Bridging the Gap: Lead Isotopes for Interdisciplinary Research

doi:10.6023/A25060215

Abstract

Radioisotopes of lead have been extensively utilized in interdisciplinary research across nuclear science, healthcare applications, geology, and environmental science since the last centuries, serving as the interdisciplinary bridge connecting different disciplines. Due to the rapid development of nuclear medicine in recent years, the lead-203 and lead-212 radioisotopes have shown significant potential for cancer theranostics, with the ability for accurate diagnosis and effective treatment of tumor. Lead-202 and lead-205 are key components of uranium-lead spikes, which are widely applied in geochronological research on the isotope dilution mass spectrometry (ID-MS) for uranium-lead (U-Pb) dating. As a member from the decay chain of uranium-238, the behavior of lead-210 has been considered as a key mark in sediment dating, atmospheric aerosol transport phenomenon investigation and the monitoring of potential leakage of nuclear fuel from nuclear facilities. However, the production of the above-mentioned lead radioisotopes remains highly challenging, and the current supply is not able to meet the growing demands of these lead radioisotopes across various research fields. In this review, the application of a few selected lead radioisotopes in interdisciplinary research is summarized, with a focus on the production and purification methods for the lead radioisotopes. Finally, insights into prospects for the production and utilization of key radioactive lead isotopes in the future are given.

Key words: Lead radioisotopes, radionuclide production, separation and purification, lead, spike

Cite this article

Runze Wang, Zhuyin Chu, Junyi Chen, Mengxin Xu, Xianhua Li, Zhibo Liu. Bridging the Gap: Lead Isotopes for Interdisciplinary Research[J]. Acta Chimica Sinica, doi: 10.6023/A25060215.

