BIOLÓGIAI UV DOZIMETRIA URACIL VÉKONYRÉTEG DOZIMÉTERREL
Készítette: Kerékgyártó Tibor
Témavezető: Dr. Gróf Pál Egyetemi docens Programvezető: Dr. Rontó Györgyi Egyetemi tanár
Készült: a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében 2001 Budapest
1
Összefoglalás A magaslégköri ózonfogyás felhívta a figyelmet az UV sugárzás biológiai hatásainak kvantitatív jellemzésére. Ennek eredményeként a környezeti és mesterséges UV sugárzás mérésére a világ számos kutatólaboratóriumában fejlesztettek ki biológiai dózismérő eszközöket. Ezek általában egyszerű biológiai rendszerek, amelyeknek UV sérülése DNS-tartalmuk sérülését jelenti. A Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében kifejlesztett és az EU IV. Keretprogramjának BIODOS projektjében finomított, illetve használt uracil doziméter is ezek közé tartozik, mint a DNS-sérülés egyik legegyszerűbb modellje. A doziméterben UV sugárzás (UVC) hatására lejátszódó alapjelenség viszonylag régen ismert. Tézisek 1.)
Munkám során nagyszámú, stabil minőségű doziméter előállítására szolgáló eljárást dolgoztam ki, továbbá az elkészített dozimétereket jellemeztem a biológiai UV dózismérést befolyásolható szempontok alapján.
Megállapítottam, hogy 2.)
az
uracil
doziméter
különösen
alkalmas
a
rövidebbUVB-sugárzásban
bekövetkező változások detektálására, 3.)
a spektrum e tartományában bekövetkező változásokra sokkal érzékenyebben reagál, mint például az RB mérő;
4.)
kísérletileg bizonyítottam, hogy az uracil vékonyréteg doziméter térszögtől függő érzékenysége cosinusos-függvény szerint változik.
5.)
Kidolgoztam az uracil doziméter OWLS módszeren alapuló kiértékelését,
és összevetettem a hagyományos, OD méréssel végzett kiértékeléssel, 6.)
megállapítottam, hogy az OWLS módszer érzékenysége kb 10-szerese az OD mérésen alapuló kiértékelésnek. Ez az eljárás perspektívában a biológiai UV dózis on-line mérését teheti lehetővé.
2
7.)
Az uracil doziméter széleskörű alkalmazhatóságát bizonyítottam a személyi dozimetria, a szabadtéri UV monitorozás, valamint a szoláriumcsövek és más mesterséges források minősítésére kidolgozott eljárásban.
8.)
Kimutattam, hogy megfelelően megválasztott széles hullámhossztartományban integráló dozimétert választva az uracil vékonyréteg doziméter kiegészítő párjául nemcsak a mesterséges sugárforrások; hanem a nap sugárzási tere is jellemezhető a két különböző doziméterrel meghatározott biológiailag effektív dózis arányával.
Summary The depletion of stratospheric ozone with the consequent expected increase in UVB radiation have promted efforts to characterize the biological effects of UV radiation. Biological dosimeters have been developed to mesure solar and artificial UV radiation in various research laboratories worldwide as a consequence of the increased UVB radiation. These dosimeters are simple biological systems, the majority of then detect DNA damage. Uracil dosimeter that was developed and tested in the frame of BIODOS project of EU IV. by the Institute of Biophysics and Radiobiology of Semmelweis University is also a simple model of DNA damage. The mechanism of the effect of UV (UVC) radiation in the uracil dosimeter is known for a relative long time. Thesis 1. I have developed a method to prepare good quality, stabile uracil dosimeters in large numbers and characterised them from point of wiew of the measurement of biological UV dose. 2. I have determined that the uracil dosimeter is especially suitable to detect changes in the short wavelength range of UVB radiation.
3
3. I have established that the response of uracil dosimeter to short wavelength UVB radiation is much more sensitive than the one of RB meter. 4. I have experimentally verified that the space angle dependent sensitivity of the uracil dosimeter varies according to cosine function. 5. I have developed the evaluation of uracil dosimeter based on OWLS method and compared with the conventional evaluation based on OD measurement. 6. I have veryfied that the OWLS method is 10 times more sensitive than the OD measurement, offering the possibility an on line biological UV dose measurement. 7. I have confirmed the applicability of uracil dosimeter in personal UV dosimetry, in environmental UV monitoring and in qualification of solaria lamps and other artificial UV sources. 8. I have demonstrated that using a proper broad band integrating dosimeter coupled to uracil dosimeter the radiation field of artificial UV sources and environmental radiation as well can be caracterised by the ratio of biological effective UV doses determined by the dosimeters.
4
TARTALOMJEGYZÉK
1. Bevezetés
7
2. Célkitűzések
9
3. Irodalmi háttér
10
3.1. A biológiai UV dozimetria 3.2. Dózisfogalmak, ajánlások 3.3. UV források 3.4. Fizikai és biológiai UV doziméterek alkalmazása 3.5. Biológiai UV dózismérők áttekintése 3.5.1 Az uracil vékonyréteg doziméter 3.5.2 Térszögtől függő érzékenység 3.6. Integrált optika és biofizikai alkalmazásai 3.6.1. Hullámvezetők általános tulajdonságai 3.6.2. Optikai bioszenzorok 4. Módszerek
38
4.1. Uracil vékonyréteg készítés 4.2. Uracil vékonyréteg doziméter kiértékelése spektrofotométerrel 4.3. OWLS módszer alkalmazása 4.4. A doziméter térszögtől függő érzékenysége 4.5. Modellszámítások 4.6. RB-mérő és uracil doziméter spektrális érzékenységének összevetése 4.7. Szoláriumcsövek és más UVB sugárzók minősítése 4.8. Személyi dózismérők, munkahelyi UV dozimetria 4.9. Uracil vékonyréteg doziméterrel végzett szabadtéri UV monitorozás 4.10. Sugárzási tér jellemzése 5 Eredmények, megbeszélés
60
5.1. Uracil doziméter térszögtől függő érzékenysége 5.2. A sugárforrás emissziós spektrumának változása 5.3. Uracil doziméter kiértékelése OWLS módszerrel 5.4. Személyi dozimetria
5
5.5. Szoláriumcsövek minősítése 5.6. Szabadtéri biológiai UV dozimetria 5.6. Szabadtéri UV dozimetria 5.7. Modellszámítások 6. Köszönetnyilvánítás
92
7. Rövidítések
93
8. Irodalomjegyzék
94
9. Saját közlemények jegyzéke
111
6
1. Bevezetés
A napsugárzás a földi élet kezdeteitől fogva hatással van az élővilágra, gyógyító hatását már az ősidőkben is használták, azonban a jótékony és káros hatások rendszeres kutatása csak néhány évtizedes múltra tekint vissza. A földre érkező napsugárzás fizikai, kémiai, biológiai hatásainak vizsgálatával összefüggésben újabban egyre többet foglalkozunk a légkör szennyeződése következtében a földfelszínre jutó napsugárzás spektrumában fellépő változással is. A földi légkör kialakulása, az oxigén tartalmú légkör megjelenése ugyanis maga után vonta az ózon, mint légköri komponens megjelenését is. A bioszférát az UVC, valamint jelentős részben az UVB tartomány károsító hatásától az ózonpajzs védi. Az ózon csak egészen kis mértékben, és csupán 280 nm hullámhossz felett engedi át az ultraibolya sugárzást. Ez a mennyiség elengedhetetlen az emberi bőrben a D-vitamin képződéséhez. A technika és a civilizáció fejlődésével együtt jelentős mértékben megnövekedett a légkörben az ózonréteget károsító anyagok mennyisége, ami az ózonpajzs vékonyodásával, az ózonkoncentráció csökkenésével, és ennek következtében a Föld felszínét érő napsugárzás
összetételének
megváltozásával
jár
együtt.
Az
ózonredukció
következménye az UVB tartomány részarányának megnövekedése a korábban földre jutó napspektrumhoz képest, ami a bioszféra növekvő UV-expozícióját jelenti, ez pedig már káros lehet, azaz a biológiai kockázat növekedését vonja maga után. Mi, akik a fölfelszínen élünk, tevékenykedünk, a légkör paramétereinek változásából — beleeértve az ózonpajzs vékonyodását is — közvetlenül semmit sem érzékelünk. Saját bőrünkön tapasztaljuk viszont a földfelszínre érkező ultraibolya sugárzás erősségét, hasonlóan az egész földi bioszférához. Az ultraibolya sugárzás nagyobb dózisban bőrégést, bőrrákot okozhat, gyengíti az immunrendszert, kötőhártya- és szaruhártyagyulladást okoz. Meg kell tehát mérnünk, hogy mekkora dózis érkezik e hullámhossztartományban. Ennek detektálása a viszonylag kis energia következtében igen nehéz műszaki feladat, ez is oka lehet annak, hogy csak az utóbbi néhány évben kezd elterjedni a világon a biológiailag hatékony ultraibolya sugárzás folyamatos mérése, monitorozása. 280 nm
7
alatt gyakorlatilag nem érkezik mérhető sugárzás a földfelszínre, így a biológiailag hatékony UV tartományt általában az egyszerűség kedvéért azonosítjuk az UV-B tartománnyal, noha a bőr — sokkal kisebb mértékben — kb. 400 nm-ig érzékeny. Mesterséges UV sugárforrások környezetében e hosszabb hullámhossztartománynak is jelentős egészségkárosító hatása lehet. A biológiailag hatékony UV-sugárzás meghatározására két lehetőség kínálkozik. Az egyik: nagy pontosságú spektroradiométerrel hullámhossz szerinti felbontásban mérjük az UV sugárzás besugárzott teljesítményét, és ezt súlyozzuk a vizsgált biológiai hatás spektrális érzékenységével. Az eljárás hátránya, hogy a biológiai hatás összetettsége (pl. különböző hullámhosszúságú sugárzások közti kölcsönhatás) miatt az érzékenység meghatározása nem eléggé pontos, tehát a számított hatás többszörös mérési hibával terhelt. Ha a hiba-tényezőket sikerül is elhanyagolhatóvá tennünk, fennmarad a finanszírozás problémája: a megfelelő pontosságú spektroradiométerek rendkívül drágák, ezért még a legtöbb gazdag ország sem ilyen berendezésekkel szerelte föl UVB mérőhálózatát. A másik lehetőség: integráló műszerek alkalmazása. Ezek összegezve mérik a teljes UVB-intenzitást, és érzékenységük közel megegyezik az emberi bőr érzékenységével, ha a kalibrálásnak megfelelő spektrumú sugárzási térben történik a mérés. Ezek az eszközök az ún. Robertson-Berger típusú műszerek, amelyekre pl. a hazai UVBmérőhálózat is támaszkodik. Ha a sugárzási tér spektrális eloszlása jelentősen eltér az előbb idézett kalibrálás során alkalmazott értékektől, vagy ha a bőrpirosodást okozó hatástól eltérő biológiai reakciót kívánunk vizsgálni, akkor a biológiai UV dozimetria jelenti a megfelelő mérési lehetőséget. Az előbbi eset áll fenn akkor, ha a napsugárzás spektruma (pl. az ózonfogyás következtében) változik, míg a bőrpírt kiváltó biológiai hatáson kívül szóba jöhet számos más (pl. daganat-keltés, növények károsodása) biológiai hatás. A biológiai dozimetria egyik nagy előnye az eszközök olcsósága. Jelen dolgozatban a biológiai UV doziméterek fejlesztésével, finomításával kapcsolatos munkám eredményét foglalom össze, amiket részben az EU IV. Keretprogram BIODOS projektje keretében nyertem.
8
2. Célkitűzések Jelen munkámban a következő problémákra igyekeztem választ találni: ·
uracil vékonyréteg doziméter alkalmazásával kapcsolatos elvi és gyakorlati alapok, lehetőségek jellemzése,
·
mérési eljárások kidolgozása uracil doziméterrel a biológiailag hatásos UV dózis meghatározására szabadtéri és laboratóriumi körülmények között,
·
az uracil doziméterre kidolgozott dózismérési eljárások alkalmazása hosszú idejű szabadtéri UV monitorozásban és laboratóriumi körülmények között különböző fényforrások használata esetén,
·
az uracil doziméterrel összehasonlító mérések végzése biológiai (T7 bakteriofág,) és fizikai (Robertson-Berger méter) doziméterekkel, valamint spektroradiométerrel (Brewer #086, Optronic 754),
·
modellszámítások végzése a mérési körülmények UV dózisra gyakorolt hatásának jellemzésére,
·
eljárás kidolgozása az uracil vékonyréteg doziméterrel végzett dózismérés érzékenységének növelésére.
9
3. Irodalmi háttér
3.1. A biológiai UV dozimetria
A környezet kémiai/fizikai jellegű szennyezése végső soron a bioszféra egyensúlyát, jelenlegi állapotát fenyegeti, ami az embert két szempontból is érinti. Egyrészt közvetlenül és károsan befolyásolja az ember egészségét, másrészt a jelenlegi egyensúlyi állapot helyett létrejövő új állapot fenyegetheti az egész bioszférát és a civilizáció létét is. Az egészségi kockázat becslésére szolgál a biológiai dozimetria. A földet körülvevő ózonpajzs vékonyodása miatt a földfelszínt elérő UV sugárzás spektrumában általános intenzitásnövekedés mellett a rövid hullámhosszúságú komponensek arányának növekedése figyelhető meg. A föld felszínén illetve a tengerekben és édesvizekben élő biológiai rendszerek UV sugárterhelése egyre növekszik. Így a növekvő környezetszennyezés miatt a különböző biológiai dozimetriai módszerek általában, a növekvö UV sugárzási szint miatt a biológiai dozimetriának a biológiai UV dozimetriai ága bír egyre növekvő fontossággal. Az UV sugárzás biológiai hatásai megfelelő biológiai doziméter használatával közvetlenül mérhetők. Számos esetben lehetőség van akár ugyanazon a biológiai rendszeren mint biológiai doziméteren eltérő típusú környezeti szennyezések — kémiai vegyületek, sugárzások — hatásainak mérésére, ami ezeknek a hatásoknak pontos és egyszerű összevetését teszi lehetővé. A BIODOS csoport szerint a biológiai UV doziméter [6, 8] : ·
biológiailag releváns
·
az UV által okozott sérülés statisztikailag kiértékelhető
·
jól definiált nullpontja van
·
a biológiai dózis számszerűen megadható és a doziméter válasza lineárisan függ a fizikai dózistól
·
kielégíti a reciprocitási törvényt
10
·
nincs interakció a különböző hullámhosszak között
·
stabil érzékenységgel rendelkezik.
3.2. Dózisfogalmak, ajánlások
A biológiailag hatásos UV dózis (H) arányos a fizikai dózissal. Az arányosságot (súlyfaktort) az S(l) spektrális érzékenység jellemzi. E függvény a különféle biológiai hatások esetén különböző. Végeredményben a H-t a következő összefüggéssel definiáljuk: H = t × ò E (l ) × S (l )dl ,
(3.1)
l
ahol E(l) a spektrális irradiancia, S(l) pedig a fotokémiai, fotobiológiai folyamat spektrális érzékenysége, t a besugárzási idő. Sliney és Freasier 1973-ban 40 év összegyűjtött vizsgálatainak matematikai analízisével meg-adta az un. "UV veszélyesség burkoló görbét", ami azt a legnagyobb dózist jelenti hullámhosszanként az UV-C és UV-B tartományban (200-315 nm), aminek elszenvedése még nem okoz erythemát (bőrpírt) és keratokonjunktivitiszt (szaruhártya- és kötőhártyagyulladást). Eredményeit az USA illetékes egészségügyi szervezete (ACGIH) ajánlásként fogalmazta meg. Napi 8 órás munkavégzés esetén a szem és a bőr expozíciója nem haladhatja meg az effektív besugárzott teljesítmény 3 mJ értékét. Ma is ez az ajánlás, amit a Nemzetközi Sugárvédelmi Szövetség (IRPA/INIRC) 1989ben az UVA tartományra (315-400 nm) is kiterjesztett, megfelelő érzékenységi görbét konsruált [91, 129, 130]. Az ajánlás külön az UV-A tartományra is megadott egy veszélyességi görbét, amellyel a számított effektív besugárzott teljesítmény ugyancsak nem haladhatja meg a 3 mJ értéket naponta, függetlenül az UV-B és UV-C expozíciótól.
