Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) находит применение в области определения дозы облучения, испытаний на облучение пищевых продуктов и профилактики профессиональных заболеваний.

С широким использованием гамма-лучей в промышленности, сельском хозяйстве, медицине и пищевой промышленности точное измерение дозы радиации становится все более важным. ЭПР Спектрометр в настоящее время является единственным прямым методом обнаружения неспаренных электронов в образце, позволяющим точно измерить дозу радиации путем обнаружения свободных радикалов, образующихся в облученном материале.

Дозу радиации можно разделить на низкую дозу (менее 1 кГр), среднюю дозу (1–10 кГр) и высокую дозу (более 10 кГр), а ее эффекты могут варьироваться от отсутствия клинических симптомов до тяжелых симптомов. , ранние фатальные клинические симптомы и ранняя смерть.

После десятилетий исследований были разработаны различные химические, физические и биологические методы измерения доз радиации, в том числе мультимодальные продукты с фотоакустическими индикаторами. С развитием молекулярной биологии стало признано, что некоторые биологические молекулы, например хромосомы, чувствительны к радиации и могут использоваться для измерения дозы радиации. Однако при высоких дозах радиации инактивация биологических молекул может затруднить процесс обнаружения, и биологические дозиметры, основанные на этом принципе, требуют более длительного времени обработки и анализа проб.

Когда материал подвергается облучению различными излучениями или нейтронами, он генерирует свободные радикалы. Поэтому использование спектроскопии электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) для обнаружения свободных радикалов, образующихся в облученном материале, является прямым и удобным методом. Разработанные для этой цели дозиметры на основе ЭПР называются дозиметрами ЭПР, которые обладают уникальными преимуществами по сравнению с другими дозиметрами:

• Высокая чувствительность для выявления клинически значимых уровней дозы
• Предоставляет высокоспецифичные и надежные данные с достаточной точностью
• Широкий диапазон покрытия для быстрого обнаружения
• Может работать в различных средах
• Неинвазивный и неразрушающий образец
• Специализированные инструменты, простые в использовании

Случай 1: Тестирование пищевых продуктов на облучение

Облучение пищевых продуктов — это процесс использования радиации для задержки определенных физиологических процессов (таких как прорастание и созревание) в свежих продуктах или для обработки пищевых продуктов в таких целях, как борьба с насекомыми, дезинфекция, стерилизация и предотвращение появления плесени, тем самым продлевая срок их хранения. а также стабилизация и улучшение его качества.

Различные продукты питания, включая мясо, кости, фрукты, сухофрукты и продукты питания, при облучении производят обнаруживаемые сигналы ЭПР свободных радикалов. Интенсивность сигнала свободных радикалов связана с природой различных материалов и методами обработки, в частности с дозой радиации. Технология ЭПР является наиболее прямым методом обнаружения свободных радикалов.

Рисунок 1показаны спектры ЭПР определенной марки сухого молока до и после облучения при дозах облучения 0 кГр, 2,0 кГр, 4,0 кГр, 6,0 кГр и 8,0 кГр. Из рисунка видно, что до облучения почти нет обнаруживаемого сигнала EPR, но после облучения появляется четкий сигнал свободных радикалов со значением g около 2,0, и его интенсивность увеличивается линейно с дозой. .

Рисунок 1: Спектры ЭПР сухого молока при дозах облучения 0 кГр, 2 кГр, 4 кГр, 6 кГр и 8 кГр

Случай 2: Профилактика и лечение профессиональных заболеваний

Профилактика и лечение профессиональных заболеваний имеют большое значение в оценке состояния здоровья персонала, работающего на объектах использования атомной энергии. В начале 1980-х годов Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) выбрало аланин в качестве дозиметра для высоких доз облучения и стандартизировало систему измерения ЭПР аланина.

Аланин может образовывать стабильные свободные радикалы после ионизирующего облучения, и его спектр ЭПРпоказывает пик из пяти линий с центральным значением g, равным примерно 2. Интенсивность сигнала ЭПР может быть представлена ​​амплитудой сигнала или площадью под второй интегральной кривой. Технически, порошок реагента аланина можно упаковывать в небольшие пакеты или капсулы для изготовления порошковых дозиметров, или смесь аланина, связующих веществ и смазочных материалов можно превращать в твердые дозиметры аланина с использованием таких процессов, как сжатие, литье или экструзия. Эти дозиметры можно взять с собой на поле вместе с персоналом и, покинув поле, протестировать образцы в ЭПР-спектрометре. Дозу радиации, полученную персоналом, можно проанализировать путем сравнения интенсивности обнаруженного сигнала ЭПР с калибровочной кривой.

Рисунок 2: Спектр ЭПР дозиметра аланина, облученного поглощенной дозой 33,7 кГр (слева);

Калибровочная кривая «доза-реакция» аланина(справа)

Случай 3: Реконструкция дозы радиации

Реконструкция дозы радиации имеет важное значение в случае случайного воздействия ионизирующего излучения в результате ядерной войны или ядерных аварий, поскольку помогает определить уровень ядерной радиации, разработать планы экстренной помощи и провести последующее расследование аварии.

Технология ЭПР играет значительную роль в реконструкции дозы радиации, особенно при оценке дозы радиации, полученной отдельными лицами в результате радиационного воздействия. ЭПР может использоваться для анализа радиационно-индуцированных свободных радикалов в образцах биологических тканей, таких как зубная эмаль, ногти и волосы. Эти свободные радикалы образуются в биологических тканях после ионизирующего излучения, и их концентрация пропорциональна полученной дозе радиации. Следовательно, измеряя концентрацию этих свободных радикалов, можно ретроспективно оценить дозу радиации, полученную человеком.

На рисунке 3 показан спектр ЭПР волос, подвергшихся радиационному воздействию