Export EndNote|Reference Manager|ProCite|BibTeX|RefWorks

share this article

References

[1] Wang Q.-T.; Guo J.-F.; Liu. S.-R.; Fang Z.; Li M.; Fang H. Archaeology2021, 7, 106-120 (in Chinese).
(王庆铸, 郭俊峰, 陈建立, 刘思然, 房振, 李铭, 方辉, 考古, 2021, 7, 106-120.)
[2] Cheng W.-B.; Lang X.-H.; Ouyang H.; Peng Y.-W.; Xie F.-W.; Wang Y.; Peng Q.; Yang C.; Chen C.-H.; Xiang F. Geological Review2023, 69, 2247-2262 (in Chinese).
(程文斌, 郎兴海, 欧阳辉, 彭义伟, 谢富伟, 王勇, 彭强, 杨超, 陈翠华, 向芳, 地质论评, 2023, 69, 2247-2262.)
[3] Henderson J.; Heery J.; Rocchini M.; Siciliano M.; Sensharma N.,et al.Phys. Rev. Lett. 2025, 134, 062502.
[4] Kong Z.; Li Z.; Chen J.; Ma W.; Wang Y.; Yang Z.; Liu Z.EJNMMI Res. 2022, 12, 22.
[5] Kong Z.; Li Z.; Chen J.; Liu S.; Liu D.; Li J.; Li N.; Ma W.; Feng F.; Wang Y.; Yang Z.; Liu Z.Nucl. Med. Biol. 2022, 106-107, 80.
[6] Li Z.; Kong Z.; Chen J.; Li J.; Li N.; Yang Z.; Wang Y.; Liu Z.Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2021, 48, 3113.
[7] Li Z.; Chen J.; Kong Z.; Shi Y.; Xu M.; Mu B.-S.; Li N.; Ma W.; Yang Z.; Wang Y.; Liu Z.Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2024, 51, 1703.
[8] Kong Z.; Li Z.; Chen J.; Shi Y.; Li N.; Ma W.; Wang Y.; Yang Z.; Liu Z.EJNMMI Res. 2024, 14, 12.
[9] Sgouros G.; Bodei L.; McDevitt, M. R.; Nedrow, J. R.Nat Rev Drug Discov 2020, 19, 589.
[10] Weber W. A.; Czernin J.; Anderson C. J.; Badawi R. D.; Barthel H.,et al.J. Nucl. Med. 2020, 61, 263S.
[11] Cui X.-Y.; Li Z.; Kong Z.; Liu Y.; Meng H.; Wen Z.; Wang C.; Chen J.; Xu M.; Li Y.; Gao J.; Zhu W.; Hao Z.; Huo L.; Liu S.; Yang Z.; Liu Z.Nature 2024, 630, 206.
[12] Kong Z.; Li Z.; Cui X.-Y.; Wang J.; Xu M.,et al.Cancer Discov. 2025, 15, 316.
[13] Xu M.; Chen J.; Zhang P.; Cai J.; Song H.; Li Z.; Liu Z.Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2023, 50, 3214.
[14] Liu Y.; Tang H.; Song T.; Xu M.; Chen J.; Cui X.-Y.; Han Y.; Li Z.; Liu Z.Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2023, 50, 2636.
[15] Xu M.; Song H.; Cai J.; Chen J.; Wang C.; Wang R.; Liu Y.; Cui X.-y.; Du, J.; Li, Z.; Liu, Z.J. Med. Chem. 2025, 68, 12940.
[16] Song H.; Xu M.; Cai J.; Chen J.; Liu Y.; Su Q.; Li Z.; Liu Z.Chem. Biomed. Imaging 2023, 1, 628.
[17] Ding J.; Xu M.; Chen J.; Zhang P.; Huo L.; Kong Z.; Liu Z.Mol. Pharmaceutics 2022, 19, 3429.
[18] Chen J.-Y.; Liu Y.; Xu M.-X.; Liu Z.-B.Chin J Nucl Med Mol Imaging 2022, 42, 330-334 (in Chinese).
(陈俊艺, 刘宇, 徐梦欣, 刘志博, 中华核医学与分子影像杂志2022, 42, 330-334.)
[19] Chen J.-Y.; Li Y.-L.; Wang F.; Zhang T.-J.; Liu Z.-B.Chemistry 2021, 84, 1210-1218 (in Chinese).
(陈俊艺, 李银龙, 王峰, 张天爵, 刘志博, 化学通报2021, 84, 1210-1218.)
[20] Chen J.; Wang J.; Xu M.; Jia X.; Song G.; Liu Z.Nucl. Med. Biol. 2022, 108-109, 54.
[21] Li M.; Zhang X.; Quinn T. P.; Lee D.; Liu D.; Kunkel F.; Zimmerman B. E.; McAlister, D.; Olewein, K.; Menda, Y.Appl. Radiat. Isot. 2017, 127, 52.