11
Ezek az ajánlások Európában a Nemzetközi Sugárvédelmi Szövetség (IRPA/INIRC) révén terjedtek el. Monokromatikus fény esetén a napi megengedett dózis (Exposure Limit - EL) az érzékenység reciproka, míg a megengedett expozíciós idő a fényintenzitás és a monokromatikus fény hullámhosszához tartozó érzékenység szorzatának reciproka. A kaukázusi tipusú ember bőrének hullámhosszankénti érzékenységét és az EL hullámhosszankénti értékét tünteti fel a 3.1. ábra. Polikromatikus fény esetén az egyes hullámhosszaknál elszenvedett dózisok összegének figyelembe vételével számíthatjuk a megengedett maximális expozíciós időt (tmax): t max =
1 . å E (l ) × S (l ) × Dl
(3.2)
l
3.1. ábra. Biológiai érzékenységek, a napi megengedett dózisra vonatkoztatott érzékenység hullámhosszanként ( S lEL folyamatos görbe), a bőr érzékenysége a minimális megpirosodásra hullámhosszanként ( S lMED szaggatott görbe) Az előbbi példák jól szemléltetik, hogy ma még nincs jól definiált, nemzetközileg elfogadott biológiai dózismérő módszer, nincs egységes dózisfogalom sem a biológiailag hatásos dózis mérésére (többnyire BED-vel: Biologically Effective Dose, vagy H-val jelöljük). Eltérő a mért dózis számszerű értéke a különböző, doziméterként
12
használt, biológiai objektumok esetében, ezért (helyesen), az adott biológiai objektumot indexben jelölni szoktuk, pl.: „BEDT7” ill. „BEDU” vagy „HT7” ill. „HU”. Ha megfelelő pontossággal ismerjük a hozzájuk tartozó spektrális érzékenységeket, valamint a mért ultraibolya sugárzás spektrális összetételét, akkor a különböző BED értékek egymásba átszámolhatók. Amíg nincsenek precíz hatásspektrumaink valamennyi biológiai doziméterre, addig a dózisok egymásba átváltásában segítséget nyújt a különböző doziméterekkel egyidőben, azonos helyen megvalósított interkalibráció.
3.3. UV források
A legfontosabb természetes UV forrásunk a Nap, amely mint egy 6000 K-en izzó abszolút fekete test sugározza ki energiáját. Színképének maximuma a látható tartományba esik, de a röntgen sugaraktól az ultrarövid rádióhullámokig a teljes elektromágneses spektrumot átöleli. A földfelszínen mérhető napsugárzás spektrális megoszlása 0.3%, 5.1%, 62.7% és 31.9% rendre UVB, UVA, látható és infravörös fényre vonatkozóan. Földünk légköri gázainak, főleg ózónrétegének szűrő hatása miatt az UVB tartományban (280-320 nm) a Nap földfelszínen mérhető spektruma meredeken csökken. Az ózonréteg csökkenése a napsugárzás intenzitásának növekedését, spektrális összetételének megváltozását okozza [12, 27, 39, 56, 93, 100, 96]. A spektrum megváltozása azt jelenti, hogy a rövidebb hullámhosszúságú (ibolyántúli) tartomány fokozottan jut be a légkörön keresztül a Föld felszínére. Az ózonréteg csökkenésével e tartományok közül az UVA-n kívül a rövidebb hullámhosszúságú UVB komponensek is eljutnak a Föld felszínére, sőt az elnyelő ózon mennyiségének fogyásával egyre fokozódó mértékben. Az UVB tartománynak a bioszférára, ezen belül az állat- és növényvilágra, valamint az emberre gyakorolt károsító hatásait számos kutatás és felmérés alapján egyre inkább ismerjük [14, 16, 32, 53, 56, 57]. A távlati hatások jobb megismeréséhez nemzetközi mérőhálózat szükséges, aminek kiépítéséhez minél több helyen, minél olcsóbb mérési módszereket kell bevezetni.
13
Az UV sugárzást tartják a leggyakoribb daganatok egyikének, a bőrrák keletkezésének elsődleges okozójának [2, 13, 18, 20, 46, 110, 116, 121]. A mesterséges UV források közül a szoláriumokat említjük. Egyre több epidemiológiai bizonyítékunk létezik arra nézve is, hogy e mesterséges barnító lámpák szintén kockázati tényezőként szerepelnek a bőr daganatos elváltozásainak, többek között a melanoma malignumnak a kialakulásában [3, 52, 68, 95, 120, 126, 127, 131]. Bár a szoláriumok egyéb kockázatos következményei is ismeretesek, mint a szemkárosodás [19, 102, 115, 116, 117, 133, 135], az immunszuppresszió vagy a ráncosodás [61, 66, 88, 101], népszerűségük mégis töretlen. Számtalan standard és ajánlás szól a környezeti és a mestreséges UV sugárzásról. A NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health) UV standardját EL-ben (Exposure Limit) fejezi ki [65], és a standard a már említett UV veszélyességi görbén alapul [91, 129]. A szoláriumok kozmetikai alkalmazásával kapcsolatban is készült néhány ajánlás [40, 130], a javasolt dózist MED-ben fejezik ki (Minimal Erythema Dose). Mostanáig még nem tervezték a szoláriumcsövek korlátozását emissziós spektrumuk alapján; néhány forgalomban levő szoláriumcső azonban igen nagy UVB dózist bocsát ki a szolárium normál használata mellett is. Ennek következtében a csövek használatának korlátozása szükséges mind az UVA, mind az UVB tartományban. A nemzetközi ajánlásoknak megfelelően a szoláriumban a bőrt érő ultraibolya sugárzás napi dózisa nem haladhatja meg az 1 MED-et sem az UVA, sem az UVB tartományban [40]. A káros hatások teljeskörű kiküszöbölése azonban az érvényben lévő ajánlások betartásával sem biztosítható, a kockázat csökkentésének szempontjából mégis jó támpontot nyújthatnak. A szoláriumok megfelelő alkalmazásának ellenőrzése az UV dozimetria egyik bonyolult
feladata.
A
szoláriumok
spektrális
eloszlását
nagy
precizitással
spektroradiométerrel lehet mérni, a detektort a besugárzás területére helyezve. Mindazonáltal az ilyen mérések a mindennapi használatra nagyon költségesek, stabil mérési körülményeket kívánnak, így a szoláriumok kiterjedt ellenőrzésére nem alkalmasak. Lehetséges eljárás a különféle barnulásmérők (általában valamilyen kémiai reakción alapuló film-doziméter) alkalmazása, ezek előnye olcsóságuk és egyszerű használatuk. Spektrális érzékenységük nem nagyon hasonlít az olyan biológiai
14
válaszokhoz, mint az UV besugárzás által okozott erythema indukció (bőrpír-keltés). Ez az oka annak, hogy a barnulásmérőkkel kapott eredmények nem megfelelőek a biológiai következmények előrejelzésére. A környezeti UV-sugárzás mérésére kifejlesztett szélessávú fizikai doziméterek, például Robertson-Berger típusú UV-mérők, spektrális érzékenysége közel van a DNS károsodás hatásspektrumához vagy az erythema-keltés spektrumához. Kimenő jelük általában feszültség érték, ami megfelelő faktorokkal bármely biológiailag effektív dózisra konvertálható, ha az UV forrás spektrális eloszlása kielégítő pontossággal ismert. Az RB-mérők azonban környezeti használatra kalibráltak [9, 21], így ilyen eszközök a különböző mesterséges UV források mindennapi ellenőrzésére csak megfelelő feltételek között alkalmazhatók. Az RB-mérők érzékenysége ugyan megfelelő lenne a szoláriumok ellenőrzésére, azonban áruk és az említett megfelelő mérési eljáráshoz szükséges követelmények legalábbis jelenleg nem teszik lehetővé mindennapi használatukat. A szoláriumok ellenőrzésére alkalmas doziméterekkel szembeni követelmények a következők: a.) egyszerű használat, b.) kumulatív dozimetria az egyéni expozíciós periódusok során, c.) relatív olcsó eszköz, d.) információ szolgáltatás az UVB/UVA tartomány részesedéséről a biológiai effektivitásban.
3.4. Fizikai és biológiai UV doziméterek alkalmazása
A biológiai doziméterek az UV sugárzás mérésére szolgáló eszközök egyik családját alkotják. Alternatíváik lehetnek bizonyos körülmények között a fizikai elveken alapuló eszközök, spektroradiométerek, broad band radiométerek, amelyeknek érzékenysége gyakran közelíti valamely biológiai hatás hatásspektrumát (pl. erythema). Az első esetben a becsülni kívánt hatás nagyságát a hullámhosszak/tartományok megfelelő súlyozása után összegzéssel, az utóbbi esetben — integráló eszközről lévén szó — közvetlenül kaphatjuk.
15
Mind a biológiai mind a fizikai eljárásnak vannak előnyei és hátrányai. UV dozimetriai feladat megoldásakor mindezeket mérlegelni kell, és alapos vizsgálat után dönthető el, hogy az adott méréshez milyen típusú eszköz a legmegfelelőbb. A detektor kiválasztásának fontosabb szempontjai a következők: ·
a tervezett mérési helyek/doziméterek száma
·
elhelyezésük
·
spektrális felbontás és/vagy spektrális érzékenység szükséges
·
a detektor orientációja/ látószöge (field of wiew)
·
mintavételi gyakoriság szükségessége
·
mintavételi periódus hossza
·
a mérés hossza
·
a mérési helyek elérhetősége
·
áramellátás
·
szállítási lehetőségek
·
költségek
·
mérések száma
·
a mérési eredmények későbbi felhasználása, összevetése más eredményekkel
A szóba jöhető detektorok közül az az optimális, amely az UV méréssel szemben támasztott követelményeket a lehetőségekhez képest legjobban megközelíti. Bár a számos ismert biológiai doziméter jelentős különbségeket mutat felépítésben, érzékenységben és egyéb paraméterekben, mégis számos közös tulajdonsággal rendelkeznek. Általában nem túl nagyok, széles tartományban ellenállnak fizikai és más környezeti hatásoknak (páratartalom, hőmérséklet, stb.), olcsók, nem igényelnek áramellátást, stabilitásukat a tárolás során besugárzás előtt és után egyaránt megőrzik. Az ózon redukció miatt az UVB sugárzás mérése különösen szükséges. Az UVB sugárzás a szomszédos UVA tartományhoz képest kis intenzitást képvisel, éppen ezért mérése az UVA rész elkülönítése miatt nehéz méréstechnikai probléma. A biológiailag hatásos UV sugárzás mérésére ma még nincs általánosan elfogadott, standard eljárás, ehelyett az eszközök és detektorok számos csoportja létezik, amelyek mindegyike egymástól eltérő felépítéssel, megközelítéssel próbálja megoldani a felmerülő méréstechnikai problémákat.
16
A beeső sugárzásról a spektroradiometerek családja adja a legrészletesebb információt, diszkrét, meghatározott hullámhosszaknál és hullámhossz-intervallumokban végzett mérési sorozatokból állítja elő a sugárzás spektrumát. Ezek az eszközök általában nagyok, drágák, sérülékenyek, nagy érzékenységgel rendelkeznek, stabil áramellátásra és stabilizált környezeti feltételekre (pl. hőmérséklet, páratartalom) van szükségük, nagyfokú felügyeletet és speciálisan képzett kezelő személyzetet igényelnek. Leginkább rögzített pozícióban használhatók, szállításuk nehézkes, nagy körültekintést, elővigyázatosságot kíván. Többnyire sík felületre beeső sugárzást mérnek koszinuszostörvény szerint. A radiométerek (széles vagy keskenysávú) egy hullámhossz-tartományon belül integrális mérést valósítanak meg. A szélessávú radiométerek a legáltalánosabban elterjedt mérőműszerek, amelyek egy adott tartományban érzékenységüknek megfelelő súlyozású totális besugárzott teljesítményt mérnek. Az érzékenység vagy egy hullámhossz-tartomány (pl. UVA, UVB) kiválasztását teszi lehetővé, vagy valamely biológiai hatáshoz hasonló spektrális érzékenységgel rendelkeznek, és ezzel az érzékenységgel súlyozott összes besugárzott teljesítményt mérnek. Ilyen például az RB-mérő, amivel az erythema érzékenységnek megfelelő dózis mérhető. A keskenysávú radiométerek egy adott hullámhossztartományon belül néhány kiválasztott hullámhossznál, szűk tartományban, meghatározott érzékenységgel (szűrőkarakterisztikával) végzett mérésből elég durva közelítéssel határozzák meg a sugárforrás spektrumát. Mind a széles mind a keskenysávú radiométerek kisebbek a spektroradiométernél, kevésbé sérülékenyek, jobban alkalmazhatók akár hosszabb távon is felügyelet nélküli mérésre. Az újabb radiométerek hőmérsékletszabályozóval ellátottak: ezzel biztosítják a mérési körülmények állandóságát, így az üzemi hőmérsékletet túllépő, illetve azt el nem érő hőmérsékletű elektromos alkatrészek által okozott hiba csökkenthető.
17
3.5. Biológiai UV dózismérőkről általában
A földi és vízi ökoszisztémák UV károsodása esetén a DNS sérülés központi szerepet játszik az okozott hatások kialakulásában [19, 102, 118]. Az UV-fény által okozott DNS
kársodás
a
kezdő
immunszuppressziónak,
a
lépése
többek
között
tumor
képződésnek,
humán a
vonatkozásban
vírusindukciónak
és
az a
fotokarcinogenezisnek [116, 117, 133, 135]. Az UVA tartomány esetén annyival bonyolultabb a helyzet, hogy itt a sérülés kialakulásában további endogén kromoforok is szerepet játszanak [19, 115, 125]. A DNS károsodás a pirimidin-bázisok sérülésén (adduktum-képződés) alapul, ennek a fotoproduktumnak az indukciója domináns az UVB tartományban [17, 44, 50, 81, 86, 87, 110-112, 134]. Bármely módszer, amely közvetlenül az UV sugárzás DNS-t károsító hatását kapcsolja össze az UV sugárzással, alkalmazható a biológiailag hatásos UV dózis (BED) mérésére.
Ezeket
az
eszközöket
összefoglaló
néven
DNS
alapú
biológiai
dozimétereknek nevezzük. Az utóbbi évtizedben több DNS alapú biológiai dozimétert fejlesztettek ki [29, 30, 34, 39, 70, 78, 79, 109, 114] amelyek a földfelszínen, valamint természetes vizekben egyaránt alkalmasak dózismérésre. Ezek a doziméterek a fizikai UV dózis biológiai hatását érzékelik, azaz a fizikai dózist a biológiai reakció spektrális érzékenységével súlyozzák. A BIODOS kutatási konzorciumban (EU IV. keretprogram) a partner kutatócsoportok által alkalmazott biológiai doziméterek alapja B. subtilis spóra [63, 64, 94, 113], ill. az ebből kifejlesztett DLR-biofilm [36, 37, 70]. Kézenfekvő lehetőségnek látszott DNS preparátumok alkalmazása, amelyeknél az UV sugárzás által okozott dimer képződés mértéke lehet a biológiai dózis mértéke [78]. Ezen kívül felhasználnak dózismérésre izolált sejteket is, pl. magasabb rendű sejteket, baktériumokat, baktérium spórákat, vagy még egyszerűbb rendszereket: bakterio-fágokat [29, 84, 84]. A fenti módszerek egyik hátránya, hogy kiértékelésükhöz többnyire specifikus laboratóriumi (mikrobiológiai) technikát igényelnek.
