ESR/EPR電子順磁共振--核輻射監測與防治

? 核污染--放射性污染

核污染：主要是指核物質(zhì)泄漏后的遺留物對環(huán)境的破壞，包括核輻射，原子塵埃等本身引起的污染，還有這些物質(zhì)帶來(lái)的次生污染，比如核物質(zhì)污染的水源對人畜的傷害。

放射性污染：由于人類(lèi)活動(dòng)造成物料、人體、場(chǎng)所、環(huán)境介質(zhì)表面或者內部出現超過(guò)國家標準的放射性物質(zhì)或射線(xiàn)。

 

?核污染的探測技術(shù)原理

核輻射探測器：分為氣體探測器和固體探測器，固體探測器中又分為閃爍探測器和半導體探測器。

常用的氣體探測器：電離室、正比計數器和G-M計數管等，均以氣體為探測介質(zhì)，利用了射線(xiàn)在氣體中的電離現象。

閃爍探測器：利用核輻射與一些透明物質(zhì)相互作用時(shí)使其電離、激發(fā)而發(fā)射熒光的現象工作的探測器。閃爍探測器由閃爍體、光電倍加管、電子學(xué)儀器三個(gè)主要部分組成。

半導體探測器：是使用半導體材料制成的一種電離探測器，半導體探測器的工作原理類(lèi)似于氣體電離探測器。

 

?核電廠(chǎng)事故污染監測

切爾諾貝利核事故污染監測

1986年切爾諾貝利核電站4號機組發(fā)生爆炸后，烏克蘭2600平方公里的區域成為受到核污染的區域。

 事故現場(chǎng)附近地區¹³⁷Cs的地面沉積

 

至2016年，核輻射監控中心在整個(gè)區域內共在40個(gè)地方設立了地面數據采集點(diǎn)，安裝了能自動(dòng)監控輻射值的系統，還有18個(gè)空氣輻射自動(dòng)監測點(diǎn)，以及一座水文氣象監測站，這些設施采集到的數據同步匯總到監測中心進(jìn)行處理。

 

福島核事故污染監測

福島核電站，共10臺機組，均為沸水堆。2011年3月11日日本東北太平洋地區發(fā)生里氏9.0級地震，繼發(fā)生海嘯，該地震導致福島一核電站、福島二核電站受到嚴重的影響。2011年3月12日，受地震影響，福島一核電廠(chǎng)的放射性物質(zhì)泄漏到外部。2011年4月12日，日本原子力保安院將福島核事故等級定為核事故高分級7級(特大事故)與切爾諾貝利核事故同級。

2011年4月29日福島核電廠(chǎng)周邊劑量率，5月7日土壤和海水的活性濃度情況（紅點(diǎn)--陸地土壤濃度水平）

 

 電子順磁共振的輻射劑量檢測應用

背景：人體組織受電離輻射后會(huì )產(chǎn)生大量自由基，自由基會(huì )對蛋白質(zhì)、脂質(zhì)和DNA等生物分子造成損傷，同時(shí)也產(chǎn)生氧化應激，終導致生物細胞的破壞和引起各種疾病。當人體組織受到的輻照劑量超過(guò)1.5Gy時(shí)，可能引起相應的生物效益，導致放射性疾病綜合征。輻照劑量過(guò)大引起放射損傷。

  ♦ 骨髓型損傷<10Gy

  ♦ 腸型損傷10~50Gy

  ♦ 腦型損傷>50Gy

故在輻射暴露后進(jìn)行快速劑量重建意義重大，以便于快速開(kāi)展分類(lèi)診療。

 

?專(zhuān)業(yè)劑量計---熱釋光技術(shù)

高靈敏度2.技術(shù)成熟3.只能用于專(zhuān)業(yè)人員，無(wú)法應對突發(fā)性事故

事后劑量測量手段---數值模擬計算、生物效應觀(guān)測

評估個(gè)體劑量誤差較大，無(wú)法實(shí)施快速和便捷的測量

    

?電子順磁共振譜儀技術(shù)簡(jiǎn)介

現象：電子自選置于靜磁場(chǎng)中產(chǎn)生能級劈裂

 

 

共振：給電子自旋施加微波磁場(chǎng)

 

 

 

共振吸收峰：

①　分析未成對電子周?chē)幕瘜W(xué)結構

②　結合自旋捕獲技術(shù)、鑒定自由基種類(lèi)，并能對其數量/濃度進(jìn)行定量計算

 

EPR研究對象

直接對象：具有未成對電子的物質(zhì):金屬單質(zhì)、過(guò)渡金屬離子、稀土離子、金屬團簇、配合物自由基化學(xué)和生物學(xué)、金屬蛋白/酶、輻射樣品、金屬催化的化學(xué)過(guò)程、氧化還原反應等。

間接對象：直接對象與周?chē)h(huán)境相互作用所形成的物理和化學(xué)現象，如能量交換、馳像時(shí)間、溫度、濕度、粘滯度、PH、自由基重組速率等時(shí)間或空間信息。

EPR在牙齒、指甲和頭發(fā)等生物樣品的輻射劑量重建中應用廣泛，此外在其他物品的附屬物上的劑量重建也有一定應用。

 

