05 방사약학 - 2. 의학용 방사성동위원소의 생산

2. 의학용 방사성동위원소의 생산

 1) 원자로

 (1) 원자로에서 생산하는 방사성동위원소

▶ 131I, 99mTc, 113In, 99Mo, 32P, 14C, 166Ho, 186Re, 188Re 등

 

 (2) 생산 핵종 종류

① 핵분열((n, f) 반응) :  131I, 99Mo, 133Xe, 137Cs 등

② 중성자포획((n, γ) 반응) : 131Te, 99Mo, 197Hg, 59Fe, 51Cr 등

 이들 방사성핵종은 주로 중성자 과잉이며 따라서 베타선을 방출하며 붕괴한다.

 

 2) 사이클로트론

 (2) 생산 핵종 종류

① 감마선 방출핵종

가. 67Ga : 반감기 78시간, 전자포획, 93~296 keV 광자 방출

나. 123I : 반감기 13.2시간, 전자포획, 159 keV 감마선 방출

다. 111In : 173 keV, 247 keV 감마선 방출

라. 201Tl : 반감기 73시간, 전자포획

 

② 양전자방출 핵종

가. 15O : 반감기 2.07분

나. 13N : 반감기 9.96분

다. 11C : 반감기 20.4분

라. 18F : 반감기 109.7분

 

 3) 발생기 

 (1) 방사평형의 개념

▶ 99mTc은 반감기가 6시간이므로 오래 저장을 해둘 수가 없어서 사용이 불편하다. 그러나 발생기 시스템을 사용하면 훨씬 편리하게 사용할 수 있다. 발생기는 방사평형의 원리를 이용한다.

 이러한 방사평형을 이용하면 발생기를 제조할 수가 있다. 즉 실제 원하는 핵종은 반감기가 짧은 B 핵종이지만 이는 사용이 불편하므로 반감기가 큰 A 핵종을 입수하여 방사평형 원리에 의해 생성되는 B 핵종을 따로 분리해서 사용할 수가 있다.

 

▶ 99Mo의 반감기(67시간)가 99mTc의 반감기(6시간)보다 약 11배 정도 길기 때문에 일시방사평형을 이루고 있음을 알 수 있다. 따라서 계산에 의해 두 가지 방사성핵종의 비는 약 1:1.1로 99mTc의 양이 더 많이 존재할 것이다. 그러나 실제로는 99Mo의 양이 더 많은데 그 이유는 99Mo의 87%만 99mTc을 거쳐서 99Tc로 붕괴되어 99Mo:99mTc의 비는 1:0.956이 되기 때문이다.

 

▶ 99Mo를 알루미나에 흡착시킨 칼럼크마토그라피를 발생기 내에 장착시키면 99Mo은 생리식염수에 난용성이고 알루미나에 흡착력이 강하지만, 99mTc은 수용성이고 알루미나에는 약하게 흡착하므로 생리식염수로 99mTc만을 쉽게 용출해낼 수 있다.

 

▶ 발생기 내에 남아 있는 99Mo는 67시간의 반감기를 갖고 99mTc으로 붕괴되기 때문에 수시간 내지 수일 후에 생리식염수로 다시 용출시키면 99mTc만을 분류해 낼 수 있다. 핵의학진료실에서는 대개 1일 간격으로 생리식염수를 주입시켜 99mTc을 용출해내고 있고 이러한 과정을 착유(milking)라고 부른다.

 

▶ 발생기 안에 원래 99mTc의 양이 0이었다고 가정하면 시간 t에서 99mTc의 양 A 99mTc는 앞에서 구한 99mTc와 99Mo의 비 0.956을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

 따라서 착유하여 99mTc을 완전히 뽑아낸 두 한 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 48%, 두 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 72%, 네 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 90%의 99mTc이 발생기 안에 존재한다.

 

▶ 99mTc은 99Tc로 붕괴하므로 항상 99Tc와 섞여 있다.

 따라서 이러한 경우 가급적 담체인 99Tc의 양이 적게 하기 위하여 그 전날 착유를 한 발생기에서 착유를 한 99mTc을 사용하는 것이 좋다. 착유한 테크네슘 용액 중의 99mTc의 비율은 다음과 같이 구할 수가 있다.

 위의 식에 의해 먼저 착유 후 6시간째에 착유하면 62.5%, 12시간째에 착유하면 46.4%, 24시간째에 착유하면 27.9%의 테크네슘이 99mTc이다. 