18
A BIODOS projekt keretében kifejlesztettük és tökéletesítettük az uracil vékonyréteg biológiai dozimétert [31, 34, 39, 82]. Ez a doziméter is a DNS fotosérülésének modellezésén és mérésén alapul. Külön kell említeni a T7 bakteriofág dozimétert, amit ugyancsak az az MTA-SE Biofizikai Kutatócsoportban fejlesztettek ki. A T7 fág stabil, régóta (1973) teljesen ismert DNS bázissorrenddel (40 000 bázispár) rendelkező DNS—fehérje komplex. Életjelenséget csak saját gazdabaktériumán fejt ki, ezáltal ellenőrizhető életképessége. Ultraibolya fény hatására a vírus örökítő anyagában, a DNS-ben fotosérülések keletkezhetnek. A fág-populációban az UV által okozott DNS sérülések Poissoneloszlás szerint oszlanak meg, igazolható, hogy a DNS-ben egyetlen fotosérülés teljes fágpusztulást okoz [23]. Kimutatható, hogy a fág túlélési hányadosának természetes logaritmusa, pontosabban annak abszolút értéke a fágonkénti sérülések átlagos számát adja. Ez a T7 dózis mértéke, ami HT7 egységekben fejezhető ki. A biológiailag hatásos dózis meghatározásának módszere a besugárzott fágoldatból vett minta biológiai titrálásán alapul. Az intézetünkben kifejlesztett módszer szerint homogén baktérium-pázsiton keletkező tarfoltok számlálásával meghatározott aktív fágok száma alapján számítható a (fáginaktiváció szempontjából) biológiailag hatásos dózis. A T7 fág doziméter biológiai érzékenysége genetikailag determinált, ezért minden utólagos érzékenység-kontroll nélkül alkalmazható monitorozásra [37, 83], főként rövidtávú dózismérés, pl. napi profil, kumulált dózis mérésére [6, 7].
3.5.1 Uracil vékonyréteg doziméter
A T7 fágban a DNS pirimidin-bázisainak sérülése (adduktum-képződés: rendszerint ciklobután dimér keletkezés) okozza a fág pusztulását. A polikristályos uracilt az UV sérülés szempontjából a DNS-sérülés modelljeként alkalmaztuk: az uracil vékonyréteg esetében ugyanis az ultraibolya fény hatására ugyancsak dimérképződés jön létre. Ez a reakciótermék jelenik meg UV besugárzás hatására in situ a kromoszómákban, mint pl. emberi bőrsejtek vagy lóhere-csíra esetén [69], továbbá ez a vezető fotoproduktum a kromoszóma-modellként tekintett T7 fág nukleinsavának sérülésében is [23, 83].
19
A dimerizációs reakciót sematikusan a 3.2 ábrán mutatom be. Összehasonlításul a különféle konformációba rendezett pirimidin-bázisok polikristályos vékonyrétegeiben, az UV fény hatására keletkező fotoproduktumok hatáskeresztmetszetei láthatók a 3.3 ábrán [26]. Itt ugyancsak feltüntettük a különböző konformációjú nukleinsavakban a bázissíkok közti távolságokat is.
O H
CH3
N
O
O
N H
H
H
+ O
CH3
N N H
H
CH CH3 3 hn hn
O
O N
N
N O
3.2 ábra. Timin-molekulák fotodimerizációs reakciója. Az 5-6 kettőskötések felhasadásával keletkezett produktum ciklobután típusú pirimidin-adduktum (dimér)
A 3.3. ábrából látható, hogy a bemutatott kristályos szerkezetekben a pirimidin bázisok síkjainak egymástól való távolsága, ami a cikloaddiciós reakció szempontjából fontos, közel egyforma. Ezt jelzik az egyes strukturákra vonatkozó d értékek. A fotoreakcióban résztvevő 5-6 kettőskötések az uracil kristály esetében egymás fölött helyezkednek el, míg a különféle DNS-, RNS-strukturákban egymáshoz képest elcsavarodtak, így a polikristályos uracil szerkezete különösen kedvez a fotodimerizációs reakciónak. Az uracil UV-dimerizációs hatáskeresztmetszete ugyanis kb. két nagyságrenddel nagyobb, mint
az
optimálistól
eltérő
konformációjú
hatáskeresztmetszete [26].
20
szerkezetekben
lévő
pirimidinek
N O
O
O
O 6
N
6 5
N
O
N
O
N N
O
O
CH3
5
O
N
O5
CH3
5
O
uracil d~0.332 nm s ~10-17cm2/photon
6
6 6
N N
O
N
CH3
5
5
N O
N
6
N
thymin anhydrate d ~ 0.336 nm s ~10-19 cm2 / photon
O
O
N O
N
N 5
6
uracil in RNA d ~ 0.317 nm s ~10-19 cm2/photon
6 5
N
CH3
NH2
5
cytosin anhydrate d ~ 0.336 nm s ~10-20 cm2 / photon
6
O N
CH3
N
N
CH3 5
CH3
5
6
5
O O
NH2
N
6
5
O
N
O
6
N
N N
6
N O
thymin in DNA-B d ~ 0.347 nm s ~10-19 cm2/photon
N
O
thymin in DNA-A d ~ 0.345 nm s not measured
3.3 ábra. Kristály és nukleinsav konformációk, d a molekulasíkok távolsága, s a dimerizációs hatáskeresztmetszet [26]
21
A 3.4a ábrán germicid lámpával (l=254 nm ) végzett besugárzás után az uracil vékonyréteg abszorpciós spektrumában bekövetkező csökkenés követhető nyomon. Az abszorpció-csökkenés a dimerizációs fotoreakció jele, és ez képezi az uracil vékonyrétegekkel végzett biológiai UV dozimetria kiértékelésének alapját. A 3.4b ábra az OD csökkenés kinetikáját mutatja az alkalmazott UV-dózis függvényében, ahol az OD-változás mértékét az abszorpciós spektrumok 275 nm-nél meghatározott változásával jellemezzük [34]. 0 J/m2
OD1
100 J/m2
0.8
200 J/m2
0.6
400 J/m2
0.4
800 J/m2
0.2 0 250
275
300
325
nm 350
600
2 800 J/m
a OD 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0
200
400
b 3.4 ábra. Az abszorpciós spektrum, illetve a 275 nm-es hullámhosszhoz tartozó értékének változása germicid lámpával történő besugárzás esetén Kromatográfiás eredményekből kitűnt, hogy az oldatból beszárított, illetve a vákuumeljárással készített és vízgőzben “öregített” uracil rétegekben 254 nm-es UV fény hatására létrejövő dimérek száma eltérő: a párologtatással készített rétegben
22
lejátszódó dimerizáció hatáskeresztmetszete jóval nagyobb. Ez a szárítással készült réteg esetén fellépő nagymértékű fényszórással, illetve a réteg önabszorpciójával magyarázható [25]. E vizsgálatok is rámutatnak arra, hogy az uracil réteg későbbi viselkedése és a reprodukálhatóság igénye miatt fontos a precízen megtervezett, jól kivitelezett vákuumpárologtatási és átkristályosítási módszer, valamint szükséges a vékonyrétegek elkészülte után a minőség ellenőrzése. Megjegyzendő, hogy az önabszorpció jelensége bizonyos vastagság fölött ( kb. 200 nm felett) a rétegben már nem elhanyagolható mértékű, és ezzel csökken az uracil vékonyréteg doziméter érzékenysége. A DNS alapú doziméterekre vonatkozó legfontosabb kritériumokat a BIODOS csoport foglalta össze [6, 8, 38]. Az uracil vékonyréteg dozimétert e kritériumok szerint megvizsgálva az alábbiakat állapítottuk meg. - Az uracil dimerizáció spektrális érzékenységét a 3.5. ábrán vetettük egybe a T7 fág, a CIE szerint megadott bőrpír (MED) és DNS-sérülés hatásspektrumaival. Az összehasonlítás érdekében minden adatot relatív egységekben adtunk meg olymódon, hogy a spektrumokat a 280-320 nm tartományban illesztettük egymáshoz. Az ábrából kitűnik, hogy 300 és 320 nm között a T7 és a CIE szerinti [15] MED érzékenység teljesen együtt halad, az uracil érzékenysége ebben a tartományban kisebb, míg 280 és 300 nm között a T7 és az uracil érzékenység kb 1 nagyságrenddel nagyobb. Úgy véljük, hogy a bemutatott egybeesések alátámasztják az uracil doziméter biológiai relevanciáját. - A biológiai doziméterek fontos kritériuma, hogy a doziméter által detektált biológiai hatás statisztikailag kiértékelhető legyen. Az uracil vékonyrétegben a molekulák száma nagyon nagy: 1017 bázis/cm2 (100 nm vastagságú rétegben). Így az uracil monomérek UV sugárzás hatására bekövetkező fotodimerizációja statisztikai eseményként tárgyalható.
23
relativ érzékenység
1E+00 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 280
300
320
340
360
Hullámhossz [nm] 3.5. ábra. Uracil dimerizáció (vastag), T7 fág inaktiváció (vékony), bőrpír (pontozott) és a DNS standard dimerizációs (szaggatott) spektrális érzékenységek összehasonlítása - A biológiai doziméterek egyik jelentős előnye, hogy a besugárzott teljesítmény közvetlen súlyozását valósítják meg, így a dózismérés pontosságát nem befolyásolja az a pontosság, amivel a doziméter spektrális érzékenységét meghatároztuk. A spektrális érzékenység pontos ismerete azonban a biológiai dozimétereknek és a spektroradiométerek súlyozott adatainak összehasonlításánál elengedhetetlen. Uracil doziméter esetében a biológiailag hatásos dózist a (3.3) adja [34]: HU = ln
OD0 - OD¥ . OD( t ) - OD¥
(3.3)
Az egységnyi uracil dózis tehát a vékonyréteg abszorpcióját az eredeti e-ed részére csökkenti. A (3.3) lineáris HU dózisskálát definiál, legalábbis a vékonyréteg telítési,
OD¥ értékéig. A skála nullpontjához ebben az esetben OD0 tartozik, amit besugárzás előtt spektrofotométerrel minden egyes esetben meghatározunk. - Bunsen és Roscoe reciprocitási törvénye kimondja, hogy a fotokémiai hatás mértéke csupán a sugárintenzitás és a besugárzás időtartamának szorzatától függ. A törvény valójában a primér fotokémiai hatásra érvényes és nem alkalmazható a másodlagos reakciókra. Eredményeink alapján az uracil vékonyréteg doziméter mind természetes, mind mesterséges UV források esetén egy 100-szoros intenzitástartományban teljesíti a reciprocitási törvény követelményét. Ez a
24
tulajdonság ami lehetővé teszi a racionális és gazdaságos kísérlettervezést, amit a terepen végzendő mérések igényelnek. Ugyanakkor alkalmassá teszi uracil dózismérőnket hosszútávú, nagyon távoli (55°N–37°S) földrajzi szélességeknél is monitorozásra. - A DNS-alapú doziméterek spektrális érzékenysége hasonló a DNS sérülés hatásspektrumához, az eltérések részben a DNS szerkezetétől, részben a DNS-t körülvevő molekuláktól függenek. A DNS sérülése alapvetően két folyamat eredménye lehet, a fotonenergia vagy közvetlen módon a DNS-ben nyelődik el, vagy az UV fotont elnyelő molekula és a DNS között zajlik le a fotokémiai reakció. A lehetséges különböző primer folyamatok ellenére a hatásspektrumok 310 nm környékén egyaránt: 3-4 nagyságrendet változnak. - Az uracil doziméter hatásspektrumát egy 2.5 kW teljesítményű Xenon-lámpából és Jobin-Yvon monochromátorból konstruált UV forrás segítségével határoztuk meg. A nyert eredményt a 3.6 ábrán az uracil doziméter spektrális érzékenységeként mutatom be.
3.6. ábra. Uracil vékonyréteg spektrális érzékenysége, a sraffozott területek mérési hibákat jelölnek [34] - A hatásspektrumok meghatározása ill. a doziméterek hitelesítése monokromatikus fényforrás segítségével történik, ami felveti a különböző UV hullámhosszak hatásának függetlenségét és additivitását.
25
Mivel az uracil kristályban a besugárzás alatt nem mennek végbe anyagcserefolyamatok, a hullámhosszak kölcsönhatása (szinergisztikus vagy antagonisztikus) kizárható. Megállapítottuk, hogy a kísérletileg, több különböző polikromatikus UV sugárforrással, valamint a monokromatikus fénnyel meghatározott hatásspektrumok egymásnak megfelelnek [60]. - Uracil vékonyréteget vákuumtechnikával állítunk elő, amit ellenőrzött páratartalom mellett egy átkristályosítási folyamat követ. Az uracil doziméter vastagságát a vákuumpárologtatás alatt, a spektrális jellemzőket az előállítási folyamat végén ellenőrizzük. Ezzel a kontroll eljárással az uracil vékonyréteg doziméter spektrális érzékenysége kézben tartható. Végső, átkristályosított alakban a doziméter hosszú ideig tárolható, spektrális jellemzőit korlátlan ideig stabilan megőrzi, hőmérsékleti stabilitása korlátozott: doziméterként –10°és +70° C között használható [42, 43].
3.5.2 Térszögtől függő érzékenység
Számos in vivo és in vitro rendszerben vizsgálták az UV sugárzás hatására bekövetkező biológiai reakciókat. Ezekben a vizsgálatokban sugárforrásként a természetes UVsugárforráson kívül nagyszámú mesterséges UVA, UVB, UVC sugárforrást illetve ezek különböző kombinációit használták [28, 37, 47, 62, 67, 87, 97, 98, 119]. Általánosan elfogadott, hogy az UV dózist (J/m2)effektív alakban fejezik ki, ami azt jelenti, hogy a besugárzott teljesítményt az éppen használt detektor/műszer egy adott hullámhosszra normált érzékenységével súlyozzák [56, 114]. A különböző dózismérők által meghatározott dózisértékek azonban — egyébként azonos geometriai elrendezés és sugárforrás esetén is — jelentősen különbözhetnek egymástól. Ezek a különbségek a különböző kísérleti/mérési körülmények, paraméterek kombinációival magyarázhatók. A doziméterekkel meghatározott értékeket ( a doziméterek kimenő jelét ) befolyásoló tényezők: Ø a fényforrás emissziós spektruma (mind mesterséges fényforrás, mind napsugárzás esetén); Ø a dózismérő spektrális érzékenysége;
26
Ø a dózismérő térszögtől függő érzékenysége; Ø a mérési összeállítás térbeli elhelyezkedése; A felsorolt tényezők miatt két különböző laboratóriumban a vizsgált biológiai rendszerek válaszai teljesen eltérhetnek egymástól még akkor is, ha — bár azonos (J/m2)effektív dózist mutatnak ki — de különböző mérőberendezésekkel. A felsorolt befolyásoló tényezők ismeretében bizonyos, hogy a megfelelően megválasztott, alkalmas UV dózismérőn kívül a fényforrások és a kísérleti elrendezés is jelentősen befolyásolja a mérési eredményt. Bármely UV mérő kimenő jele u.i. a spektrális érzékenységnek a spektrális irradianciával súlyozott összege, tehát két különböző UV mérő kimenő jelének aránya egyrészt az eszközök spektrális érzékenységétől, másrészt a fényforrás spektrális irradianciájától függ. Két kimenő jel aránya tehát csak egy adott spektrális irradiancia mellett konstans [92]. Ez a megállapítás nemcsak a különböző mesterséges sugárforrások, hanem az egyetlen nap alatt is változó spektrumú napsugárzás esetére is igaz. A biológiailag hatásos UV dózis számolható a spektroradiométerek által szolgáltatott spektrális teljesítménysűrűségekből akkor, ha a vizsgált biológiai rendszer spektrális, valamint térszögtől függő érzékenysége ismert [51, 58]. Ekkor a biológiailag hatásos dózis számítási hibája több komponensből tevődik össze: a fizikai mérés hibájából, továbbá a biológiai rendszer spektrális és térszögtől függő érzékenységéből adódik. Az utóbbiakat kísérletileg határozzák meg, ennélfogva ezeket kísérleti hibák is terhelik. A kísérleti hiba csökkenthető akkor, ha biológiai doziméterként a vizsgálni kívánt biológiai reakciónak megfelelő biológiai rendszert, vagy annak modelljét használják [70, 83], ami a biológiai reakció és a doziméter spektrális és geometriai érzékenységének hasonlóságát biztosítja. Megjegyzendő, hogy a sugárzás térbeli eloszlása és a detektor térszögtől függő érzékenységének együttes hatása is nagymértékben befolyásolja a mért dózist [10, 11].