[22] Ruegg C. L.;Anderson-Berg, W. T.; Brechbiel, M. W.; Mirzadeh, S.; Gansow, O. A.; Strand, M.Cancer Res. 1990, 50, 4221.
[23] Ferrier M. G.; Radchenko V.; Wilbur D. S.Radiochim. Acta 2019, 107, 1065.
[24] Henriksen G.; Schoultz B. W.; Hoff P.; Larsen R. H.Radiochim. Acta 2003, 91, 109.
[25] Milenic D. E.; Garmestani K.; Brady E. D.; Albert P. S.; Abdulla A.; Flynn J.; Brechbiel M. W.Clin Cancer Res. 2007, 13, 1926.
[26] Wang R.; Wolterbeek H. T.; Denkova A. G.J. Labelled Compd. Radiopharm. 2024, 67, 375.
[27] Morgan K. A.; Rudd S. E.; Noor A.; Donnelly P. S.Chem. Rev. 2023, 123, 12004.
[28] Miao Y.; Figueroa S. D.; Fisher D. R.; Moore H. A.; Testa R. F.; Hoffman T. J.; Quinn T. P.J. Nucl. Med. 2008, 49, 823.
[29] Kokov K. V.; Egorova B. V.; German M. N.; Klabukov I. D.; Krasheninnikov M. E.; Larkin-Kondrov, A. A.; Makoveeva, K. A.; Ovchinnikov, M. V.; Sidorova, M. V.; Chuvilin, D. Y.Pharmaceutics 2022, 14.
[30] Tosato M.; Favaretto C.; Kleynhans J.; Burgoyne A. R.; Gestin J. F.; van der Meulen, N. P.; Jalilian, A.; Koster, U.; Asti, M.; Radchenko, V.Nucl Med Biol 2024, 142-143, 108990.
[31] Edem P. E.; Fonslet J.; Kjær A.; Herth M.; Severin G.Bioinorg. Chem. Appl. 2016, 2016, 6148357.
[32] Narbutt J.; Bilewicz A.Appl. Radiat. Isot. 1998, 49, 89.
[33] Chapeau D.; Koustoulidou S.; Handula M.; Beekman S.; de Ridder, C.; Stuurman, D.; de Blois, E.; Buchatskaya, Y.; van der Schilden, K.; de Jong, M.; Konijnenberg, M. W.; Seimbille, Y.Pharmaceuticals 2023, 16.
[34] Knapp F. F.; Mirzadeh S.Eur J Nucl Med. 1994, 21, 1151.
[35] Zucchini G. L.; Friedman A. M.Int. J. Nucl. Med. Biol. 1982, 9, 83.
[36] Atcher R. W.; Friedman A. M.; Hines J. J.Int. J. Radiat. Appl. Instrum. Part A 1988, 39, 283.
[37] Korkisch J.; Tera F.Anal. Chem. 1961, 33, 1264.
[38] Delpassand E. S.; Tworowska I.; Esfandiari R.; Torgue J.; Hurt J.; Shafie A.; Núñez R.J. Nucl. Med. 2022, 63, 1326.
[39] Brown M. A.Appl. Radiat. Isot. 2022, 185, 110238.
[40] Brown M. A.Ind Eng Chem Res. 2020, 59, 20472.
[41] McNeil, B. L.; Robertson, A. K. H.; Fu, W.; Yang, H.; Hoehr, C.; Ramogida, C. F.; Schaffer, P.EJNMMI Radiopharm. Chem. 2021, 6, 6.
[42] McNeil, B. L.; Mastroianni, S. A.; McNeil, S. W.; Zeisler, S.; Kumlin, J.; Borjian, S.; McDonagh, A. W.; Cross, M.; Schaffer, P.; Ramogida, C. F.Sci. Rep. 2023, 13, 10623.
[43] Morimoto E. M.; Kahn M.J. Chem. Educ. 1959, 36, 296.
[44] Li R. G.; Stenberg V. Y.; Larsen R. H.J. Nucl. Med. 2023, 64, 173.
[45] Boldyrev P. P.; Egorova B. V.; Kokov K. V.; Perminov Y. A.; Proshin M. A.; Chuvilin D. Y.J. Phys. Conf. Ser. 2018, 1099, 012003.
[46] Hassfjell S.Appl. Radiat. Isot. 2001, 55, 433.
[47] IAEA World Distribution of Thorium Deposits, International Atomic Energy Agency, Vienna, 2021.
