Biofizyka

Transkrypt

1 Biofizyka

2 Promieniowanie Jonizujące Strumień cząstek naładowanych lub neutronów a także fotonów zdolnych do jonizacji atomów lub cząsteczek substancji, z którymi oddziaływują. Formalnie oznacza to, że energia fotonów lub cząstek takiego promieniowania jest większa niż 10 ev. W praktyce energia promieniowania jonizującego jest przynajmiej kilka rzędów wielkości większa od tej wartości granicznej. Rozróżnia się promieniowanie bezpośrednio i pośrednio jonizujące (Tabela 1).

3 Tabela 1: Rodzaje promieniowania jonizującego

4 Właściwości promieniowania jonizującego ZE WZGLĘDU NA DUŻĄ ENERGIĘ FOTONÓW LUB CZĄSTEK, ZNACZNIE PRZEKRACZAJĄCĄ ENERGIĘ WIĄZANIA ELEKTRONÓW ZNAJDUJĄCYCH SIĘ NA TAKŻE NA WEWNĘTRZNYCH ORBITLACH ATOMÓWYCH, ODDZIAŁYWANIE TAKIEGO PROMIENIOWANIA Z MATERIĄ WZGLĘDNIE MAŁO ZALEŻY OD SKŁADU CHEMICZNEGO. OZNACZA TO, ŻE KAŻDY SKŁADNIK PRÓBKI JEST ZDOLNY DO ABSORPCJI PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO. PRZEKAZ ENERGII PROMIENIOWANIA JONIZUJĄCEGO DO PRÓBKI ZACHODZI PORCJAMI, W SPOSÓB NIEJEDNORODNY W OBJĘTOŚCI PRÓBKI. W OBRAZIE MIKROSKOPOWYM OZNACZA TO, ŻE JONIZACJA I WZBUDZANIE CZĄSTECZEK WYSTĘPUJE W CHARAKTERSTYCZNYCH KROPELKACH I GNIAZDACH, WZDŁUŻ TORÓW O RÓŻNEJ DŁUGOŚCI

5 Promieniowanie jonizujące otoczenia, w którym żyje człowiek 1. Przeciętna radioaktywność powierzchni Ziemi jest rzędu 1 Curie/km 2, czyli 3,7 x Bq/km 2 (1 Bq (bekerel) = 1 przemiana jądrowa/s) Głównym żródłem naturalnego promieniowania otoczenia są radionuklidy 238 U, 232 Th, 222 Rn, 226 Ra, 40 K (Tabela 2). W wyniku wybuchów atomowych i działania reaktorów jądrowych w otoczeniu pojawiły się 90 Sr i 137 Cs.

6 Tabela 2: Zawartość radionuklidów w niektórych składnikach Ziemi

7 Promieniowanie jonizujące otoczenia, w którym żyje człowiek 1. Promieniowanie kosmiczne (głównie protony i neutrony o energii ev) prawie całkowicie absorbowane jest przez atmosferę Ziemi (Rys 1). Poza atmosferą gęstość energetyczna tego promieniowania wynosi około 1 ev/cm 3 Promieniowanie kosmiczne, wchodzące w reakcje z jądrami atomów obecnych w atmosferze, powoduje powstanie tzw. radionuklidów kosmicznych: 3 H, 10 Be, 22 Na, 24 Na i 14 C. Do organizmu człowieka dostaje się głównie 3 H i 14 C.

8 Rys 1. Promieniowanie kosmiczne; kaskada cząstek wtórnych jakie generowane są w atmosferze w wyniku oddziaływania z jej składnikami

9 Promieniowanie jonizujące otoczenia, w którym żyje człowiek Zawartość radionuklidów może przyjmować dość znaczne wartości w odpadach przemysłowych (Tabela 3) a nawet w niektórych materiałach budowlanych (Rys. 2) W najpoważniejszej, jak dotychczas, awarii elektrowni jądrowej, która miała miejsce w 1986 roku w Czarnobylu (były ZSRR), uległo stopieniu 135 ton paliwa reaktorowego (z całkowitej masy paliwa wynoszącej 190,3 tony). Z tego do atmosfery wydostało się około 6,7 ton. Dla porównania, normalną emisję radionuklidów z reaktorów wodno-ciśnieniowych w byłym ZSRR, podaje Tabela 4.