27
3.6. Integrált optika és biofizikai alkalmazásai
Az integrált optika a ’60 -as és ’70-es évek intenzív kutatásainak eredménye. Az optikai rendszerek tervezése évszázadokon keresztül nem változott abban a tekintetben, hogy
nagy
és
nehéz
komponenseket
használt,
amely
gondos
beállítást,
rezgésmentesítést stb. igényelt. A modern (elektronikai) technológia igényei és eredményei hozták létre az integrált optikát. A vékonyréteg technológia, amely már uralta az elektronikát, lehetővé tette optikai eszközök és ,,áramkörök” kifejlesztését. Érdekesnek bizonyult ebből a szempontból, hogy valamely nagy törésmutatójú szigetelő réteg egyúttal ideális optikai hullámvezető is. Ez a körülmény lehetővé tette különböző optikai komponensek, például lézer, modulátor, detektor, prizma, lencse, csatolók stb. integrálását a rendszerbe [106]. Az integrált optika eredményei más területeken is alkalmazásra találtak. W. Lukosz és K. Tiefenthaler vizsgálatai kimutatták, hogy üveghordozóra felvitt hullámvezető film rácsos becsatoló helyének felhasználásával igen érzékeny nedvességadszorpciós, illetve molekulaadszorpciós integrált optikai detektor készíthető [54, 55, 103, 104]. A hullámvezető filmekben a fény a határfeltételek által megszabott, véges számú hullámvezető módusokban terjedhet. Egy adott módust polarizációja és effektív törésmutatója egyértelműen jellemez. A hullámvezető felszínén található molekulák a fizikai peremfeltételeket megváltoztatják, és ezáltal eltolják a hullámvezető módus effektív törésmutatóját. Az effektív törésmutató változása azt eredményezi, hogy a kérdéses módus gerjesztéséhez a film rácsos becsatoló helyét más szöggel kell megvilágítani. A szükséges szög pontos mérésével tehát a film egyik oldali határoló rétegéről nyerhetünk információt (törésmutató, adszorbeált réteg vastagsága stb.). Ma már ezen az elven több, igen érzékeny, molekuláris kölcsönhatások vizsgálatára is alkalmas biodetektor működik.
28
3.6.1. Hullámvezetők általános tulajdonságai
Optikai hullámvezetőnek azokat a különböző anyagokból álló elrendezéseket nevezzük, amelyekben az egyik anyag törésmutatója nagyobb, mint a környező közegé, és ennek a nagyobb törésmutatójú anyagnak a mérete egy olyan tartományban helyezkedik el, ami összemérhető a fény hullámhosszával.
(a)
(b)
(c)
3.7. ábra. Optikai hullámvezetők főbb típusai, (a) sík , (b) szalag , (c) szál
A 3.7. ábra az optikai hullámvezetők leggyakrabban előforduló típusait mutatja, a nagyobb törésmutatójú anyagot feketével jelöltem. A hullámvezetőt alkotó anyagok általában dielektrikumok, de lehetnek fémek is. Ha egy p-n átmenetre záróirányú feszültséget kapcsolunk, akkor az elektronkoncentráció a kiürítési tartományban lecsökken, és ezáltal létrehoz egy potenciális hullámvezető réteget, tehát akár egy záró irányban előfeszített p-n átmenet is lehet optikai hullámvezető [106]. Bármely optikai hullámvezetőben a fény normál módusokban terjed. A normál módusok a differenciális Maxwell egyenletek megoldásai a megfelelő peremfeltételek
29
mellett. Az optikai hullámvezetőkben — főként a nagyobb törésmutatójú közegben — lehetőség van arra, hogy a fényenergia kis veszteséggel terjedjen. Ekkor a fény a hullámvezetőben csak véges számú módusban terjedhet. Ezeket nevezzük hullámvezető módusoknak, és m -el indexeljük, ahol m 0,1,2 ... értékeket vehet fel. A hullámvezető módus csupán a normál módusok egyik típusa [106]. Általános esetben a hullámvezető normál módusait elméletileg a következőképpen határozhatjuk meg. A különböző térrészekben megkeressük áram- és töltésmentes esetben
a
Maxwell
egyenleteket
kielégítő
térerősség-eloszlásokat,
majd
a
peremfeltételek által előírt módon a tereket illesztjük a térrészek határain. A Maxwell egyenletek direkt alkalmazása a legtöbb esetben kényelmetlen a szimultán megoldandó egyenletek nagy száma miatt. A megoldás lehet numerikus módszerek alkalmazása is, de — főleg a hullámvezető optika fejlődésének kezdeti időszakában — igen sok, a problémát egyszerűsítő modellt dolgoztak ki. Az optikai hullámvezető lineáris rendszer. Így - mint minden más lineáris rendszer egyértelműen jellemezhető sajátfüggvényei és az ezekhez tartozó sajátértékek segítségével. A sajátfüggvények egymásra ortogonálisak, és teljes rendszert alkotnak. Hullámvezetők esetében a sajátfüggvények a normál módusok térerősségeloszlásai, a sajátértékek pedig az exp(-ibmx) fázisfaktorok, a sajátértékek nem elfajultak. Ezek szerint az optikai hullámvezetőben tehát a Maxwell egyenleteket és a határfeltételeket kielégítő tetszőleges megoldás a normál módusok szerint kifejthető. Az irodalomban gyakran a bm mennyiséget nevezik az m-edik módushoz tartozó sajátértéknek [4, 106]. Ha w -val jelöljük a fény körfrekvenciáját, akkor az w/b kifejezés adja a fény fázissebességét a hullámvezetőben. Vákuumban terjedő síkhullám esetében w/c = 2p/l a síkhullám vákuumbeli hullámszáma, ezt k-val jelöljük, w/k pedig a síkhullám fázissebessége a vákuumbeli terjedés irányában. Ha w körfrekvenciájú síkhullám n törésmutatójú dielektrikumban terjed, akkor hullámszáma nk, terjedés irányú fázissebessége pedig w/(nk). A fázissebességek hányadosa n. A hullámvezető optikában fontos mennyiség az m-edik módus effektív törésmutatója
Nm, ami definíció szerint:
Nm =
bm k
30
(3.4)
A (3.4) szemléletesen az w frekvenciájú fény vákuumban és hullámvezetőben mért fázissebességének hányadosát jelenti. Az optikai hullámvezetők egyik legismertebb formája az optikai szál, itt az információtovábbítás egy csatornájának egy hullámvezető módus felel meg. A kábeltelevíziós
és
számítógép
hálózatokat
szerte
a
világon
optikai
szálak
felhasználásával építik ki. Alkalmazásuk az optikai hírközlés és az optikai adattárolók robbanásszerű elterjedésével mindennapossá vált [1, 132]. A 3.8. ábra a hullámvezetők alkalmazási területeit foglalja össze.
hullámvezető alkalmazások
optikai információtovábbítás
magnetooptikai
integrált optikai alkalmazások
akusztooptikai chipek
elektrooptikai chipek
chipek (bio)detektor chipek
3.8. ábra. Hullámvezetők legfontosabb alkalmazási területei
Az optikai hullámvezetők fejlesztésének egyik célja a vezetett jelek csatolása, modulálása, kiosztása. A fejlesztés másik iránya olyan egyetlen kisméretű hordozóra (szubsztrátra) felvitt komplett hullámvezető rendszer kialakítása, amely alkalmas valamely jelfeldolgozási feladat elvégzésére. Mivel a hordozó általában sík lap, és a fenti elrendezésekben a fény a planáris hullámvezető síkjában terjed, ezeket az
31
elrendezéseket planáris integrált optikai (IO) rendszereknek nevezzük. (Röviden: integrált optikai rendszerek.) A továbbiakban ezekkel foglalkozom részletesebben.
3.6.2. Optikai bioszenzorok
Az integrált optika kialakulása az 1970-es évek elejére tehető, ami megalapozta az optikai bioszenzorok kifejlesztését. Az integrált optikai elrendezésekben egy kisméretű sík lapra (szubsztrátra) optikai elemeket visznek fel, és a különböző optikai komponenseket hullámvezető filmekkel kapcsolják össze. Ezáltal biztosítják a fény folytonos terjedését egyik optikai elemből a másikba. Ma már szinte minden három dimenziós, más szóval tömbi optikai elemnek létezik integrált optikai megfelelője. A hullámvezető filmekből kialakított lencsék, prizmák, rácsok stb. az integrált optikai elrendezések passzív komponensei. Az integrált optikai elrendezésekben a tömbi optikától eltérően a fény csak a planáris hullámvezető síkjában terjed. Élve az integrált optika és az integrált elektronika közti nagyfokú analógiával, ezeket az elrendezéseket gyakran chip -ként emlegetik. Az integrált optika által adott egyik fontos lehetőség a miniatürizálás, ami által optikai eszközeink a modern technikával kompatibilissé válnak. Az akuszto-, magneto-, elektrooptikai kristályok, p-n átmenetek, heterostruktúrák alkalmazásával készített integrált optikai elemek sokkal hatékonyabbak, mint tömbi megfelelőik. Ennélfogva bizonyos alkalmazásokban az optikai hullámvezetők szinte teljesen kiszorították a hagyományos optikai elemeket [106]. Az integrált optikai chipeknek számos típusa létezik, ilyenek például az akusztooptikai chip, amit főként spektrumanalízisre használnak, a különféle biodetektorok, amelyek a biológiai szelektivitást és érzékenységet a modern technológia eredményeivel kombinálják, és így sokoldalú, hatékony eszközként szolgálnak a biológiai kutatásokban, valamint a mindennapos analitikai vizsgálatokban [108]. Az
optikai
biodetektorok
a
különböző
közegek
határfelületein
létrejövő
fényvisszaverődésen alapulnak. Optikai biodetektorokkal végzendő mérések többféle
32
rendszerbe illeszthetők, ilyenek pl. a felületi plazmon spektroszkópia, illetve a Mach-Zehnder interferometria [74, 99, 108]. Munkámban az integrált optikai hullámvezető alkalmazások közül Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy: OWLS, más elnevezéssel Grating Couple Sensor: GCS vagy Waveguide Mode Spectroscopy: WMS módszert alkalmaztam [72, 74, 77, 105]. Az OWLS rendszer eddigi alkalmazásai közül megemlíthető a ·
felületi adszorpció vizsgálata, RSA (Random Sequential Adsorption) [71, 73, 74, 80, 105];
·
molekulák kölcsönhatásainak elemzése [35, 41, 72, 123, 124, 128]; − a kémiai reakció kinetikai paramétereinek meghatározása (asszociációs, disszociációs konstans, egyensúlyi állandó); − molekulák rokonságának vizsgálata; − bizonyos molekulák, vírusok jelenlétének kimutatása (pl. antitest jelenléte vérben); ekkor az adott vírust specifikusan kötő fehérjét kell a chip felületéhez rögzíteni; − fehérjék és DNS szálak kölcsönhatásának, az egymáshoz kapcsolódás folyamatának tanulmányozása;
·
membránok vizsgálata [75, 76]; − a membrán optikai paraméterei különböző anyagok jelenlétében; − fehérjék beépülése a lipid kettősrétegbe; − anyagok membránhoz kötődése;
Az OWLS módszer alkalmazása biológiai UV dozimetriai területén újdonságnak számít [39]. Az integrált optikai chip elkészítésénél kisméretű (48×16×0.6 mm) sík üveglapra (szubsztrát vagy hordozó) 150-200 nm vastagságú hullámvezető filmet visznek fel. A hullámvezető film felületén, vagy pedig a film—szubsztrát határfelületen szinuszrácsot alakítanak ki a fény becsatolása céljából. Az integrált optikai chip felépítését a 3.9. ábra mutatja.
33
z
y x
L
nc
fedőréteg
nf
df
ns
szubsztrát
film
3.9. ábra. Az OWLS chipje, az ábrán a rétegek törésmutatóit (nf, ns, nc) valamint a fedőréteg vastagságát (df) is feltüntettem Az uracil doziméterhez használt chipek az Artificial Sensing Instruments (Zürich, Svájc) cég termékei, típusjelük 2400. A chipek egymódusúak. Ez azt jelenti, hogy bennük csak a legalacsonyabb módusindexű (m=0) hullámvezető módus terjedhet kétféle polarizációval. A transzverzális elektromos (röviden TE) polarizációjú módus esetén az elektromos térerősség vektora, transzverzális mágneses (TM) esetben pedig a mágneses térerősség vektora rezeg az 3.9. ábrán az y tengely irányában. A TE és TM hullámok nemcsak polarizációjukban, hanem effektív törésmutatójukban is eltérnek egymástól, mégpedig: NTE > NTM
(3.5)
Ha a rácsot a szubsztrát irányából alkalmas szög alatt lézerfénnyel világítjuk meg, akkor a hullámvezető módusait gerjeszthetjük. A becsatolás feltétele:
± N = n l sin a + l
l , ahol L
(3.6)
+: x irányban terjed a gerjesztett módus; -: -x irányban terjed a gerjesztett módus; nl a levegő törésmutatója; a a becsatolás levegőben mért szöge; l a gerjesztő fény vákuumbeli hullámhossza; L a rács periódusa;
l pedig a becsatolódott diffrakciós rend (általában 1, tehát az 1. rend gerjeszti a 0. módust).
34
A (3.5) és (3.6)-ból következik:
a TE > a TM
(3.5a)
A 3.10. ábra az OWLS becsatolásának sémáját mutatja. folyadék vagy gázfázis adszorpció
adszorbeált réteg vagy vékony molekuláris film stb.
P
a fotodiódák
gerjesztő lézerfény
3.10. ábra. OWLS becsatolása sematikusan Amennyiben módus gerjesztés, azaz a hullámvezetőbe becsatolás jön létre, akkor a becsatolt fényt a hullámvezető rácson kívüli része kis veszteséggel kivezeti az ábrán látható fotodiódák egyikéhez. A becsatolási szög környékén
a fotodiódák
feszültségében éles maximum figyelhető meg. Tehát a szög-fotodióda feszültségfüggvény maximumaiból a gerjesztett módusok effektív törésmutatóit (NTE és NTM) meghatározhatjuk. A mérés alapján nyert effektív törésmutatók felhasználásával a (3.7) képlet alapján az ns, nf, df, nc, paraméterek (lásd 3.9. ábra) közül bármely kettő a másik kettő ismeretében kiszámítható.