[48] Chen J.; Xu M.; Liu Y.; Duan D.; Han Y.; Liu Z.Chin. Chem. Lett. 2022, 33, 3474.
[49] Cao S.; Kang Y.; Tang H.; Chen Z.Dalton Trans. 2024, 53, 3722.
[50] He X.; Feng W.; Wang Z.; Ning S.; Lv L.; Chen L.; Li W.; Yin X.; Wei Y.; Watabe H.Chem. Eng. J. 2024, 502, 157971.
[51] Li M.;A. Sagastume, E.; Lee, D.; McAlister, D.; J. DeGraffenreid, A.; R. Olewine, K.; Graves, S.; Copping, R.; Mirzadeh, S.; E. Zimmerman, B.; H. Larsen, R.; L. Johnson, F.; K. Schultz, M.Curr. Med. Chem. 2020, 27, 7003.
[52] Sounalet T.; Guertin A.; Haddad F.; Kamalakannan K.; Nigron E.Appl. Radiat. Isot. 2024, 205, 111190.
[53] Galván-Arzate, S.; Santamaría, A.Toxicol. Lett. 1998, 99, 1.
[54] Osorio-Rico, L.; Santamaria, A.; Galván-Arzate, S., in Neurotoxicity of Metals, Springer International Publishing, 2017, pp. 345.
[55] Saini S.; Bartels J. L.; Appiah J. K.; Rider J. H.; Baumhover N.; Schultz M. K.; Lapi S. E.J Nucl Med 2023, 64, 1791.
[56] Z. Szuecs, S. T., D. Andrasi, B. KovacsATOMKI Annu Rep. 2012, 27, 95.
[57] Máthé D.; Szigeti K.; Hegedűs N.; Horváth I.; Veres D. S.; Kovács B.; Szűcs Z.Appl. Radiat. Isot. 2016, 114, 1.
[58] Nelson B. J.B.; Wilson, J.; Schultz, M. K.; Andersson, J. D.; Wuest, F.Nucl. Med. Biol. 2023, 116-117, 108314.
[59] Rotmensch J.; Atcher R. W.; Hines J.; Grdina D.; Schwartz J. S.; Toohill M.; Herbst A. L.Am J Obstet Gynecol. 1989, 160, 789.
[60] Rotmensch J.; Atcher R. W.; Hines J.; Toohill M.; Herbst A. L.Gynecol Oncol. 1989, 35, 297.
[61] Rotmensch J.; Atcher R. W.; Schlenker R.; Hines J.; Grdina D.; Block B. S.; Press M. F.; Herbst A. L.; Weichselbaum R. R.Gynecol Oncol.. 1989, 32, 236.
[62] Milenic D. E.; Garmestani K.; Brady E. D.; Albert P. S.; Ma D.; Abdulla A.; Brechbiel M. W.Cancer Biother. Radiopharm. 2005, 20, 557.
[63] Miao Y.; Hylarides M.; Fisher D. R.; Shelton T.; Moore H.; Wester D. W.; Fritzberg A. R.; Winkelmann C. T.; Hoffman T.; Quinn T. P.Clin Cancer Res. 2005, 11, 5616.
[64] Baidoo K. E.; Milenic D. E.; Brechbiel M. W.Nucl. Med. Biol. 2013, 40, 592.
[65] Boudousq V.; Bobyk L.; Busson M.; Garambois V.; Jarlier M.; Charalambatou P.; Pèlegrin A.; Paillas S.; Chouin N.; Quenet F.; Maquaire P.; Torgue J.; Navarro-Teulon, I.; Pouget, J.-P.PLoS One 2013, 8, e69613.
[66] Yong K. J.; Milenic D. E.; Baidoo K. E.; Kim Y.-S.; Brechbiel M. W.Cancer Med. 2013, 2, 646.
[67] Milenic D. E.;E., B. K.; Young-Seung, K.; and Brechbiel, M. W.mAbs 2015, 7, 255.
[68] Kasten B. B.; Azure M. T.; Schoeb T. R.; Fisher D. R.; Zinn K. R.Nucl. Med. Biol. 2016, 43, 391.
[69] Kasten B. B.; Gangrade A.; Kim H.; Fan J.; Ferrone S.; Ferrone C. R.; Zinn K. R.; Buchsbaum D. J.Nucl. Med. Biol. 2018, 58, 67.
[70] Meredith R. F.; Torgue J.; Azure M. T.; Shen S.; Saddekni S.; Banaga E.; Carlise R.; Bunch P.; Yoder D.; Alvarez R.Cancer Biother. Radiopharm. 2013, 29, 12.
