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

放射性污染：由于人類活動造成物料、人體、場所、環境介質表面或者內部出現超過國家標準的放射性物質或射線。

 

?核污染的探測技術原理

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，利用了射線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相互作用時使其電離、激發而發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、電子學儀器三個主要部分組成。

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似于氣體電離探測器。

 

?核電廠事故污染監測

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。

 事故現場附近地區¹³⁷Cs的地面沉積

 

至2016年，核輻射監控中心在整個區域內共在40個地方設立了地面數據采集點，安裝了能自動監控輻射值的系統，還有18個空氣輻射自動監測點，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生里氏9.0級地震，繼發生海嘯，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，福島一核電廠的放射性物質泄漏到外部。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日福島核電廠周邊劑量率，5月7日土壤和海水的活性濃度情況（紅點--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產生大量自由基，自由基會對蛋白質、脂質和DNA等生物分子造成損傷，同時也產生氧化應激，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1.5Gy時，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

故在輻射暴露后進行快速劑量重建意義重大，以便于快速開展分類診療。

 

?專業劑量計---熱釋光技術

高靈敏度2.技術成熟3.只能用于專業人員，無法應對突發性事故

事后劑量測量手段---數值模擬計算、生物效應觀測

評估個體劑量誤差較大，無法實施快速和便捷的測量

    

?電子順磁共振譜儀技術簡介

現象：電子自選置于靜磁場中產生能級劈裂

 

 

共振：給電子自旋施加微波磁場

 

 

 

共振吸收峰：

①　分析未成對電子周圍的化學結構

②　結合自旋捕獲技術、鑒定自由基種類，并能對其數量/濃度進行定量計算

 

EPR研究對象

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

間接對象：直接對象與周圍環境相互作用所形成的物理和化學現象，如能量交換、馳像時間、溫度、濕度、粘滯度、PH、自由基重組速率等時間或空間信息。

EPR在牙齒、指甲和頭發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行輻射劑量測定已被證實可用于劑量重建，該方法在大范圍輻射暴露事故中已被證實有效。

原理：使用牙齒進行EPR劑量重建主要是采用牙釉質作為樣品進行EPR測試，

 牙釉質中由于輻射產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。

優勢：CO₂自由基數量與輻射劑量增加呈線性關系，尤其在50mGy~100Gy事故劑量范圍；大范圍輻射暴露事故發生后，可快速對傷員進行分類診療，具備明顯時效性。

 

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的牙齒樣本進行測量，這使在體輻射劑量評估成為可能。

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

• 指甲EPR劑量重建

分類：指甲EPR信號共包含三類信號：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作為信號參照物來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基質中穩定的輻射誘導信號進行物理生物劑量測定的技術。

• 其他生物樣品EPR輻射劑量重建

頭發作為生物劑量計使用，用于輻射劑量的重建。

問題：

頭發在收到輻照后，EPR信號衰減較快，需在輻照后短時間內進行測試重建；

頭發中含大量黑色素，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10Gy后及劑量曲線達到飽和。

鈉鈣玻璃：鈉鈣玻璃進行劑量重建研究，分別使用3種方法對樣本實施了劑量重建，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值，但仍需進一步研究該方法的信號穩定性和溫度依賴性。

• 總結：

EPR可直接監測樣品中的順磁分子，在較短時間內完成輻射劑量重建。

測試過程可通過X-波段的EPR波譜儀，該設備可應用于腫瘤放射治療領域。

現有研究表明EPR在牙齒、指甲和頭發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間變化不明顯；

在輻照前后無需熱處理或化學處理；

測試不會對樣品信號產生影響。

 

電離輻射可在許多形式的物質中產生自由基，比如丙氨酸會形成CH₃-C·H-COO自由基，并且丙氨酸自由基產生的EPR信號是劑量依賴的，且不受劑量率，輻照類型影響。

 

 

輻照丙氨酸劑量計的EPR譜線包括一個振幅較大的中心線和強度較小的四根邊線組成。

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

 

 

在計量學中，如果所有的EPR測量中調制場參數和微波頻率保持不變，譜線中心線振幅h可直接與計量相關聯。

對于給定的劑量間隔，h隨劑量的變化呈線性關系，本實驗中擬合方程為

Y=0.01615X+0.07816（r=0.9998）

 

實驗結果表明，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波譜法測量依賴于丙氨酸晶體受電離輻射后產生的穩定自由基，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：防止或減少嚴重確定性效應，降低隨機效應風險

限制應急工作人員（不同時行動時）受照劑量的指導值：

①　搶救生命的行動＜500mSv

②　防止嚴重確定性效應＜500mSv

③　防止可能對人類和環境產生重大影響災難情況發生的行動：＜500mSv

④　避免大的集體劑量行動＜100mSv