Elektronenparamagnetische Resonanz (EPR) findet Anwendung im Bereich der Dosisbestimmung für Bestrahlungstests, Lebensmittelbestrahlungstests und die Prävention von Berufskrankheiten

November 29, 2024

Mit der weit verbreiteten Verwendung von Gammastrahlen in der Industrie, der Landwirtschaft, der Medizin und der Lebensmittelindustrie ist die genaue Messung der Strahlendosis immer wichtiger geworden. EPR Spektrometer ist derzeit die einzige direkte Methode zum Nachweis ungepaarter Elektronen in einer Probe und ermöglicht die präzise Messung der Strahlungsdosis durch den Nachweis der im bestrahlten Material erzeugten freien Radikale.

Die Strahlendosis kann in niedrige Dosen (weniger als 1 kGy), mittlere Dosen (1–10 kGy) und hohe Dosen (mehr als 10 kGy) eingeteilt werden. Die Auswirkungen können von keinen klinischen Symptomen bis hin zu schweren Symptomen reichen , frühe tödliche klinische Symptome und früher Tod.

Nach jahrzehntelanger Forschung wurden verschiedene chemische, physikalische und biologische Methoden zur Strahlungsdosismessung entwickelt, darunter multimodale Produkte mit photoakustischen Indikatoren. Mit der Entwicklung der Molekularbiologie wurde erkannt, dass bestimmte biologische Moleküle, wie zum Beispiel Chromosomen, strahlungsempfindlich sind und zur Messung der Strahlendosis verwendet werden können. Bei hohen Strahlungsdosen kann jedoch die Inaktivierung biologischer Moleküle den Nachweisprozess behindern, und auf diesem Prinzip basierende biologische Dosimeter erfordern längere Probenverarbeitungs- und Analysezeiten.

Wenn ein Material mit verschiedenen Strahlungen oder Neutronen bestrahlt wird, erzeugt es freie Radikale. Daher ist die Verwendung der Elektronenparamagnetischen Resonanzspektroskopie (EPR) zum Nachweis der im bestrahlten Material erzeugten freien Radikale eine direkte und praktische Methode. Zu diesem Zweck auf EPR-Basis entwickelte Dosismessgeräte werden EPR-Dosimeter genannt, die einzigartige Vorteile im Vergleich zu anderen Dosimetern haben:

Hohe Empfindlichkeit zur Erkennung klinisch signifikanter Dosiswerte
Bietet hochspezifische und zuverlässige Daten mit ausreichender Genauigkeit
Großer Abdeckungsbereich für schnelle Erkennung
Kann in verschiedenen Umgebungen funktionieren
Nicht invasiv und nicht zerstörend für die Probe
Spezialisierte Instrumente, die einfach zu bedienen sind

Fall 1: Lebensmittelbestrahlungstest

Lebensmittelbestrahlung ist der Prozess, bei dem Strahlung verwendet wird, um bestimmte physiologische Prozesse (wie Keimen und Reifen) in frischen Lebensmitteln zu verzögern oder Lebensmittel zu Zwecken wie Insektenbekämpfung, Desinfektion, Sterilisation und Schimmelprävention zu behandeln und so ihre Haltbarkeit zu verlängern und Stabilisierung und Verbesserung seiner Qualität.

Verschiedene Lebensmittel, darunter Fleisch, Knochen, Obst, Trockenfrüchte und Lebensmittel, erzeugen bei Bestrahlung nachweisbare EPR-Signale für freie Radikale. Die Intensität des Signals freier Radikale hängt von der Art der verschiedenen Materialien und Verarbeitungsmethoden ab, insbesondere von der Strahlendosis. Die EPR-Technologie ist die direkteste Methode zum Nachweis freier Radikale.

Abbildung 1zeigt die EPR-Spektren einer bestimmten Milchpulvermarke vor und nach der Bestrahlung mit Strahlungsdosen von 0 kGy, 2,0 kGy, 4,0 kGy, 6,0 kGy und 8,0 kGy. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass vor der Bestrahlung fast kein EPR-Signal nachweisbar ist. Nach der Bestrahlung erscheint jedoch ein deutliches Signal freier Radikale mit einem g-Wert nahe 2,0, dessen Intensität linear mit der Dosis zunimmt .

Abbildung 1: EPR-Spektren von Milchpulver bei Bestrahlungsdosen von 0 kGy, 2 kGy, 4 kGy, 6 kGy und 8 kGy

Fall 2: Prävention und Behandlung von Berufskrankheiten

Die Prävention und Behandlung von Berufskrankheiten ist von großer Bedeutung für die Beurteilung des Gesundheitszustands des Personals, das in der Nähe von Kernanlagen arbeitet. In den frühen 1980er Jahren wählte die Internationale Atomenergiebehörde (IAEA) Alanin als Dosimeter für Hochdosisbestrahlung und standardisierte das Alanin-EPR-Messsystem.

Alanin kann nach ionisierender Bestrahlung stabile freie Radikale bilden und seinEPR-Spektrumzeigt einen fünfzeiligen Peak mit einem zentralen g-Wert von etwa 2. Die Intensität des EPR-Signals kann durch die Signalamplitude oder die Fläche unter der zweiten Integralkurve dargestellt werden. Technisch gesehen kann Alanin-Reagenspulver in kleine Beutel oder Kapseln verpackt werden, um Pulverdosimeter herzustellen, oder eine Mischung aus Alanin, Bindemitteln und Schmiermitteln kann durch Verfahren wie Komprimieren, Gießen oder Extrudieren zu festen Alanin-Dosimetern verarbeitet werden. Diese Dosimeter können zusammen mit dem Personal zum Feld mitgenommen werden und nach Verlassen des Feldes können die Proben in einem EPR-Spektrometer getestet werden. Die vom Personal empfangene Strahlendosis kann durch Vergleich der erfassten EPR-Signalintensität mit einer Kalibrierungskurve analysiert werden.

Abbildung 2: EPR-Spektrum eines Alanin-Dosimeters, bestrahlt mit einer absorbierten Dosis von 33,7 kGy (links);

Dosis-Wirkungs-Kalibrierungskurve von Alanin(rechts)

Fall 3: Rekonstruktion der Strahlendosis

Die Rekonstruktion der Strahlungsdosis ist im Falle einer unbeabsichtigten Exposition gegenüber ionisierender Strahlung aufgrund eines Atomkrieges oder eines Atomunfalls von entscheidender Bedeutung, da sie dabei hilft, das Ausmaß der nuklearen Strahlung zu bestimmen, Notfallbehandlungspläne zu entwickeln und nachfolgende Unfalluntersuchungen durchzuführen.

Die EPR-Technologie spielt eine wichtige Rolle bei der Rekonstruktion der Strahlendosis, insbesondere bei der Beurteilung der Strahlendosis, die Einzelpersonen aufgrund der Strahlenexposition erhalten. EPR kann zur Analyse strahleninduzierter freier Radikale in biologischen Gewebeproben wie Zahnschmelz, Nägeln und Haaren verwendet werden. Diese freien Radikale entstehen in biologischen Geweben nach ionisierender Strahlung und ihre Konzentration ist proportional zur empfangenen Strahlendosis. Daher ist es durch die Messung der Konzentration dieser freien Radikale möglich, die Strahlendosis, die ein Individuum erhält, im Nachhinein abzuschätzen.