é 2r æ nf ö 2 2 ê df k n f - N - arctan ç êè n c ÷ø êë
é 2r N 2 - n c2 ù ú - arctan êæç n f ö÷ ú êè n s ø n 2f - N 2 ú êë û
=0
(3.7)
35
ù N 2 - n s2 ú = ú n 2f - N 2 ú û
ahol df illetve nf a fedőréteg vastagságát illetve törésmutatóját, ns és nc a szubsztrát és az a fölötte lévő anyag törésmutatóját jelöli, a r értéke 1 mágneses, 0 elektromos módus esetén. N definícióját a (3.6) adja. A (3.7) akkor alkalmas a számításra, ha adszorbeált réteg nincs jelen, azaz a háromréteges eset áll fenn [105, 106]. Ezzel az eljárással általában a fedőréteg törésmutatóját és vastagságát szokták meghatározni. Amennyiben molekulaadszorpciót kívánunk vizsgálni pl. gáz- vagy folyadékfázisból, vagy a mi esetünkben a felpárologtatott uracil vékonyréteg paramétereit szeretnénk meghatározni, akkor az adszorbeált molekulák rétegét egy na törésmutatójú da vastagságú homogén réteggel (adlayerrel) modellezve a da<
æ éæ N ç êç ç 2 2 ê n n - nc è c 0 @ k n 2f - N 2 ç d f + 2a ê ç n f - n 2c ê æ N ç êç ç êë è n c è
éæ n ö 2r f - arctan êç ÷ êè n c ø ë
2
2
2
2
ö æN ö ÷ +ç ÷ ø è na ø æN ö ö ÷ ÷ +ç è nf ø ø
é 2r N 2 - n c2 ù æ nf ö ê ú - arctan ç ÷ êè n s ø 2 2 ú nf - N û êë
r ö ù ÷ - 1ú ÷ ú ÷ ú da÷ ú ÷ - 1ú ÷ úû ø
N 2 - n s2 ù ú, ú n 2f - N 2 ú û
(3.8)
ahol k=2p/l és l a fény vákuumban mért hullámhossza.
Az ábrákon, valamint a (3.7), (3.8)-ban használt jelöléseket a 3.1. Táblázat összefoglalóan tartalmazza.
36
3.1. táblázat A 3.9 és 3.10 ábrákon, valamint a (3.7), (3.8)-ban alkalmazott jelölések összefoglalása szubsztrát
hullámvezető
adlayer/uracil
fedő réteg
film Törésmutató
ns
nf
na
nc
Vastagság
-
Df
da
-
k=2p/l l a fény vákuumban mért hullámhossza
N effektív törésmutató r értéke 0 elektromos, 1 mágneses módus számítása esetén
37
4. Módszerek
4.1. Uracil vékonyréteg készítés
Az uracil vékonyréteg hordozójaként (BQL GmbH) 20*20*1 mm méretű, mindkét oldalukon csiszolt kvarclemezeket használtunk. A lemezek saját abszorbanciája a 250400 nm-es tartományban sehol sem haladta meg az OD=0.015 értéket. A párologtatás előtti tisztítást ultrahangos tisztítóberendezésben végzett metanolos majd desztilláltvizes lemosással, ezt követő nitrogénes szárítással végeztük. A tisztított lemezek a párologtatás megkezdése előtt legalább hat órán át (2-6)*10-6 mbar vákuumban álltak, így az esetleg megmaradt szennyeződések is elhagyták a felületet. A vákuumpárologtatáshoz használt por alakú uracil analitikai tisztaságú (SigmaAldrich Kft). Párologtatáshoz 200 mg uracilt 10 ml dimethyl-sulfoxidban (DMSO) oldottunk fel. Az uracil réteg elkészítésére Auto 306 Vacuum Coater (Edwards Ltd. West Sussex) vákuumpárologtatót használtunk. A párologtatás mintegy 10-6 mbar nyomáson történik, amit olajdiffúziós pumpa segítségével állítunk elő. A 4.1. ábrán a berendezés felépítése látható. A rétegek minőségének javítása érdekében a hagyományos párologtatási technikát a következőképpen módosítottam [43]. Az uracilt nem közvetlenül por alakból, hanem az 5*3 cm méretű sík alumínium csónak felületéről (1), oldatból beszárított filmből párologtatjuk el. Megjegyzendő, hogy az uracil vékonyréteg felvitele a hordozóra a csónak fűtése nélkül is megoldható [107], az eljáráshoz szükséges idő azonban fűtés nélkül a réteg kívánt vastagságától függően esetleg néhány hétre is növekedne. A gyorsabb eljárást a szükséges minták nagy száma (néhány ezer darab évente) követelte meg. A vákuumkamrában vastagságmérő is található (4), amiben egy kvarckristály felületére lerakódó uracil-molekulák elhangolják a kristály sajátfrekvenciáját. Ez visszahat a
38
rákapcsolt rezgőkör frekvenciájára, ezáltal folyamatosan mérhető mind a párolgási sebesség, mind a felpárolgott réteg vastagsága. A kívánt rétegvastagság elérésekor az uracil-forrás leárnyékolható.
4.1 ábra. A vákuumpárologtató berendezés felépítése 1) fűthető uracil-forrás, 2) kvarc hordozólemezek, 3) árnyékoló lemez, 4) vastagságmérő, 5) oszcillátor egység, 6) árnyékolás vezérlés 7) kijelző
A kvarclemezeket (2) gömbhéj alakú mintatartó belső felületén, koncentrikus körök mentén helyeztük el. Ezáltal biztosítottuk, hogy a kvarclemezek az uracil párolgási irányára közel merőlegesek legyenek. Egy alkalommal maximálisan 64 réteg egyidejű elkészítésére van lehetőség. A mintatartó forgatásával biztosítható a mintákon belül, és azok között is az egyenletes rétegvastagság. A mintatartó forgása következtében az egy köríven lévő minták vastagsága között nincs eltérés, és a különböző sugarú körökön elhelyezett minták közti legnagyobb eltérés 12%. Az egyes mintákon belül a forgásirányra merőlegesen a
39
rétegvastagság maximális eltérése ±2%. Az elkészült rétegeket 8 óra hosszára 80 °C hőmérsékletű, telített vízgőzt tartalmazó termosztátban tartjuk, ezalatt végbemegy a réteg átstruktúrálódása. A felvett vízgőz és a kvarclemez, valamint az uracil molekulák közötti poláros kölcsönhatás következtében kialakul a molekuláknak a dimér képződéséhez optimális térbeli elhelyezkedése, az egymás fölötti párhuzamos bázis-síkok rendszere [34, 43]. Az elkészült kvarclemezeket speciális tokba helyezzük, ami a következő funkciókat valósítja meg: ·
méréskor biztosítja a a spektrofotométerbe helyezhetőséget, közvetlenül és mindig azonos pozícióban
·
maszkolással biztosítja a mérő és ellenőrző részek elválasztását
·
mechanikai védelmet nyújt mind szállításkor, mind felhasználás közben.
A 4.2a ábra mutatja be az uracil doziméter tokozásának lépéseit. Az uracil vékonyréteggel ellátott kvarclemezt (a) alumínium keretbe ragasztjuk (b), amely így közvetlenül spektrofotométerbe helyezhető, és 180°-os elfordításával az ellenőrző rész és a mérésre használt rész mindig ugyanabban a pozícióban mérhető. A keretet mechanikai védelmet is biztosító maszkba helyezzük (c). Attól függően, hogy a keretet hogyan helyezzük a maszkba lehetőség van referencia jel felvitelére, vagy a sugárzás mérésére. Laboratóriumi mérésekre az így elkészített tok közvetlenül felhasználható, vagy további mechanikai védelmet, esetleg állandó páratartalmat biztosító házba zárható. Ezt leginkább személyi dózismérésnél, vagy hosszabb ideig tartó környezeti monitorozásnál (d) használjuk.
40
a
b
c
d
4.2a ábra. Uracil doziméter tokozása; a: kvarclemez uracil vékonyréteggel, b: kvarclemez tartókeretbe ragasztása, c: a tartókeret maszkba helyezése, d: szilikongumival légmentesen zárt UV áteresztő kvarcbúrájú házba helyezett doziméter szabadtéri monitorozáshoz A felhasználástól függően különbözőképpen kialakított uarcil dozimétereket mutat a 4.2b ábra.
41
a
d
c
b
e
f
4.2b ábra. Különböző célra készített uracil vékonyréteg doziméterek a:laboratóriumi mérésekhez b: tokozott rétegek szállítása c, d, e: szabadtéri mérésekhez állandó páratartalmat biztosító tömített illetve tömítetlen detektor, f:személyi UV doziméter
4.2. Uracil doziméter kiértékelése spektrofotométerrel
Az uracil vékonyréteg optikai denzitása az expozíciós idő függvényében — legalábbis a kezdeti szakaszon — exponenciális csökkenést mutat mind a monokromatikus (254 nm), mind a polikromatikus fény hatására [25, 33, 34]. A besugárzott uracil vékonyréteg optikai denzitása nagyobb UV dózisoknál (254 nm hullámhosszúságú monokromatikus fénnyel megvilágítva kb. 800 J/m2 dózis fölött) telítés felé tart, ami nullától különböző érték. Az uracil rétegek optikai denzitásának a dózistól függő csökkenése bármely számottevő abszorbanciával rendelkező hullámhosszon mérve:
42
OD(t) = OD¥ + B exp(-kt) ,
(4.1)
ahol az OD¥ az uracil réteg optikai denzitása telítő dózis esetén, az OD(t) a t expozíciós idő után mérhető optikai denzitás; a B és a k koefficiensek. Valójában az OD¥ értéke uracil vékonyrétegenként változhat, értéke megadható korábbi kísérleti eredmények alapján, vagy pedig kísérletileg meghatározható telítést okozó UV-dózissal történő besugárzás alkalmazásával. A (4.1) egyenletet összehasonlítva az uracil kristály dimerizációjára vonatkozó elméleti megfontolással [24, 133], a B paraméter megfelel a monomer molekulák és a fotokémiai reakciók során keletkező fotoproduktumok ODbeli különbségének. A k paraméter a dimerizációs hatáskeresztmetszet és a besugárzott teljesitménysűrűség szorzata. A dózis kiértékelése általában az OD spektrofotométeres mérésével történik. Mivel az uracil vékonyrétegben a mérésre használt fény nemcsak elnyelődik, hanem szóródik is, így a mérhető gyengülés egy része valójában nem a réteg elnyeléséből, hanem a szóródásból származik. A dózis kiértékelésében a mérendő mennyiség a monomér uracil molekulákra jellemző abszorpció, a fényszórás jelensége tehát mérési hibaként jelentkezik. E mérési hiba minimalizálása érdekében a mért abszorpciós spektrumot korrigáljuk. Az uracil vékonyrétegen a szóródás mértéke függ az uracil kristály állapotától, azaz a besugárzás során elszenvedett UV-dózistól. Elméleti számítások és tapasztalataink alapján a szóródást a 350-400 nm-es tartományban, ahol az uracil abszorpcióval nem rendelkezik, egy hatványfüggvénnyel közelítjük:
OD (350- 400 ) = a s × l- bs
(4.2)
ahol as és bs paraméterek, l a hullámhossz. A kitevőben szereplő kifejezés negatív előjellel szerepel, mivel a nagyobb hullámhosszaknál a szórt intenzitás csökken. Az as és bs paraméterek meghatározására az Excel Solver segítségével írt nemlineáris regresszió-számítási programot használunk. Mivel az as paraméter értéke jelentősen függ az elszenvedett UV dózistól, értékét minden doziméterre és expozíciós időre külön kell meghatározni, a bs paraméter az expozíció időtartamától nem függ
43
jelentősen, értéke átlagosan 3,29±0,14 . A fényszórást jellemző paraméterek meghatározása után minden spektrumból az egész hullámhossz-tartományban kivonjuk a megfelelő fényszórási járulékot, ezáltal olyan spektrumot nyerünk, ami mentes minden szóródási összetevőtől. Ez a szóródástól mentes spektrum tükrözi az uracil doziméter valódi abszorpcióját. UV besugárzás hatására az uracil vékonyréteg doziméter optikai denzitása a spektrum 280-290 nm közötti tartományában mutatja a legnagyobb változást, ezért az adott uracil vékonyréteg doziméter t idejű besugárzásához tartozó OD értékét e tartomány számtani átlagával jellemezzük. A biológiailag hatásos uracil dózis (HU) a (3.3) alapján számítható, ahol minden egyes OD értéket korrigáltunk a fényszórással.
4.3. OWLS módszer alkalmazása
Az OWLS módszer alkalmazásánál az adszorbeált réteg (adlayer) az uracil, amit 40 nm vastagságban vákuumtechnológiával párologtattunk fel. A chip felületének tisztítását párologtatás
előtt
90%-os
etanolos,
azután
desztilláltvizes,
majd
10
mM
hidrogénkloridos lemosással végeztük, amit kétperces oxigénplazmás tisztítás követett. A vákuumpárologtatás megkezdéséig a chipeket desztillált vízben tartottuk, majd közvetlenül a párologtatás előtt a felületről nitrogénnel távolítottuk el a maradék vizet. A méréseket minden esetben az ELTE Biológiai—Fizika Tanszékén épített OWLS szkennerrel végeztük, az alkalmazott He-Ne lézer hullámhossza 632.82 nm volt. A lézersugárnak a becsatoló rácsra beeső szögét mikroradián lépésekben, számítógéppel vezérelt léptetőmotorral szabályoztuk. Az optikai hullávezető chip két végén kilépő fény intenzitását fotodiódákkal mértük (l. 3.10. ábra). A maximális kilépő intenzitásokhoz tartozó szöget használtuk fel az effektív törésmutatók (TE és TM módusokhoz tartozó NTE illetve NTM ) meghatározásához. A chipet két alkalommal ellenőriztük: egyszer uracil párologtatás előtt a már előkészített, majd az uracil vékonyréteggel végzett mérések befejezését követően desztillált vizes lemosás után. A desztillált vizes lemosás eltávolította az uracil vékonyréteget a chip felületéről. Az
44
uracil réteg nélküli mérésekből (3.7) alapján számítottuk ki a chip saját törésmutatóját, illetve vastagságát. A törésmutatókat azonosnak találtuk, azaz az adlayer nélküli chipben az uracil vékonyréteg felvitele, illetve a mérési eljárás során nem következett be változás. Az így kapott nf, df értékeket az uracil vékonyréteg mérése során használt (3.8) egyenletben mint a chiphez tartozó alapértékeket használtuk fel. Az OWLS módszerrel az uracil vékonyréteg UV dózis—hatás-függvényét a következőképpen határoztuk meg. A chiphez készített 40 nm-es réteggel párhuzamosan hagyományos uracil dozimétereket is készítettünk. Miután ezek kvarclemezei közvetlenül az OWLS chipek mellől kerültek ki, a párologtatási eljárásból következően paramétereik jó közelítéssel megegyeztek. A besugárzáshoz 15 W teljesítményű germicid lámpát használtunk (254 nm) 15 cm távolságból. A dózis—hatás-függvény meghatározása 14 besugárzási/mérési ciklusból állt. Mindenegyes besugárzás egy perces volt, ezután az uracil réteget letakartuk az UV-fény elől, és tíz percen keresztül mértük az a TE , a TM becsatolási szögeket, és ennek alapján számítottuk az NTE, illetve NTM törésmutatókat.. A kontroll uracil rétegeket a chipekkel azonos körülmények között sugaraztuk be, és az OD-változást határoztuk meg.
4.4. A doziméter térszögtől függő érzékenysége
A dózismérés megfelelő pontosságának biztosításához nemcsak a besugárzás körülményeinek állandóságát, hanem a vizsgálathoz használt uracil rétegek azonosságát is biztosítani kell. Ezt egyrészt a vékonyréteg standard preparálásával, másrészt a rétegek kiválogatásával értük el. Ez utóbbit spektrofotometriás eljárással valósítottuk meg. A kiválasztott rétegek vastagsága 60-80 nm között változott. Az eljáráshoz használt fényforrásnak három követelményt kell kielégítenie: ·
tartalmazzon az emissziós spektrum nagy mennyiségben rövid hullámhosszúságú
45
összetevőket ·
legyen elegendően nagy az intenzitás ahhoz, hogy viszonylag rövid besugárzási idők elegendők legyenek a kiértékeléshez (max. 1 óra)
·
a sugárnyaláb kevéssé legyen széttartó.
A fenti feltételeket úgy valósítottuk meg, hogy sugárforrásként blendével ellátott Xenon lámpát használtunk. A lámpa spektruma a 4.3 ábrán látható.
