Elektronų paramagnetinio rezonanso spektroskopija. Taikymas dozimetrijai
|
1 pav. Elektronų lygmenų ir magnetinių momentų išsidėstymo diagrama, kai išrorinis laukas B lygus 0 (kairėje) ir B nelygus 0 (dešinėje)
Elektronų paramagnetinio rezonanso (EPR) spektroskopija - tai metodas leidžiantis medžiagose aptikti ir charakterizuoti objektus, turinčius nesuporuotų elektronų, pvz., laisvieji radikalai, pereinamųjų metalų jonai, defektai. EPR yra plačiai taikomas chemijoje, fizikoje, biologijoje, medžiagų ir medicinos moksluose, dozimetrijoje ir kt. Kaip šis metodas veikia? Remiantis kvantine mechanika, elektronas turi sukinį s=1/2 ir priešingo ženklo magnetines komponentes ms=±1/2. Elektroną galime įsivaizduoti, kaip mažą strypinį magnetą ar magnetinį dipolį. Patalpinus bandinį, turintį nesuporuotų elektronų, į išorinį magnetinį lauką magnetiniai momentai orientuojasi magnetinio lauko arba priešinga magnetiniam laukui kryptimis ir sudaro skirtingos energijos lygmenis (1 pav.). Energijų skirtumas tarp lygmenų priklauso nuo pridėto išorinio magnetinio lauko B dydžio. Daugiau elektronų yra mažesnės energijos lygmenyje. EPR spektras matuojamas nukreipus į bandinį fiksuoto dažnio ν (arba energijos,- hν) mikrobangų spinduliuotę ir keičiant išorinio magnetinio lauko dydį. Kai energijų skirtumas tarp lygmenų sutampa su mikrobangų spinduliuotės kvanto energija, tuomet pasireiškia nesuporuotų elektronų šuoliai iš žemesnės energijos lygmens į aukštesnės energijos lygmenį dėl MB spinduliuotės sugerties. Ši sąlyga vadinama rezonansu ir užrašoma formule hν=gβeB=ΔE
kur hν- mikrobangų kvanto energija, g - vadinamas g-faktoriumi, kuris charakterizuoja dalelės ar branduolio magnetinį momentą, βe- konstanta, vadinama Boro magnetonu, B - išorinis magnetinis laukas, ΔE - energijų skirtumas tarp lygmenų išoriniame magnetiniame lauke. g-faktorius laisvam elektronui (kurio neveikia jokios pašalinės jėgos ir elektronas turi tik sukinio kampinį momentą) yra viena tiksliausiai teoriškai ir eksperimentiškai įvertintų fundamentalių konstantų lygi ge=2.002319. Elektronas, esantis molekulėje ar kristale, taip pat turi ir orbitinį magnetinį momentą. Sukinio ir orbitinis magnetiniai momentai tarpusavyje sąveikauja. Tai vadinama sukinio ir orbitos sąveika. Tuomet pilnutinis magnetinis momentas priklauso nuo sukinio ir orbitinio magnetinių momentų. Tai lemia g-faktoriaus vertės nuokrypį nuo laisvojo elektrono ge-faktorius vertės. Sukinio ir orbitos sąveikos indėlis priklauso nuo branduolio, turinčio nesuporuotą elektroną, dydžio. Taigi, organiniai laisvieji radikalai, turintys H, O, C ir N atomus turės mažą indėlį dėl sukinio ir orbitos sąveikos. Todėl g-faktorių vertės bus artimos ge. Tuo tarpu, didesniems elementams, pvz., metalams, g-faktorių vertės gali žymiai skirtis nuo ge. Taigi, kiekvienas paramagnetinis centras turi sau būdingas g-faktorius vertes, pagal kurias gali būti identifikuojamas bei charakterizuojamas. Kristale ar molekulėje esantis nesuporuotas elektronas gali sąveikauti su aplinkiniais branduoliais, ar aplinkiniais nesuporuotais elektronais. Ši sąveika įtakoja EPR spektro struktūrą ir suteikia informaciją apie aplinką, supančią paramagnetinį centrą. EPR spektroskopija gali būti taikoma dozimetrijoje siekiant įvertinti jonizuojančiosios spinduliuotės apšvitos dozę. Šiems taikymams naudojami amino rūgšties alanino tablečių ar juostelių pavidalo dozimetrai. Alanino dozimetrus paveikus jonizuojančiąja spinduliuote sukuriami stabilūs laisvieji radikalai, kurių skaičius proporcingas apšvitos dozei. Šių laisvųjų radikalų parametrai gali būti kiekybiškai įvertinti išmatavus mikrobangų sugerties spektrą pasitelkiant EPR spektroskopiją. Tipinis apšvitintame alanine išmatuotas EPR spektras pavaizduotas 2 paveiksle. Spektre lengvai išskiriamos 5 pagrindinės linijos (kurių intensyvumų santykis 1:4:6:4:1), kurios yra nulemtos nesuporuoto elektrono sąveikos su 4 susidariusio radikalo aplinkiniais protonais. Apšvitos dozė įvertinama išmatavus spektro intensyviausios smailės amplitudę ir palyginus su kalibracinėmis signalo vertėmis.