10 Tabela 3: Zawartość radionuklidów w odpadach przemysłowych

11 Dozymetria Promieniowania Jonizującego DAWKA POCHŁONIĘTA (D): Ilość zaobserwowanej energii w jednostce masy napromienionego materiału. Jednostki: 1 Gy (grej) = 1 J/1kg, oraz 1 rd (rad) = 100 erg/1 g = 10-2 Gy DAWKA EKSPOZYCYJNA (X): Ilość wytworzonych ładunków jednego znaku przez promieniowanie w masie suchego powietrza Jednostki: 1 C (Curie)/1kg, oraz 1R (rentgen) = 2,58 x 10-4 C/kg

12 Dozymetria Promieniowania Jonizującego RÓWNOWAŻNIK DAWKI POCHŁONIĘTEJ = D Q N Q - bezwymiarowy współczynnik jakości promieniowania, który zależy od LET (liniowe przeniesienie energii promieniowania) Q = 1 dla LET< 3,5 kev/m;q = 20 dla LET > I 7,5 kev/m N - bezwymiarowy iloczyn współczynników modyfikujących (~1) Według zaleceń Międzynarodowej Komisji Ochrony Radiologicznej należy przyjmować następujące wartości Q: 1 dla promieniowania rentgenowskiego i gamma oraz dla elektronów 10 dla neutronów i protonów o nieznanej energii 20 dla cząstek α i cząstek o wielokrotnym ładunku oraz nieznanej energii

13 Dozymetria Promieniowania Jonizującego Jednostką równoważnika dawki w SI jest: 1 Sv (siwert) = 1 J/kg, oraz pochodna: 1 rem (rentgen equivalent man) = 10-2 Sv Promieniowanie rentgenowskie o energii kev jest pochłaniane w kościach w znacznie większym stopniu niż w tkankach miękkich. Promieniowanie rentgenowskie o energii kev powoduje niewielkie obciążenie energią kości w porównaniu z tkankami miękkimi. Promieniowanie gamma emitowane przez 60 Co, 137 Cs, preparaty radowe oraz promieniowanie rentgenowskie z betatronów są w jednakowym stopniu pochłaniane w tkankach bez względu na ich średnią Z.

14 Oddziaływanie fotonów wysokiej energii z atomami 1. Zjawisko fotoelektryczne, w którym cała energia absorbowanego fotonu zostaje zużyta na uwolnienie elektronu z wewnętrznej powłoki elektronowej, przy czym E e = hν B e gdzie E e jest energią kinetyczną uwolnionego elektronu a B e jego energią wiązania

15 Efekt Fotoelektryczny

16 Zależność wspólczynnika absorpcji fotonów (efekt fotoelektryczny) od energii promieniowania

17 Oddziaływanie fotonów wysokiej energii z atomami 2. Rozproszenie komptonowskie, w którym energia fotonu jest na tyle duża, że po oddziaływaniu z atomem ma miejsce uwolnienie elektronu i pojawia się rozproszony foton o energii: hν = hν E e - B e

18 Rozpraszanie Komptonowskie

19 Oddziaływanie fotonów wysokiej energii z atomami 3. Powstanie pary negaton-pozyton, jeśli energia fotonu jest większa od energii 1,02 MeV: hν 1,02 MeV = E e- + E e+

20 Efekt tworzenia pary elektron-pozyton

21 Oddziaływanie fotonów wysokiej energii z atomami Współczynniki absorpcji poszczególnych zjawisk wynoszą: π~ρ Z 5 /A, σ~ρ Z/A, χ~ρz 2 /A Całkowity współczynnik absorpcji: µ = π + σ + χ

22 Udział różnych mechanizmów w absorpcji promieniowania X i γ

23 Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materia Natężenie promieniowania elektromagnetycznego po przejściu przez ośrodek materialny o grubości x: I x = I o e -µx, µ = Π + σ + χ Straty energii cząstek naładowanych w wyniku oddziaływania z ośrodkiem materialnym: -de/dx ~ (Ze) 2 /v 2