1.6
relatív irradiancia
1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 380 390 400 hullámhossz [nm]
4.3. ábra. Xenon lámpa emissziós spektruma
A lámpa és az uracil vékonyréteg doziméterek közötti távolság 15 cm volt. A mérés alatt a lámpa effektív teljesítményét RB mérővel mérve 2,2 MED/h konstans értéken tartottam. A besugárzás hatására a vékonyréteg OD-jének változása a dózis exponenciális függvénye, ami konstans beeső teljesítmény esetén a besugárzási időnek is exponenciális függvénye. A vékonyréteg abszorpciójában bekövetkező változás pontosabb nyomon követése érdekében a besugárzási időket hatványfüggvény szerint növeltem : 0, 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64 perces expozíciós időket használtam. A mérési körülmények standardizálására speciális mintatartót terveztem és készítettem, amellyel a besugárzási szöget (az uracil vékonyréteg doziméter síkjának normálisától számított eltérés) 0° és 75° között 15 fokonkénti lépésközzel állítottam be. A mérési elrendezés a 4.4. ábrán látható.
46
1 5°
°
90
Besugárzás
°
0
4.4. ábra. Az általam konstruált mintatartó különböző besugárzási irányok beállításához. A beesési szög 0° és 90° között 15° lépésközzel állítható
A 4.4. ábrán bemutatott mintatartóban 0°,15 °,30 °,45 °,60 ° és 75 ° beesési szögeknél 5-5 uracil vékonyréteg dozimétert sugároztam be. A rétegek kiértékelése általában spektrofotométerrel történt. Az uracil rétegeknek a különböző besugárzási időkhöz tartozó jellemző OD értékeit határoztam meg, majd ezek alapján kiszámítottam a jellemző HU dózisokat. Valamennyi esetben nemlineáris regresszióval meghatároztam a besugárzási idő — HU dózishatás-függvényt. Minden egyes besugárzási szög esetére az illesztett dózisgörbék 64 perces besugárzásához tartozó pontjából átlagos HUx értékeket határoztam meg, és a kérdéses szöghöz tartozó érzékenységet, ami a térszög függvénye, a HUx /HU0 aránnyal jellemeztem, ahol HU0 a nulla besugárzási szög mellett 64 perc besugárzás után mérhető átlagos dózis.
47
4.5. Modellszámítások
A biológiai UV dozimetriában a modellszámítások fontos szerepet játszanak mind a laboratóriumi, mind a szabadban végzett mérések minden fázisában. Az UV sugárzás biológiai hatását vizsgáló kísérletek tervezésénél szükséges a dózis/biológiailag hatásos dózis várható nagyságának ismerete adott mérési elrendezés mellett. A vizsgált biológiai rendszert érő dózis pontos ismerete nélkül a kialakult hatások nem értelmezhetők, éppen ezért szükséges a rendszert érő UV sugárzás folyamatos ellenőrzése. A mérések során számos esetben szükséges lehet a nyert értékek korrekciója (átszámítása), ha különbözik egymástól: ·
a méréshez használt doziméter és a vizsgált biológiai rendszer spektrális- vagy geometriai érzékenysége;
·
a doziméter és a biológiai rendszer geometriai elrendezése;
·
a vizsgált rendszer és az ellenőrző mérés lokalizációja, vagy
·
ha különböző laboratóriumokban (esetleg teljesen eltérő kísérleti feltételek mellett) nyert kutatási eredmények összehasonlítását kívánjuk elvégezni.
A biológiailag hatásos dózist (Hx) a CIE definícióegyenletének [l. (3.1) egyenlet] alkalmas módosításával a
H
x
=
å F (W, l ) · s(W, l )DlDWDt
(4.3)
W , l ,t
egyenlet adja, ahol F(W,l) írja le a sugárzási teret (a teljesítménysűrűség térbeli és spektrális eloszlását), s(W,l) a biológiai doziméter térszögtől és spektrális eloszlástól függő érzékenységét
jelenti. Ennek alapján a biológiailag hatásos dózis a spektrális érzékenységgel súlyozott teljesítménysűrűségnek a beesési szög, releváns hullámhossztartomány és a besugárzási idő szerinti összegzéséből adódik. Amennyiben a spektrális érzékenység független a
48
beesés szögétől, továbbá a térszögtől függő érzékenység független a besugárzás hullámhosszától, akkor s(W,l) felbontható f(W) és s(l) szorzatára. f(W) adja a besugárzás irányából adódó változást, s(l) pedig a hagyományos értelemben használt spektrális érzékenység. Hasonlóképpen, ha a sugárzási teret leíró függvény térszög és hullámhossz szerint szeparálható,
akkor
F(W,l)
felírható
j(W)
és
e(l) szorzataként,
azaz
a
teljesítménysűrűség térszög- és spektrális eloszlását leíró függvényeként. Ekkor a Hx a biológiailag effektív dózist meghatározó (4.3)-ból a következő képpen alakul:
H
x
=
å j (W) · e (l ) · f (W) · s(l )DlDWDt
(4.4)
W ,l ,t
A laboratóriumi mérési összeállítások modellezésére az (4.4) egyenletet numerikus közelítéssel megoldó Windows X, Windows NT alatt futó programot fejlesztettem Borland Delphi System segítségével [59]. A program a számítások során az alábbi egyszerűsítő feltételek mellett számítja Hx értékét : a sugárforrás mentén sem a sugárzás intenzitása, sem a spektrális eloszlása nem változik; a detektor térszögtől függő érzékenysége az azimut szögtől nem, csak a zenitszögtől függ; A kísérleti elrendezés következő paramétereinek beállítására van lehetőség: ·
az emisszió spektrális eloszlása — előre megadott módon, vagy fájlként (tetszőleges felbontás és hullámhossztartomány mellett);
·
a sugárforrás/ok geometriája;
·
a detektor spektrális érzékenysége — előre megadott vagy fájlként tetszőleges felbontás és hullámhossztartomány mellett;
·
a detektor iránya, lokalizációja a fényforráshoz képest;
·
a sugárforrás és a detektor távolsága;
·
a mérés sugárforráshoz viszonyított helye;
·
a detektor térszögtől függő érzékenysége (2p, 4p, cos-típusú, vagy kísérletileg meghatározott függvény szerinti fájlból).
A
használt
spektrumok
és
számított
dózisértékek
megkönnyítésére közvetlenül MS Excel sheetre vihetők át.
49
a
későbbi
feldolgozás
4.6. RB-mérő és uracil doziméter spektrális érzékenységének összevetése
A szabadtéri UV monitorozásban leginkább az RB-mérők terjedtek el [9, 49, 85, 89], elsősorban azért, mert használatuk egyszerű, kicsi az energiafogyasztásuk, velük hosszú ideig felügyelet nélküli mérések végezhetők. Megfelelő adatgyűjtő egységgel összekapcsolva a mérési adatok akár néhány hetes periódusonként számítógéppel letölthetők. Térszögtől függő érzékenységük típustól függően kissé eltérő beesési szög tartományban megegyezik az uracil doziméterével, koszinusz törvényt követ [9-11, 51]. Az RB-méterek spektrális érzékenysége azonban jelentős különbséget mutat az uracil vékonyréteg doziméter spektrális érzékenységéhez képest [60]. Az uracil doziméter spektrális érzékenysége a nukleinsav bázisok dimerizációjával párhuzamosan halad, az RB mérő pedig a standardizált erythema hatásspektrumhoz közeli spektrális érzékenységgel rendelkezik. Az eltérés főként a 300 nm-nél rövidebb hullámhosszaknál jelentős, éspedig az uracil e tartományban jóval nagyobb érzékenységgel rendelkezik. A napsugárzás és annak spektrális irradianciájában bekövetkező változás modellezhető laboratóriumi körülmények közt is. Sugárforrásként méréssorozatainkban FS20 típusú lámpát WG305 szűrővel, valamint WG305 és ftálsav szűrő kombinációjával használtunk. Az emissziós spektrumokat Optronic 742 spektroradiométerrel határoztuk meg, amit a 4.5. ábra mutat. RB-mérőként YES UVB-1 típusú pyranométert használtam. Modellszámításokat végeztem
MS-Excell
felhasználásával
annak
eldöntésére,
hogy
milyen
tulajdonságokkal rendelkező doziméter felel meg a sugárzás spektrális eloszlásában bekövetkező változások detektálására.
50
1.2
relatív irradiancia
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 250
260
270
280
290
300
310
320
330
340
350
360
370
380
390
nm 400
hullámhossz
4.5. ábra. A használt fényforrások relatív spektrális irradianciája 310 nm-re normálva; háromszögek: szűretlen FS20, folyamatos vonal: FS20 WG305 szűrővel, szaggatott vonal: FS20 WG305 és ftálsav szűrő egyidejű használatával
4.7. Szoláriumcsövek és más UVB sugárzók minősítése
Kozmetikai célra alkalmazott ultraibolya sugárzó fénycsöveket tanulmányoztunk annak érdekében, hogy használatukra ajánlást dolgozzunk ki. Tíz forgalomban levő szoláriumcső típust vizsgáltunk, amelyek különböző gyártóktól származnak: Bellarium S., Beauty Sun, Euro Sun és Hellarium csövek a Wolff Systemtől; TL Professional a Philipstől; Bermuda Gold, Super Bronz és Super Gold a Lighttechtől; Brillant Sun Plus és Goldarium S. a Cosmedicotól. A csöveket T360-tól T369-ig kódoltuk. A kódolást az 5.4. táblázat tartalmazza. A 72 órás HU dózist uracil vékonyréteg doziméterrel mértük párhuzamosan a cső hossztengelyével, 5 cm-re a cső geometriai középpontjától. Három különböző szoláriumcső 250 és 400 nm közötti emissziós spektrumát határoztuk
meg
laboratóriumunkban
Jobin-Yvon
51
THR
1000
egyszeres
monokromátorral (sávszélesség 0.2 nm; lépésköz 0.1 nm) Hamamatchu R928 photomultiplierrel felszerelve. Két különböző gyorsító feszültséget alkalmaztunk annak érdekében, hogy elérjük a lehető legjobb dinamikus felbontást az egész 250-400 nm-es tartományban. A magasabbat a 250-310 nm-es tartományra, és az alacsonyabbat a 310400 nm-esre. Az összeállítás hátránya, hogy abszolút értékek mérésére nem alkalmas, az irradiancia hullámhossz szerinti megoszlását csak relatív egységekben képes megadni. A három vizsgált szoláriumcső emissziós spektruma látható a 4.6. ábrán.
4.6. ábra. Szoláriumcsövek relatív emissziós spektruma 360 nm-nél normálva. 1-- T367 lámpa; 2-- T362; 3-- T364
A három spektrum nagyon hasonló, bár a T367-es lámpa (1) spektruma több rövid hullámhosszúságú komponenst tartalmaz, mint a T362 és a T364. A spektrum UVB %os arányát az 5.5. táblázat második oszlopában tüntettük fel. A biológiailag effektív UV dózis értéket uracil vékonyréteg doziméterekkel végzett mérésekkel határoztuk meg. A dózis értékek arányait [(HU/óra)/(MEDi/óra)] is kiszámoltuk minden egyes tesztelt szoláriumra. Annak érdekében, hogy ezt az arányt meghatározzuk, megmértük a vizsgált lámpák
52
relatív spektrális irradianciáját (E(l)), és uracil doziméterrel meghatároztuk a megfelelő HU értékeket. Az SMEDi(l) és SU(l) spektrális érzékenységek ismeretében a biológiailag hatásos UV dózis MEDi egységben kifejezve a következőképpen adható meg: MEDi = H
U
å E (l ) × S
(l )DlDt
MEDi
l ,t
å E (l ) × S (l )DlDt U
(4.5)
l ,t
Az RB-mérők csak természetes napfény esetében mérik megfelelő pontossággal a MEDi értékeket. Szolárium csövek esetében a MED velük közvetlenül nem mérhető. Ilyen esetekben az uracil vékonyréteggel meghatározott effektív dózisteljesítményt (HU) a (4.5) szerint átszámolhatjuk a MEDi görbe szerinti effektív dózisteljesítményre
akkor, ha ismerjük a fényforrás relatív spektrális irradianciáját E(l), valamint a két biológiai hatás spektrális érzékenységét (SlMEDi, SlU).
4.8. Személyi dózismérők, munkahelyi UV dozimetria
A személyi dozimetriai célra készített doziméterek — felhasználási területüktől függően — eltérő, de minden esetben viszonylag hosszú — néhány naptól néhány hónapig terjedő — viselést igényelnek. A használat során előre nem várt, a kiértékelést befolyásoló hatások kimutatására, illetve a kiértékelési eljárás hitelesítésére és leegyszerűsítésére új eljárást dolgoztunk ki. Az eljárás során a detektor egy részére referencia jelet viszünk fel, hasonló fényforrással sugarazzuk be, mint az a sugárzás, amelynek mérésére készül. A referencia besugárzás hatására mérhető
H RU referencia dózis a sugárforrás spektrális
irradianciájának ismeretében átszámítható valamely, az ajánlásokban szereplő effektív referencia dózisra ( H Reff ). H Reff = g U × H RU
(4.6).
Az átszámítási faktor értéke az uracil detektor érzékenysége és a szabványokban,
53
előírásokban rögzített hatásspektrum — például EL — a sugárzás spektrális irradianciával súlyozott aránya. gU =
å E (l ) × S (l ) × Dl å E (l ) × S (l ) × Dl U
,
(4.7)
ahol E (l ) a hitelesítő fényforrás spektrális irradianciája, S U (l ) az uracil vékonyréteg doziméter spektrális érzékenysége, S (l ) az ajánlás vagy előírás által meghatározott érzékenység. Az adott forrásra vonatkozó hitelesítés g U átszámítási faktorát a Mérésügyi Hivatal ellenőrizheti. Az így felvitt hitelesítő jel nagysága ellenőrizhető az uracil vékonyréteg doziméter helyén végzett spektroradiométeres méréssel. Ha a sugárforrás spektrális emissziója ismert, elegendő valamely abszolút érzékenységű doziméterrel végezni a mérést. Eljárásunkban T7 bakteriofág biológiai dozimétert használunk hitelesítő mérésre. A detektorok által mért értékek meghatározásakor a referencia dózis ( H RU ) és a mérésre használt rész által mutatott H MR dózisok arányából az adott ajánlásban megfogalmazott hatásos dózis meghatározható a
H Meff =
H MU U g H RU
(4.8)
alapján. A detektorok alkalmazási területeit, az alkalmazandó referenciaforrás típusát, a referenciajel nagyságát, a detektorok cseréjének és kiértékelésének idejét foglaltam össze a 4.1. táblázatban. A refernciajel bilógiailag hatásos UV dózisát a T7 bakterifág inaktivációja alapján hitelesítettük. A 4.1. táblázatban összehasonlításul feltüntettem a folyamatos monitorozás jellemző adatait is.
54
4.1. táblázat. Uracil vékonyréteg doziméter használata személyi dozimetriai célra Alkalmazási
a
terület
UV
lényeges
dózis
mérés-
referencia
referencia
detektor
határ
besugárzó
dózis
csere
T7
forrás
tartomány
H egységekben
hegesztés,
220-310 nm
EL
2-15 EL
Xe lámpa
40
1 hónap
254 nm
EL
1-10 EL
germicid
18.5
1 hónap
700
1 szezon
700
200
plazma techn. germicid lámpa Napsugárzás,
lámpa 290-330 nm
MED
100-800
Xe
MED
szűrővel
100-400
Xe
MED
szűrővel
DNS
a használt
Xe
sérülés
lámpától
szűrővel
személyi
lámpa
dozimetria Szolárium UV-B kezelés
280-320 nm 280-320 nm
MED
lámpa lámpa
alkalom 700
50 kezelés
függ. Napsugárzás,
290-320 nm
MED
folyamatos
100-400
Xe
lámpa
MED
szűrővel
700
15-30 nap
monitorozás
4.9.
