principalmente tramite cattura di elettroni, emettendo raggi gamma di 898 keV e 1836 keV e alcuni raggi X3. Pertanto, l'88Zr può essere utilizzato per produrre 88Y di elevata purezza e privo di portatori in un sistema generatore di radionuclidi. Sia 88Zr che 88Y sono traccianti utili nella ricerca radiofarmaceutica come surrogati di lunga durata del promettente immuno-PET 89Zr5 e nella radioimmunoterapia e nella terapia di radioembolizzazione con 90Y6, rispettivamente.

Lo zirconio naturale è stato ampiamente utilizzato nei dispositivi nucleari durante i test sulle armi nucleari come materiale rivelatore caricato o diagnostica radiochimica, ovvero è stato utilizzato per derivare una fluenza neutronica dalla quantità iniziale di Zr caricato e dalle attività misurate degli isotopi Zr formati nell'ambiente neutronico7. La fluenza neutronica derivata dai dati sperimentali e storici può essere confrontata con la fluenza neutronica calcolata utilizzando vari codici, che utilizzano sezioni d'urto indotte dai neutroni. Lo zirconio-88 è uno degli isotopi Zr più importanti formati in queste reazioni indotte da neutroni ad alta energia8 e misurazioni precise della sua sezione trasversale (n,γ) possono essere utilizzate per migliorare i codici e quindi ottenere una migliore comprensione delle prestazioni del dispositivo. Inoltre, recentemente Shusterman e collaboratori hanno scoperto che 88Zr ha una sezione d'urto di cattura dei neutroni termici inaspettatamente elevata di (8,61 ± 0,69)·105 barns9. Presumibilmente, la grande sezione d'urto dei neutroni termici di 88Zr è causata da una o più risonanze a bassa energia. È necessario uno studio dettagliato della sezione d'urto di cattura dei neutroni di 88Zr su un ampio intervallo di energie per determinare le proprietà della sua sezione d'urto di cattura dei neutroni estremamente elevata e per ottenere i primi dati sperimentali puntuali alle energie dei neutroni fino all'intervallo dei keV per informare l'accuratezza dei codici di fluenza neutronica. Un simile studio avrebbe un impatto sia a livello fondamentale che a livello applicato.