 

 (2) 발생기에서 생산하는 방사성동위원소 종류

① 99Mo-99mTc 발생기

 : 99mTc, 반감기 6시간, 140 keV 감마선

② 68Ge-68Ga 발생기

 : 68Ga, 반감기 68분, 양전자를 방출하며 붕괴하고 511 keV의 소멸방사선을 방출

 이 발생기는 수시간 후에 최대 수율로 용출을 할 수 있기 때문에 하루에도 여러 번 68Ga을 생산할 수 있다.

③ 81Rb-81mKr 발생기

 : 81mKr, 반감기 13초, 190 keV 감마선

 극히 짧은 반감기 때문에 수분마다 다시 반복검사를 할 수 있다.

④ 113Sn-113mIn 발생기

 : 113mIn, 반감기 100분, 393 keV 감마선

 이 발생기는 113Sn의 긴 반감기(117일)로 인해 긴 사용기간을 갖는다. 

⑤ 52Sr-82Rb 발생기

 : 82Rb, 반감기 75초, 양전자 방출(95%)

 반감기가 짧기 때문에 82Rb은 10분이나 15분 간격으로 반복적으로 용출할 수 있다.

⑥ 188W-188Re 발생기

 : 188Re, 반감기 16.9시간, 높은 베타에너지 뿐만 아니라 영상에 적합한 155 keV의 감마에너지를 방출

 188Re은 진단용으로 널리 사용되는 99mTc과 화학적 성질이 유사하고 치료용으로 적합한 물리적 성질을 갖고 있어 188Re을 생산할 수 있는 발생기 개발에 많은 관심이 있었다.

⑦ 62Zn-62Cu 발생기

 : 62Cu, 반감기 9.7분, 양전방 방출(97%)과 전자포획(3%)

 모핵종의 짧은 반감기(9.3시간) 때문에 일일단위로 판매되며, 사용기간도 하루이다.

 

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예상문제

원자로/사이클로트론/발생기에서 생성하는 방사성핵종을 나열하시오.

원자로

 : 131I, 99mTc, 113In, 99Mo, 32P, 14C, 166Ho, 186Re, 188Re 등

 

사이클로트론

① 감마선 방출핵종 : 67Ga, 123I, 111In, 201Tl

② 양전자방출 핵종 : 15O, 13N, 11C, 18F

 

발생기

① 99Mo-99mTc 발생기

② 68Ge-68Ga 발생기

③ 81Rb-81mKr 발생기

④ 113Sn-113mIn 발생기

⑤ 52Sr-82Rb 발생기

⑥ 188W-188Re 발생기

⑦ 62Zn-62Cu 발생기

 

99Mo-99mTc 발생기를 착유하여 99mTc을 완전히 뽑아낸 뒤 반감기에 따른 99mTc의 양을 계산하시오.

 발생기 안에 원래 99mTc의 양이 0이었다고 가정하면 시간 t에서 99mTc의 양 A 99mTc는 앞에서 구한 99mTc와 99Mo의 비 0.956을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

 따라서 착유하여 99mTc을 완전히 뽑아낸 두 한 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 48%, 두 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 72%, 네 반감기 후에는 현재 99Mo 방사능의 약 90%의 99mTc이 발생기 안에 존재한다.

 

99Mo-99mTc 발생기에서 금요일에 착유한 후 주말을 지나고 월요일에 착유하는 경우가 발생한다.
가급적 전날 착유를 한 발생기에서 착유를 하는 것이 좋은 이유를 기술하시오. 

 99mTc은 99Tc로 붕괴하므로 항상 99Tc와 섞여 있다. 이때 99Tc은 우리가 필ㄹ요로 하지 않는 동위원소, 즉 담체로서 작용하므로 99mTc은 무담체로 얻기가 불가능하다. 따라서 이러한 경우 가급적 담체인 99Tc의 양이 적게 하기 위하여 그 전날 착유를 한 발생기에서 착유를 한 99mTc을 사용하는 것이 좋다. 착유한 테크네슘 용액 중의 99mTc의 비율은 다음과 같이 구할 수가 있다.

 위의 식에 의해 먼저 착유 후 6시간째에 착유하면 62.5%, 12시간째에 착유하면 46.4%, 24시간째에 착유하면 27.9%의 테크네슘이 99mTc이다.