24 Ilościowy opis efektów popromiennych w ramach teorii tarczy TARCZA to wrażliwy element objetościowy danego układu TRAFIENIE to akt jonizacji lub wzbudzenia elektronowego w obrębie tarczy Jeśli trafienie powodujące inaktywację układu odbywa się przypadkowo, zgodnie z rozkładem Poissona, to względna zmiana frakcji nieuszkodzonej wyraża sie wzorem: -dn/n = SdD, po scałkowaniu N = N o e -SD dla SD = 1: N/N o = e -1 ~ 0,37; S = 1/D 37

25 Nachylenie prostej w półlogarytmicznym układzie współrzędnych logs/dawka to dawka D 0 charakteryzująca podatność układu na uszkodzenie pod wpływem promieniowania D q = D o ln(n) gdzie n jest liczbą ekstrapolacyjną, która opisuje wielkość ramienia krzywej przyżywalności i ma sens liczby trafień niezbędnych do inaktywacji układu

26 Zdolność promieniowania jonizującego do uszkadzaniu układu zależy od ilości deponowanej energii w jednostce objętości układu z którym promieniowanie oddziaływuje. Charakteryzuje to LET promieniowania; tak więc promieniowanie o dużym LET, np. cząstki α lub neutrony, wywołują silniejsze efekty niż promieniowanie X. Oznacza to niższą wartość D 0 tego promieniowana a ponadto krzywe przeżywalności, opisujące efekty promieniowania o wysokim LET, zwykle nie wykazują ramienia (n=1). Wykazano, że efektywność inaktywacji enzymów w wyniku oddziaływania z promieniowaniem jonizującym zależy od uwodnienia cząsteczek polimeru

27 Radioliza wody Ze wględu na zawartość wody w układach biologicznych dla zrozumienia efektów popromiennych w tych układach należy uwzględnić zjwiska wtórne, które są następstwemo ddziaływania promieniowania z cząsteczkami wody, zwanego radiolizą wody. Proces ten można arbitralnie podzielić na: Stadium fizyczne, w czasie którego zostają zakończone pierwotne procesy jonizacji i wzbudzenia cząsteczek wody trwa s. Stadium fizykochemiczne, w którym powstają rodniki H. i OH. oraz ma miejsce termalizacja elektronu, trwa około s. Stadium chemiczne, trwające około 10-7 s, prowadzi do powstania produktów cząsteczkowych (H 2 i H 2 O 2 ), uwodnienia elektronu i wydostania się z kolumn jonowych niezrekombinowanych rodników (H. i OH. ).

28 Radioliza wody Wydajność radiolizy wody po 10-7 s od zaabsorbowania dawki promieniowania jonizującego o energii 100 ev: H 2 O -~-> e aq (2,6) + OH. (2.7) + H. (0,5) + H 2 (0,4) + H 2 O 2 (0,7)

29 Oddziaływanie pomiędzy produktami radiolizy wody

30 Reaktywność rodników wody

31 Bezpośrednie i pośrednie uszkodzenie DNA indukowane promieniowaniem jonizującym

32 Efekt wzmocnienia tlenowego

33 Zależność wielkości efektu wzmocnienia tlenowego od stężenia tlenu

34 Wzmocnienie tlenowe Typowa wielkość wzmocnienia tlenowego wynosi ~3. Tlen musi być obecny w momencie napromienianiania układu. Efekt wzmocnienia tlenowego jest zjawiskiem uniwersalnym bo obserwuje się go zarówno w przyadku uszkodzeń całych organizmów, tkanek, komórek, makromolekuł oraz w przypadku modyfikacji małych cząsteczek. Procesy, które mogą odgrywać istotną rolę: M -~ M., M. + O 2 MO 2. H., e aq + O 2 HO 2., O2 -.

35 Modyfikacja efektów popromiennych przez radiosensybilizatory i radioprotektory Radiosensybilizatory to substancje o wysokim powinowactwie elektronowym, które naśladują działanie tlenu (diamid, metronidazol, mizonidazol, itd) Radioprotektory to substancje, ktore podane do układu na krótko przed napromienieniem obniżają efekty popromienne, natomiast są bezsukteczne wprowadzeniu do układu po napromienieniu.

36 Porównanie krzywych przeżywalności komórek w warunkach aerobowych, anaerobowych, w obecności radiouczulacza i radioprotektora

37 Mechanizm modyfikacji efektów popromiennych pod wpływem radio-sensybilizatorów i radioprotektorów