Uracil
vékonyréteg
doziméterrel
végzett
szabadtéri
UV
monitorozás
Az uracil dozimétert szabadtéri monitorozásra is felhasználtuk. Ez folyamatos mérést jelent, aminek célszerűségét többek közt az is alátámasztja, hogy módszerünk (az abszolút biológiai dózist szolgáltató standard módszer) összevethető a világszerte üzembe helyezett UVB mérőkkel. T7 fág doziméterrel például lehetőség van akár 10-15 perces felbontásban napi profil meghatározására, ez uracil detektorral közvetlenül nem végezhető el. Nyáron az Egyenlítőnél három-négy napos expozíció szükséges, mérsékelt égövi tél, sarki nyár esetén több hét is lehet a megfelő pontosság eléréséhez szükséges expozíciós idő. Az
55
expozíció
helyes
megválasztását
a
Green
modell
alkalmazásával
végzett
modellszámítás segíti. A túlságosan hosszú expozíciós idők csökkentésére sokszorozó tükrökkel optikai feltéteket fejlesztettünk ki. A 4.7. ábra a rövid expozíciós idejű mérésekhez készített optikai feltét felépítését mutatja. A tükörrendszer alkalmazása révén a direkt napsugárzásból származó uracil dózist pl. 400-szor rövidebb idő alatt határozhatjuk meg az irradiancia 400-szoros megnövekedése miatt. A tükörrendszert csillagászati óraszerkezet forgatja mindig a nap irányába. Ellenőriztük a visszaverődő fény spektrális összetevőit, és megállapítottuk, hogy a tükörrendszer spektrális eltéréseket nem okozott.
4.7. ábra. Csillagászati óraszerkezetre szerelt sokszorozó optikai feltét expozíciós idő csökkentésére mérés közben Az uracil rétegek ellenőrzött körülmények között sok évig stabilnak bizonyulnak, ennek következtében 20% relatív páratartalom mellett, nyári időszakban a rétegek szabadtéri használhatósága nem okoz problémát. Az említett páratartalom biztosítására jól záródó mintatartókat készítettünk. A mintatartók előnye, hogy az uracil dózismérő geometriai elrendezése a Robertson-Berger mérőkéhez hasonlít. A mintatartókat bel- és külföldi folyamatos mérésekben több éve használjuk. A mérési helyszínek a következők voltak. Magyarország 8 pontján 1995-től kezdve: OMSz Módszertani és Minőségbiztosítási Osztály (MMO), Budapest
56
OMSz Meteorológiai Állomás, Keszthely OMSz Meteorológiai Főállomás, Kékestető OMSz Standard Referencia Állomás, Kecskemét (K. Puszta) OMSz Meteorológiai Állomás, Siófok OMSz Meteorológiai Állomás, Szeged Országos Földtani Intézet Mérőállomása, Hármaskút Gödöllői Agrártudományi Egyetem Obszervatóriuma, Gödöllő Semmelweis Egyetem, Biofizikai és Sugárbiológiai Intézet tetőterasza, Budapest Az OMSz felsorolt mérőhelyei közül Budapesten, Keszthelyen, Kékestetőn és Kecskeméten Robertson-Berger mérők, ill. mérési adataik is rendelkezésünkre álltak. A 4.8. ábrán azokat a hazai mérőhelyeket mutatjuk be, ahol hosszabb időn (több éven) át végeztünk monitorozást. A dozimétereket a nyári időszakban kéthetente cseréltük, egy helyen párhuzamosan 2 dozimétert exponáltunk. A téli hónapokban 4 dozimétert helyeztünk ki, ezek közül kéthetente kettőt kicseréltünk, így végül télen minden dozimétert 4 hétig exponáltunk.
B ü k k i N e m z e ti P a rk
B a la to n D u n a
4.8. ábra. Az uracil-doziméterrel végzett monitorozások helyszínei
Külföldön a BIODOS együttműködés keretén belül Abiskoban és Nea Michanionaban, más nemzetközi együttműködésben Sylten, Kadunaban, Cachoeira Paulistaban,
57
Cape Townban, Sydneyben és az Antarktiszon végeztün kszabadtéri monitorozást.
4.10. Sugárzási tér jellemzése
Ha egy bizonyos, széles spektrum-tartományban integráló dozimétert használunk, és a mérési eredmény megváltozását mutatjuk ki, akkor nem dönthető el, hogy a változást milyen mértékben okozta a sugárzási tér spektrális összetételének változása, illetve milyen mértékben az intenzitás változása. Hasonlóképpen elképzelhető az is, hogy bár a sugárzási tér mindkét jellemzője megváltozott, a doziméter azonos értéket mutat. Amennyiben lehetőség van uracil vékonyréteg
doziméter
mellett
más,
széles
spektrumtartományban
integráló
doziméterrel is méréseket végezni, akkor a mért dózisértékek arányaiból konverziós faktor számítható, aminek segítségével következtetések vonhatók le a sugárzási térre nézve. Az uracil vékonyréteg doziméterrel párhuzamosan T7 fággal, valamint RB mérővel végzett mérésekből a (4.9a ) és (4.9b) alapján számított f U-T7 és f U - MED konverziós faktorokat határoztuk meg. A konverziós faktorok azok az értékek, amikkel az uracil vékonyréteggel meghatározott uracil dózis (HU) T7 dózissá (HT7), illetve MED-szerinti dózissá számítható át. A faktorok: S T7 ( l )
f U-T7 =
å S ( l ) × S ( l ) × E( l ) × Dl , å S ( l ) × E( l ) × Dl l
U
U
(4.9a)
U
l
illetve
f U -MED =
å l
S MED (l ) × S U ( l ) × E ( l ) × Dl S U (l ) . å S U ( l ) × E ( l ) × Dl
(4.9b)
l
A (4.9a) és (4.9b)-ből is látható, hogy a transzformációs faktorokat a spektrális érzékenységek jelentősen befolyásolják.
58
A spektrális érzékenységek összehasonlítása érdekében képeztük mindenegyes hullámhosszon a T7 inaktivációs és az uracil dimerizációs hatásspektrumok hányadosát (hasonlóan a (4.9a) és (4.9b) képletekhez). Az eredményül kapott függvényt a 4.9. ábra mutatja.
S T 7 (l ) és az E(l ) × S U (l ) szorzat hullámhossz szerinti változása S U (l ) mérsékelt égövi ózonhiányos napspektrum (100 DU) esetén
4.9. ábra. Az
A 4.9. ábrán mind az
ST 7 (l ) hányadost, mind az E( l ) × S U ( l ) szorzatot, valamint az SU ( l )
f U-T7 transzformációs faktort is feltüntettük. Az f U-T7 értékét valamint E( l ) × S U ( l )
szorzatot ózonhiányos állapotra jellemző napspektrum esetére számítottuk ki. Az. ábrán az
E( l ) × S U ( l ) szorzat az adott sugárforrás uracil-dimerizációs hatékonysági
spektrumát mutatja, aminek maximum helye 300 nm-nél van. Belátható, hogy növekvő ózonvastagságnál az E( l ) × S U ( l ) a hosszabb hullámhosszak felé tolódik, amivel összhangban növekszik az átszámítási konstans értéke is. Az RB-mérővel mérhető MED szerinti hatásos UV dózis napsugárzás esetén hasonló f U -MED
faktort
eredményez. E konverziós faktor nagysága ugyancsak szolgáltat információt a napsugárzás spektrális összetételéről.
59
5. Eredmények, megbeszélés
5.1. Uracil doziméter térszögtől függő érzékenysége
A 4.2. fejezetben bemutatott kísérleti elrendezés speciális mintatartójának segítségével az uracil vékonyréteg dozimétereket Xenon lámpával hat különböző irányból sugároztam be. Minden pozícióban (beesési szögnél) meghatároztam öt-öt doziméter által mért, nyolc besugárzási időhöz tartozó HU dózist. A nyert mérési eredmények összefoglalását az 5.1. ábra mutatja. Az ábrán látható mérési pontok azokat a HUx /HU0 arányokat ábrázolják, amiket az adott szög mellett a 64 perces besugárzáshoz tartozó (HUx), illetve a nulla besugárzási szög (HU0) esetén nyertem. Az ábrán az adatok szórását is feltüntettem. A cosinus függvényt folytonos vonalként, a cosinustól való eltérést pedig szaggatott vonalként ábrázoltam. Az ábrából kitűnik, hogy az itt bemutatott mérési eredmények az elméleti cosinus görbére jól illeszkednek. Az egybeesés alapján megállapítható, hogy az uracil vékonyréteg doziméter térszögtől függő érzékenysége cosinusos-függvény szerint változik. Nagyobb beesési szögeknél (>60°) kimutathatók a cosinustól való eltérések, amit a felületi fényszórás jelenségével, valamint a kis dózisok esetén fellépő nagyobb mérési hibával magyarázunk. Hasonló eredménnyel találkozhatunk más UV detektoroknál is, például Leszczynski et al. [51] leírja, hogy az RB mérő térszögtől függő érzékenysége 60° beesési szögig cosinus függvénnyel jól jellemezhető. A Brewer spektroradiométerek szintén cosinus törvény szerint működnek.
60
1.2
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0 0
20
40
60
80
-0.2
-0.4 Beesési szög
5.1. ábra. Az uracil vékonyréteg doziméter térszögtől függő érzékenysége; folytonos vonal: elméleti cosinus függvény, négyszögek: mérési pontok (öt-öt mérés átlaga és szórása), szaggatott vonal: a mérési pontok eltérése a cosinus függvénytől Eredményeim arra mutatnak, hogy az uracil vékonyréteg doziméter cosinus-típusú választ szolgáltató doziméter, tehát a felhasználásával mért dózisok közvetlenül összevethetők az RB mérőkkel mért adatokkal. Ugyancsak felhasználhatók a spektroradiométerek által szolgáltatott spektrális irradianciának az uracil vékonyréteg doziméter spektrális érzékenységével súlyozott, számított BED értékkel való összehasonlítására is. A sugárzás térbeli eloszlása igen fontos szerepet játszik a nem 4p ( az élőlények általában így érzékelik a könyezetükből érkező sugárzást) érzékenységgel rendelkező detektorok által szolgáltatott adatokban. Inhomogén sugárzási tér és (laboratóriumi körülmények között) nem gömbszimmetrikus mérő elrendezés esetén a cosinus-típusú doziméter elhelyezkedésétől függően különböző kimenőjelet szolgáltathat. Erre a megállapításra szolgáltat jó példát a következő mérési eredményünk, amit Abiskoban (Svédország, 68° N, 19°E) 1998. június 21-én nyertünk. A mérést két azonos típusú RB mérővel végeztük. Az RB mérők egyikét horizontálisan helyeztük el, a másikat pedig
61
napkövető szerkezetre szereltük, és úgy rögzítettük, hogy mindig merőlegesen állt a napból érkező direkt sugárzásra. A két műszer által mutatott eredmény az 5.2. ábrán látható. Mindkét elrendezésben ú.n. napi profilt határoztunk meg. Az 5.2. ábrából kitűnik, hogy a két mérő elrendezéssel nyert eredmény között szisztematikus különbség van, különösen tiszta ég esetén: a horizontálisan elhelyezett műszer kimenő jele végig alatta marad a napra irányított műszer kimenetének. A két elrendezés közti különbség felhős ég mellett jelentősen csökken.
2.5
2
MED/h
1.5
1
0.5
0 6:00
9:00
12:00
15:00
18:00
21:00
0:00
Helyi idő [h]
5.2. ábra. Egynapos monitorozás („napi profil”) Abiskoban; vékony vonal: napra irányított, vastag vonal: horizontálisan elhelyezett RB mérővel Mivel a két mérés azonos időben történt, ezért a sugárforrás (nap) spektrális irradianciája azonos volt. A doziméterek spektrális és térszögtől függő érzékenysége — a két műszer azonos típusa miatt — szintén azonos volt, azonban kimenő jelük mégis jelentős különbséget mutatott. Ez az eredményünk is azt támasztja alá, hogy a mérési elrendezés az UV dozimetriában fontos szerepet játszik. Ugyancsak jelentős különbség lehet laboratóriumi körülmények között a biológiai rendszert érő dózis, és az ellenőrzésre használt doziméter által mért dózis között. Ez az eltérés vagy a spektrális és a térszögtől függő érzékenységek különbségéből, vagy a doziméter és a vizsgált biológiai rendszer sugárzási térben elfoglalt helyének
62
különbözőségéből adódhat.E megállapítás felhívja a figyelmet arra, hogy különböző laboratóriumokban végzett besugárzásos kísérletek reprodukálhatóságát az alkalmazott doziméter és a sugárzási tér paraméterei egyaránt befolyásolhatják.