應用案例

• 牙齒EPR劑量重建

牙齒在受到大劑量輻照后進(jìn)行輻射劑量測定已被證實(shí)可用于劑量重建，該方法在大范圍輻射暴露事故中已被證實(shí)有效。

原理：使用牙齒進(jìn)行EPR劑量重建主要是采用牙釉質(zhì)作為樣品進(jìn)行EPR測試，

 牙釉質(zhì)中由于輻射產(chǎn)生的自由基主要是由碳酸根衍生得到的，穩定的自由基是CO₂，其壽命在25℃下可達107年。

優(yōu)勢：CO₂自由基數量與輻射劑量增加呈線(xiàn)性關(guān)系，尤其在50mGy~100Gy事故劑量范圍；大范圍輻射暴露事故發(fā)生后，可快速對傷員進(jìn)行分類(lèi)診療，具備明顯時(shí)效性。

 

離體牙齒EPR測量

• 在體牙齒EPR測量

在低頻微波(1200MHz,L波段)條件下對口腔內未處理過(guò)的牙齒樣本進(jìn)行測量，這使在體輻射劑量評估成為可能。

優(yōu)勢：適用于機型輻射損傷人員的快速劑量估算；適用于“潛在顯著(zhù)照射”（≥2.0Gy）

• 指甲EPR劑量重建

分類(lèi)：指甲EPR信號共包含三類(lèi)信號：本底信號、機械誘導信號、輻射誘導信號

定量：通常需要加入自旋濃度確定的物質(zhì)作為信號參照物來(lái)標定樣品中自由基濃度。

• 指甲EPR輻照劑量重建

指甲EPR輻射劑量重建主要是利用指甲角蛋白質(zhì)基質(zhì)中穩定的輻射誘導信號進(jìn)行物理生物劑量測定的技術(shù)。

• 其他生物樣品EPR輻射劑量重建

頭發(fā)作為生物劑量計使用，用于輻射劑量的重建。

問(wèn)題：

頭發(fā)在收到輻照后，EPR信號衰減較快，需在輻照后短時(shí)間內進(jìn)行測試重建；

頭發(fā)中含大量黑色素，EPR信號很強，可掩蓋輻射誘導信號，使得頭發(fā)中的劑量重建不如指甲中的準確

• 塑料制品EPR輻射劑量重建

通過(guò)對塑料制品的人體物品的EPR劑量重建研究，包括紐扣、內衣附屬物等塑料材料的輻射誘導的電子順磁共振信號。

塑料制品：塑料制品的人體物品被認為是一種潛在的生物劑量計材料，在超過(guò)10Gy后及劑量曲線(xiàn)達到飽和。

鈉鈣玻璃：鈉鈣玻璃進(jìn)行劑量重建研究，分別使用3種方法對樣本實(shí)施了劑量重建，結果顯示g值法在0~10Gy內輻射劑量測定與重建中具有較高的應用價(jià)值，但仍需進(jìn)一步研究該方法的信號穩定性和溫度依賴(lài)性。

• 總結：

EPR可直接監測樣品中的順磁分子，在較短時(shí)間內完成輻射劑量重建。

測試過(guò)程可通過(guò)X-波段的EPR波譜儀，該設備可應用于腫瘤放射治療領(lǐng)域。

現有研究表明EPR在牙齒、指甲和頭發(fā)等生物樣品的輻射劑量重建中應用廣泛。

 

?基于丙氨酸的EPR輻照劑量監測研究：

 

高能輻射(X-ray和γ-ray)在現代社會(huì )中應用廣泛，其中大多數需嚴格控制劑量。在20世紀80年代初，IAEA選擇丙氨酸用于高劑量輻照的劑量計。并將丙氨酸EPR測量系統作為標準化方案（ISO/ASTM51607)。

原因是:

丙氨酸信號衰減隨時(shí)間變化不明顯；

在輻照前后無(wú)需熱處理或化學(xué)處理；

測試不會(huì )對樣品信號產(chǎn)生影響。

 

電離輻射可在許多形式的物質(zhì)中產(chǎn)生自由基，比如丙氨酸會(huì )形成CH₃-C·H-COO自由基，并且丙氨酸自由基產(chǎn)生的EPR信號是劑量依賴(lài)的，且不受劑量率，輻照類(lèi)型影響。

 

 

輻照丙氨酸劑量計的EPR譜線(xiàn)包括一個(gè)振幅較大的中心線(xiàn)和強度較小的四根邊線(xiàn)組成。

中心碳原子上的未配對電子使自由基具有順磁性質(zhì)，并產(chǎn)生EPR譜的中心線(xiàn)，如左圖所示。相鄰的線(xiàn)是由于未配對的電子與四個(gè)氫原子發(fā)生超精細相互作用。

 

 

在計量學(xué)中，如果所有的EPR測量中調制場(chǎng)參數和微波頻率保持不變，譜線(xiàn)中心線(xiàn)振幅h可直接與計量相關(guān)聯(lián)。

對于給定的劑量間隔，h隨劑量的變化呈線(xiàn)性關(guān)系，本實(shí)驗中擬合方程為

Y=0.01615X+0.07816（r=0.9998）

 

實(shí)驗結果表明，丙氨酸EPR劑量測量系統提供了一種可靠的輻射吸收劑量測量方法。EPR波譜法測量依賴(lài)于丙氨酸晶體受電離輻射后產(chǎn)生的穩定自由基，是一種非破壞性的分析方法，在避光防潮的條件下丙氨酸劑量計能反復測量。

 

?核污染應急監測

通用準則：防止或減少?lài)乐卮_定性效應，降低隨機效應風(fēng)險

限制應急工作人員（不同時(shí)行動(dòng)時(shí)）受照劑量的指導值：

①　搶救生命的行動(dòng)＜500mSv

②　防止嚴重確定性效應＜500mSv

③　防止可能對人類(lèi)和環(huán)境產(chǎn)生重大影響災難情況發(fā)生的行動(dòng)：＜500mSv

④　避免大的集體劑量行動(dòng)＜100mSv