[71] Meredith R.; Torgue J.; Shen S.; Fisher D. R.; Banaga E.; Bunch P.; Morgan D.; Fan J.; Straughn J. M.J. Nucl. Med. 2014, 55, 1636.
[72] Strosberg J.;El-Haddad, G.; Wolin, E.; Hendifar, A.; Yao, J., et al.N. Engl. J. Med. 2017, 376, 125.
[73] Hofman M. S.; Violet J.; Hicks R. J.; Ferdinandus J.; Thang S. P.; Akhurst T.; Iravani A.; Kong G.; Ravi Kumar, A.; Murphy, D. G.; Eu, P.; Jackson, P.; Scalzo, M.; Williams, S. G.; Sandhu, S.Lancet Oncol. 2018, 19, 825.
[74] Sartor O.; de Bono, J.; Chi Kim, N.; Fizazi, K.; Herrmann, K., et al.N. Engl. J. Med. 2021, 385, 1091.
[75] Michler E.; Kästner D.; Pretze M.; Hartmann H.; Freudenberg R.; Schultz M. K.; Bundschuh R. A.; Kotzerke J.; Brogsitter C.Eur. J. Nucl. Med. Mol. Imaging 2025.
[76] Griffiths M. R.; Pattison D. A.; Latter M.; Kuan K.; Taylor S.; Tieu W.; Kryza T.; Meyrick D.; Lee B. Q.; Hansen A.; Rose S. E.; Puttick S. G.J. Nucl. Med. 2024, 65, 664.
[77] Stenberg V. Y.; Juzeniene A.; Chen Q.; Yang X.; Bruland Ø. S.; Larsen R. H.J. Labelled Compd. Radiopharm. 2020, 63, 129.
[78] Li M.; Liu D.; Lee D.; Cheng Y.; Baumhover N. J.; Marks B. M.; Sagastume E. A.; Ballas Z. K.; Johnson F. L.; Morris Z. S.; Schultz M. K.Cancers 2021, 13.
[79] Sen I.; Malik D.; Thakral P.; Schultz M.J. Nucl. Med. 2024, 65, 242556.
[80] Wahl R. L.; Anthony L. B.; Solnes L. B.; Mehr S. H.; Baratto L.; Hanna A.; Yang W. M.; Keefe S. M.; Halfdanarson T. R.J Clin Oncol. 2025, 43, 668.
[81] Saidi A.; Stallons T. A.; Wong A. G.; Torgue J. J.J. Nucl.Med. 2024, jnumed.124.268101.
[82] National Academies of Sciences, E.; Medicine A Vision for NSF Earth Sciences 2020-2030: Earth in Time, The National Academies Press, Washington, DC, 2020.
[83] Li Z. X.; Li X. H.; Kinny P. D.; Wang J.; Zhang S.; Zhou H.Precambrian Res. 2003, 122, 85.
[84] Li Z.-X.; Li X.-H.Geology 2007, 35, 179.
[85] Shi G.; Grimaldi D. A.; Harlow G. E.; Wang J.; Wang J.; Yang M.; Lei W.; Li Q.; Li X.Cretaceous Res. 2012, 37, 155.
[86] Li Q.-L.; Zhou Q.; Liu Y.; Xiao Z.; Lin Y.; Li J.-H.; Ma H.-X.; Tang G.-Q.; Guo S.; Tang X.; Yuan J.-Y.; Li J.; Wu F.-Y.; Ouyang Z.; Li C.; Li X.-H.Nature 2021, 600, 54.
[87] Su B.; Chen Y.; Wang Z.; Zhang D.; Chen H.; Gou S.; Yue Z.; Liu Y.; Yuan J.; Tang G.; Guo S.; Li Q.; Lin Y.-T.; Li X.-H.; Wu F.-Y.Natl. Sci.Rev. 2025, nwaf103.
[88] Condon D. J.; Schoene B.; McLean, N. M.; Bowring, S. A.; Parrish, R. R.Geochim. Cosmochim. Acta 2015, 164, 464.
[89] McLean, N. M.; Condon, D. J.; Schoene, B.; Bowring, S. A.Geochim. Cosmochim. Acta 2015, 164, 481.
[90] Schaltegger U.; Ovtcharova M.; Gaynor S. P.; Schoene B.; Wotzlaw J.-F.; Davies J. F.H. L.; Farina, F.; Greber, N. D.; Szymanowski, D.; Chelle-Michou, C.J. Anal. At. Spectrom. 2021, 36, 1466.