Alanino dozimetrai plačiau taikomi skvarbiųjų spinduliuočių (gama, Rentgeno bei didelės energijos elektronų pluoštelių) dozės įvertinimui. Signalo intensyvumas kinta tiesiškai 10 Gy - 200 kGy dozių intervale. Kai apšvitos dozės yra mažesnės už 10 Gy, EPR signalas yra per silpnas, kad būtų užregistruotas. Esant apšvitos dozėms didesnėms už 200 kGy EPR signalo dozinis kitimas yra menkas dėl laisvųjų radikalų tankio įsisotinimo. Tačiau aukštųjų energijų fizikos eksperimentų, dalelių greitintuvų veikimo zonose, branduolinių reaktorių bei branduolinio kuro saugyklų aplinkose tenka įvertinti plataus spektro spinduliuočių (protonai, neutronai, aukštųjų energijų kvantai) poveikį biologinėms ir elektronikos medžiagoms plačiame dozių intervale. Jonizuojančioji spinduliuotė jau daugelį dešimtmečių taip pat yra plačiai taikoma medicininėje diagnostikoje bei terapijoje, pasitelkiant Rentgeno ir gama spinduliuotes bei apšvitas aukštųjų energijų neutronų ir protonų pluošteliais. Minėtiems taikymams būtinas apšvitos dozės (spinduliuotės energijos išsklaidytos medžiagos masės vienete) įvertinimas ir apšvitos dozės sąsajos su šaltinių charakteristika,- apšvitos įtėkiu (dalelių skaičius į ploto vienetą). Juk apšvitos dozė priklauso nuo dalelių tipo bei jų energijos, pvz., vienas tos pačios energijos protonas ir neutronas nulems skirtingą apšvitos dozę medžiagoje. Taigi tai svarbu apšvitos režimų (radioterapijai) projektavimui. Taigi, norint įvertinti įvairių spinduliuočių poveikį medžiagai, reikia įvesti visą koregavimo parametrų seką, siekiant vienareikšmiškai susieti EPR signalų kaitą su apšvitos dozėmis/įtėkiais. Šio straipsnio autoriaus stažuotės Vilniaus universitete vienas tikslų buvo ištirti skirtingų spinduliuočių poveikį alanino dozimetrams. Šiam tikslui įgyvendinti buvo ištirtos EPR spektro smailių alanine amplitudės priklausomybė nuo apšvitos dozės (plačiame, 0.5 Gy - 1 MGy intervale) paveikus įvairiomis spinduliuotėmis (Rentgeno, gama, neutronais, medžiagoje stabdomais (neskvarbiais) protonais). Tyrimai buvo atlikti pasinaudojus vieninteliu Lietuvoje Vilniaus universiteto Fizikos fakultete esančiu Bruker Elexsys E580 spektrometru pasitelkiant keletą alanino sensorių rinkinių, suformuotų iš komercinių alanino tablečių. Ši dozinė EPR signalų alanine priklausomybė buvo susieta su apšvitos įtėkių skale. Apšvitos dozė medžiagoje stabdomais protonais buvo įvertinta modeliuojant protonų stabdymo gylį, pasitelkus teorinius modeliavimus. Tikimasi, kad rezultatai bus pritaikyti įvairaus spektro foninei spinduliuotei registruoti bei medicinoje radioterapijos režimų projektavimui. Tomas Čeponis T. Čeponio podoktorantūros stažuotė finansuojama pagal Europos Sąjungos struktūrinių fondų Žmogiškųjų išteklių plėtros veiksmų programą, Mokslininkų ir kitų tyrėjų mobilumo ir studentų mokslinių darbų skatinimo priemonės (VP1-3.1-ŠMM-01) įgyvendinamą projektą "Podoktorantūros (post doc) stažuočių įgyvendinimas Lietuvoje“. | |||||||||
| |||||||||