[91] Chu Z.-Y.; Xu J.-J.; Chen Z.; Li C.-F.; Li X.-H.; He H.-Y.; Li X.-H.;Guo J.-H.Chinese Science Bulletin 2016, 61, 1121 (in Chinese).
(储著银, 许俊杰, 陈知, 李潮峰, 李向辉, 贺怀宇, 李献华, 郭敬辉, 科学通报, 2016, 61, 1121-1129.)
[92] Tilton G. R.; Patterson C.; Brown H.; Inghram M.; Hayden R.; Hess D.; Larsen E. J.Geol Soc Am Bull. 1955, 66, 1131.
[93] Compston W.; Oversby V. M.J. Geophys. Res. 1969, 74, 4338.
[94] Krogh T. E.Geochim. Cosmochim. Acta 1973, 37, 485.
[95] Krogh T.; Davis G.Carnegie Inst. Wash. Yearb. 1975, 74, 416.
[96] Parrish R. R.; Krogh T. E.Chem Geol. 1987, 66, 103.
[97] Todt W.; Cliff R. A.; Hanser A.; Hofmann A. W., inEarth Processes: Reading the Isotopic Code, 1996, pp. 429.
[98] Newman E.; Bell W. A.; Davis W. C.; Love L. O.; Prater W. K.; Spainhour K. A.; Tracy J. G.; Veach A. M.Nucl. Instrum. Methods 1976, 139, 87.
[99] Ickert R.;Eddy, M. in Goldschmidt Conference, Chicago, USA, 2024.
[100] Baldsiefen G.; Maagh P.; Hübel H.; Korten W.; Chmel S.; Neffgen M.; Pohler W.; Grawe H.; Maier K. H.; Spohr K.; Schubart R.; Frauendorf S.; Maier H. J.Nucl. Phys. A 1995, 592, 365.
[101] Görgen A.; Hübel H.; Ward D.; Chmel S.; Clark R. M.; Cromaz M.; Diamond R. M.; Fallon P.; Hauschild K.; Lane G. J.; Lee I. Y.; Macchiavelli A. O.; Vetter K.Eur. Phys. J. A. 2000, 9, 161.
[102] Zaitseva N. G.; Rurarz E.; Vobecky M.; Khalkin V. A.; Hwan K. H.; Gluschenko V. N.; Popinenkova L. M.; Sokolov S. V.; Pugachevich V. B.Radiochim. Acta 1994, 65, 151.
[103] Welker A.; Filianin P.; Althubiti N. A.S.; Atanasov, D.; Blaum, K.; Cocolios, T. E.; Eliseev, S.; Herfurth, F.; Kreim, S.; Lunney, D.; Manea, V.; Neidherr, D.; Novikov, Y.; Rosenbusch, M.; Schweikhard, L.; Wienholtz, F.; Wolf, R. N.; Zuber, K.Eur. Phys. J. A. 2017, 53, 153.
[104] Toribara T. Y.; Gibb F. R.Int J Appl Radiat Isot. 1978, 29, 759.
[105] Lebowitz E.; Greene M.; Fairchild R.; Bradley-Moore, P.; Atkins, H.; Ansari, A.; Richards, P.; Belgrave, E.J. Nucl. Med. 1975, 16, 151.
[106] Taillefer R.;DePuey, E. G.; Udelson, J. E.; Beller, G. A.; Latour, Y.; Reeves, F.J. Am. Coll. Cardiol. 1997, 29, 69.
[107] Qaim S. M.; Weinreich R.; Ollig H. Int J Appl Radiat Isot. 1979, 30, 85.
[108] Nittrouer C. A.; Sternberg R. W.; Carpenter R.; Bennett J. T.Mar. Geol. 1979, 31, 297.
[109] Smith J. N.; Walton A.Geochim. Cosmochim. Acta 1980, 44, 225.
[110] Gäggeler H. W.; Tobler L.; Schwikowski M.; Jenk T. M.J. Glaciol. 2020, 66, 447.
[111] Appleby P. G.; Oldfieldz F.Hydrobiologia 1983, 103, 29.
[112] Appleby P. G.; Oldfield F. Catena 1978, 5, 1.
[113] Robbins J. A.; Edgington D. N.Geochim. Cosmochim. Acta 1975, 39, 285.
[114] Eichler A.; Schwikowski M.; Gäggeler H. W.; Furrer V.; Synal H.-A.; Beer J.; Saurer M.; Funk M.J. Glaciol. 2000, 46, 507.
[115] Wu X.; Bi N.; Kanai Y.; Saito Y.; Zhang Y.; Yang Z.; Fan D.; Wang H.J. Asian Earth Sci. 2015, 108, 68.

跨界之桥：铅放射性同位素驱动跨学科研究^★