5.2. A sugárforrás emissziós spektrumának változása
A biológiai UV doziméterek által produkált kimenő jelet döntően befolyásolja azok spektrális érzékenysége, továbbá a fényforrás emissziós spektruma. Ez utóbbi hatását a laboratóriumban a következőképpen tanulmányoztuk. Azonos fényforrás (FS20 lámpa) mellett a spektrum megváltozását kétféle szűrő (WG305 és WG305+ftálsav) használatával hoztuk létre, és a dózismérők kimenő jelének megváltozását vizsgáltuk. A spektrális érzékenység szerepét uracil vékonyréteg doziméter és RB-mérő segítségével tanulmányoztuk. Az 5.3. ábrán a kétféle szűrővel ellátott FS20 lámpa emissziós spektruma abszolút egységekben (jobb oldali ordináta), valamint az RB-mérő spektrális érzékenységével súlyozott ú.n. hatékonysági spektrumok láthatók. A kétféle (WG305 illetve WG305-el kombinált ftálsav) szűrővel ellátott FS20 lámpával végzett besugárzás során a dozimétereket a lámpától olyan távolságban helyeztük el, hogy az RB-mérő kimenő jele mindkét esetben egységnyi legyen, azaz 1 MED/h dózisteljesítményt mutasson. Ugyanebben a helyzetben az RB-mérő helyére tett uracil vékonyréteg doziméterrel ftálsav szűrővel mérhető dózisteljesítmény 0,0025 HU/h, ftálsav szűrő nélkül pedig 0,028 HU/h volt. Amíg tehát az RB-mérő kimenő jele mindkét esetben azonos volt, addig az uracil doziméter által mért dózisteljesítményben a spektrumváltozás által okozott hatást mintegy tízszeresnek találtuk. A kísérleti elrendezésben nyert eredményt a következőkkel magyarázzuk: Egy adott forrásból a doziméterekre beeső teljesítmény szabályozható a doziméterek lámpához viszonyított helyzetének változtatásával. A ftálsav-szűrő alkalmazásakor az uracil dozimétereket, valamint az RB mérő detektorát közelebb helyeztük a sugárforráshoz annak érdekében, hogy az RB-mérő kimenő jele a korábbival azonos
63
(1 MED/h) legyen. A lámpa emissziós spektrumában a ftálsav-szűrő által okozott intenzitás- és spektrumváltozást ezáltal kiküszöböltük, azaz tulajdonképpen kísérletileg a spektrum RB-mérő szerinti normálását végeztük el. A normálás az RB mérő és az uracil doziméter esetén is azt jelentette, hogy az UV irradianciát K-szorosára növeltük. K kiszámítását a következő megfontolás segítségével mutatom be. 0.0000012
0.000025
0.000001
0.00002
0.0000008
0.0000006 0.00001 0.0000004
0.000005
0.0000002
0 280
285
290
295
300
305
310
315
320
325
0 330 nm
hullámhossz
5.3. ábra. FS20 lámpa spektruma mérés helyén: vastag vonalak: csak WG305 szűrővel, vékony vonalak: WG305 és ftálsav szűrővel; folytonos vonalak súlyozás nélül, szaggatott vonalak RB-mérő spektrális érzékenysége szerint súlyozva. Az RB-mérő szerinti görbék alatti terület egységnyi, a görbék tehát a relatív hatékonysági spektrumot adják meg Jelölje SMED(l) illetve SU(l),az RB-mérő ill. az uracil spektrális érzékenységét E(l) a sugárforrás spektrális irradianciáját ftálsav-szűrő nélkül, DE(l) a ftálsav szűrő hatására bekövetkező irradiancia-változást, DFU ill. D U az uracil vékonyréteg doziméterrel mért dózisteljesítményeket ftálsav szűrővel illetve anélkül,
64
W/cm2/nm
MED/h/nm
0.000015
DFMED ill. D MED az RB-mérővel mért dózisteljesítményeket! A jelölések felhasználásával a dózisteljesítmények rendre
D
MED
DF
= åS
(l ) · E (l ) · Dl
MED
l
MED
= åS
MED
l
(l ) · K · (E (l ) - DE (l )) · Dl
D
= å S (l ) · E (l ) · Dl
DF
U
U
(5.1)
U
(5.2) (5.3)
l
= å S (l ) · K · (E (l ) - DE (l )) · Dl U
(5.4)
l
Tekintetbe véve, hogy DFMED = D MED , valamint, hogy a spektrális irradiancia ftálsavval szűrt esetben: K · (E (l ) - DE (l )) , ezért
K=
åS åS
l MED
l
MED
(l ) · E (l ) · Dl
(l ) · (E (l )- DE (l )) · Dl
(5.5)
vagy átalakítva 1
K= 1-
åS
MED
l
åS
(l ) · DE (l ) · Dl
MED
l
(l ) · E (l ) · Dl
Belátható, hogy minden olyan li esetén, amire nézve
K<
1 DE (li ) 1E (li )
az irradiancia csökken, illetve
65
(5.6)
K>
1 DE (li ) 1E (li )
növekszik. Mind az 5.3. ábra hatékonysági spektrumából, mind a bemutatott számításból a következő adódik: az FS20 lámpa emissziós spektruma ftálsav szűrő alkalmazásával úgy változik, hogy irradiancia-csökkenés a 306 nm alatti tartományban következik be, növekedés pedig az ennél hosszabb hullámhosszaknál. Az uracil vékonyréteg doziméterre ezek alapján a DFU < D U akkor, ha
æ ö U U U K · ç å S (l ) · E (l ) · Dl - å S (l ) · DE (l ) · Dl ÷ < å S (l ) · E (l ) · Dl l è l ø l
(5.7)
ami egyenértékű a
åS l
MED
åS l
(l ) · DE (l ) · Dl å S U (l ) · DE (l ) · Dl
MED
(l ) · E (l ) · Dl
<
l
(5.8)
ål S (l ) · E (l ) · Dl U
feltétellel. A spektrumban tehát a ftálsav-szűrő hatására megváltozik az UVA/UVB arány, az RBmérő spektrális érzékenysége kiegyenlíti a spektrum megváltozását. Ezzel szemben az uracil doziméter a rövidebb hullámhosszakban létrejövő változásokra jóval érzékenyebb, ezért a spektrum hosszabb hullámhossz-tartományában az irradiancianövekedés
elhanyagolható
dózisteljesítmény-növekedést
okoz
a
rövidebb
hullámhosszúságú UVB tartomány csökkenése miatt kieső dózisteljesítményhez képest. Ezek alapján megállapítható, hogy az uracil vékonyréteg doziméter a spektrum
66
rövidebb
hullámhosszúságú
tartományában
bekövetkezett
változásra
sokkal
érzékenyebben reagál, mint az RB mérő. Természetesen készíthető olyan mérési összeállítás is, amelynél az uracil doziméter nem, vagy csak nagyon kis változást jelez, míg az RB-mérő kimenetén jelentős a változás. Ez akkor következik be, ha az UVB tartományban kicsiny, az UVA tartományban pedig nagyobb mértékű változás következik be. Általában azt mondhatjuk, hogy a DNS alapú doziméterek alkalmasabbak a napsugárzás spektrumában az ózoncsökkenés hatására bekövetkező UVB/UVA arány eltolódásának
detektálására,
mint
az
RB-mérők.
Az
RB-mérők
bemutatott
tulajdonságával függ össze az a negatív tapasztalat is, hogy az UVB tartomány szignifikáns növekedését nem sikerült több éves monitorozással sem kimutatni az USA 75 monitorozó állomásán [89]. A spektrumváltozás hatását általánosítva bármely sugárforrásra és dózismérőre a következő meggondolás érvényes: Ha egy E(l) spektrális irradianciával jellemezhető sugárzás valamely v tartományába eső DE(l) változását S(l) spektrális érzékenységű detektorral detektáljuk, akkor a kimenőjel nagysága a változás előtt (Je), valamint a változás után (Ju) a következőképpen jellemezhető:
J e = å S v (l ) · Ev (l ) · Dl + å S 0 (l ) · E 0 (l ) · Dl
J u = å S v (l ) · E v (l ) · Dl + å S 0 (l ) · E0 (l ) · Dl + å S v (l ) · DE (l ) · Dl , v
(5.9)
0
v
0
(5.10)
v
ahol a változás tartományát v, a tartományon kívüli részt 0 index jelöli. A doziméter által mutatott érték kétféle, egy állandó és egy, a kimenő jellel arányos hibatagot is tartalmazhat. A kérdéses változás detektálására az a doziméter tekinthető optimálisnak, amelyre nézve a Ju/Je arány a legnagyobb. Az (5.9 ) és (5.10) alapján felírható, hogy
67
Ju = 1+ Je
å S (l ) · DE (l ) · Dl , å S (l ) · E (l ) · Dl + å S (l ) · E (l ) · Dl v
v
v
v
v
0
(5.11)
0
0
ahonnan a kimenőjel relatív megváltozása:
DJ = Je
å S (l ) · DE (l )Dl å S (l ) · E (l )Dl
(5.12)
Ismételt átrendezéssel a kimenőjel relatív megváltozása felírható a relatív hatékonysági spektrum, és a relatív spektrális megváltozás szorzataként :
DJ DE (l ) S (l ) · E (l ) =å · Dl Je å S (l ) · E (l )Dl E (l )
(5.13)
Definíció szerint a relatív hatékonysági spektrum teljes spektrumra vett összege egységnyi. (5.12 ) alapján látható, hogy ha a relatív hatékonysági spektrum értéke valamely hullámhossztartományban nagy, akkor az adott doziméter az ebbe a hullámhossztartományba eső spektrális változásokat felerősíti, míg az ezen kívül eső hullámhossztartományban bekövetkező változások jelentősen kisebb súllyal járulnak hozzá a kimenőjel megváltozásához. Az emissziós spektrum megváltozásának detektálására tehát olyan doziméter ideális, amelyik a változás tartományában nagy, azon kívül pedig kis hatékonysággal (
S (l ) · E (l ) ) rendelkezik. å S (l ) · E (l )
Valamely detektor akkor lesz alkalmas adott, lehetőleg szűk hullámhossztartományba eső változás jó detektálására, ha a relatív hatékonysági spektrum maximuma a kívánt tartománnyal egybeesik, és félérték-szélessége kicsi. Az általunk alkalmazott doziméterek és sugárforrások esetére ezeket a jellemző értékeket az 5.4. ábra mutatja, és a jellemző paramétereket az 5.1. táblázat foglalja össze:
68
0.09
0.003
0.08 0.0025 0.07 0.002
0.05 0.0015 0.04 0.03
0.001
0.02 0.0005 0.01 0 270
280
290
300
310
320
330
0 340
hullámhossz [nm]
5.4. ábra. Hatékonysági spektrumok, folytonos vonal:uracil vékonyréteg doziméter, szaggatott vonal: RB-mérő, a mérés helyén a dózisteljesítmény 1 MED/h, vékony vonal: FS20 lámpa WG305 szűrővel, vastag vonal:FS20 lámpa kombinált WG305 és ftálsav szűrővel
5.1. táblázat. RB-mérő és uracil vékonyréteg doziméterre vonatkozó relatív hatékonysági spektrumok jellemzői kétféle fényforrás esetén Relatív
RB-mérő
Uracil doziméter
hatékonysági
FS20+
spektrum
WG305 WG305+ WG305 Ftálsav
FS20+
FS20+
FS20+WG305+
ftálsav Maximum értéke
0.06074 0.0816
0.07808
Maximum helye
308 nm 310 nm
293 nm
304 nm
Félértékszélesség
16 nm
13 nm
10 nm
12 nm
0.108971
A táblázatból kitűnik, hogy mindkét sugárforrásnál az uracil vékonyréteg doziméter relatív hatékonysági spektrumának maximumához tartozó érték nagyobb, és a félértékszélesség kisebb. A spektrum maximum-helye a rövidebb hullámhosszaknál található. Az uracil doziméter tehát jól alkalmazható a rövidebb, az UVB tartományban bekövetkező változások detektálására.
69
HU/h/nm
MED/h/nm
0.06
5.3. Uracil doziméter kiértékelése OWLS módszerrel
Az
OWLS módszert felhasználtuk az
ultraibolya
sugárzás hatására
uracil
vékonyrétegben végbenő változások (dimerizáció) mérésére [39]. Az uracil vékonyréteget adlayerként tartalmazó chipet besugározva meghatároztam a dózishatásfüggvényt, és összevetettem az uracil vékonyréteg doziméter optikai denzitásának mérésével meghatározott függvénnyel. E helyen jegyezzük meg, hogy a mért értékek nagyon érzékenyek a mérési körülményekre, ezért párhuzamos méréseket végeztem azonos feltételek mellett: azonos sugárforrás, besugárzási idő, azonos geometriájú mérési összeállítás esetén.
1.5806
1.5398
1.5804
1.5397
NTE
NTM
1.5802
1.5396
NTM N TE
1.5800
1.5395 0
50
100
150
200
Besugárzási idõ (perc)
5.5. ábra. Az UV sugárzás hatása az uracil adlayer effektív törésmutatójára. A nyilak az UV fénnyel (254 nm) végzett egyperces besugárzások időpontját mutatják. Az egyes besugárzások közt a becsatolási szögeket ( a TE , a TM ) folyamatosan mértük, felhasználásukkal számítottuk az effektív törésmutatókat (NTE, NTM) Az 5.5 ábra az OWLS módszerrel végzett mérések közül egy tipikus mérési eredményt mutat. A 14 mérési/besugárzási ciklus alatt jól nyomon követhető az effektív törésmutók (NTE, NTM) változása. Az egy-egy perces besugárzás a nyíllal jelölt időpontokban történt, egy perc 21 J/m2 beeső dózisnak felelt meg. Minden egyes
70
besugárzást követően tíz perces mérési ciklus következett az effektív törésmutatók meghatározására. Az ábrából az is kitűnik, hogy a törésmutató-mérés egész ideje alatt a mért értékek gyakorlatilag nem változtak, azaz az un. drift hatás nem volt jelentős. Az ábrán a mérési periódusok alatt kisfokú törésmutató-változások ugyan láthatók, ezeket a chip felületében bekövetkező páratartalom-változással magyarázzuk. Az adatokból jól látható, hogy a besugárzások hatására mind az NTE, mind az NTM törésmutatóban változás következett be, ami telítődéshez közeledett. A transzverzális elektromos
módusra
vonatkozó
effektív
törésmutató—alkalmazott
UV-dózis
összefüggést az 5.6 ábrán mutatom be. A függvény jellege exponenciális. Nemlineáris regresszióval a pontokra exponenciális függvényt illesztve azt kapjuk, hogy a törésmutató csökkenését jellemző állandó a kOWLS=(208±10) m2/J.
1.5806
N TE
1.5804
1.5802
1.5800 0
50
100
150
200
250
300
2
UV dózis (J/m )
5.6 ábra. Az elektromos módusban UV sugárzás (254 nm) hatására bekövetkező változás. A folytonos vonal az illesztett exponenciális függvényt jelzi Összehasonlításul az 5.7 ábrán az uracil vékonyréteg OD-változás—UV-dózis hatásfüggvény látható. A görbére illesztett exponenciális függvény jellemzőjére
kOD=(238±10) m2/J konstans adódott.
71
Optikai Denzitás
0.40
0.36
0.32
0.28 0
200
400
600
800
1000
1200
1400
2
UV dózis (J/m )
5.7. ábra. Az uracil vékonyréteg doziméter optikai denzitásának változása UV (254 nm) fény hatására. A folytonos vonal az illesztett exponenciális függvényt mutatja A két módszer érzékenysége a dózis—hatásgörbék kezdeti szakaszán meghatározott legkisebb mérhető UV dózis segítségével vethető össze. Az OWLS módszerrel 40 J/m2 UV dózis DN(TE)=1.05*10-4 változást okozott. A praktikus felbontás 2*10-6, azaz a legkisebb mérhető dózis 0.8 J/m2. Ugyanezt a számítást spektrofotometriás kiértékelés esetére alkalmazva: 40 J/m2 dózis hatására a mérhető változás DOD=0.02 volt. A spektrofotometriás OD mérés (l. 5.7. ábra) felbontása 0.005, így a legkisebb mérhető dózisra 10 J/m2 adódik. Az összevetésből kitűnik, hogy az OWLS módszer érzékenysége mintegy 10-szerese az OD mérésen alapuló kiértékelésnek. Az OWLS chip törésmutatóját és vastagságát az uracil réteg felvitele előtt, illetve a mérési sorozat befejezését követő desztilláltvizes lemosás után mérve nem tapasztaltunk változást: nf=1.767119, df=179.98 nm. Ezeket az értékeket a (3.8)-ba behelyettesítve, feltételeztük, hogy a réteg optikailag anizotróp. Ekkor még ismeretlen paraméterek volt az adlayer vastagsága és törésmutatója. Az uracil adlayer vastagságára nézve feltételeztük, hogy 40 nm, ezt mértük u.i. a réteg készítésekor a vastagságmérő
72
kvarcoszcillátorral, továbbá a kontrol lemezek OD-je alapján. A (3.8 ) alapján meghatároztuk a törésmutató (nA)-változást minden egyes UV dózis esetében. A nyert adatokból konstruáltuk az nA—UV dózis-hatásfüggvényt, amit az 5.8 ábra mutat.
1.19
nA
1.18
nA
1.17
1.16
1.15
dA
1.14 0
50
100
150
200
250
300
2
UV dózis (J/m )
5.8 ábra. A dA=40 nm vastagságú uracil adlayer törésmutatójának változása 254 nm-es fénnyel végzett besugárzás hatására Az 5.6 és 5.8 ábra összehasonlításából az látható, hogy az UV dózis értékeléséhez elegendő az effektív törésmutatók valamelyikének (pl. az NTE) meghatározása (minthogy (3.8) alapján az nA értékének kiszámításához szükséges feltevések további hibalehetőséget jelentenek). Az OWLS módszerrel nyert eredmények arra mutatnak, hogy az uracil vékonyréteg doziméter érzékenysége e módszerrel kiértékelve lényegesen jobb, mint a spektrofotometriás kiértékelésnél. Ez az eljárás perspektívában a biológiai UV dózis on-line mérését teheti lehetővé.
73
5.4. Személyi dozimetria
Szabadtéri méréseinkből megállapítottuk, hogy a folyamatos nyári szabadtéri monitorozás során Magyarországon vízszintesen kihelyezett uracil doziméterek átlagosan 2-3 hét alatt érik el az optimális kiértékelhetőséghez szükséges OD változást. A személyi doziméter céljára használt uracil-rétegeknél a szükséges expozíciós idő jelentősen megnövekedhet. Ennek oka részben viselőjének életvitele, szokásai, részben a doziméter viselési módja. Az előbbihez tartozik pl. a dozimétert hordozó személy munka- és szabadnapjainak aránya, munkanapokon és szabadnapokon a szabadban eltöltött idő tartama, az ekkor folytatott tevékenység jellege, a napszak, az árnyékos helyen és napsütésben eltöltött idő, stb. Az előzőkben vázoltak alapján belátható, hogy az egyes személyek által elszenvedett UV-dózis mértéke nem jellemezhető egyértelműen a környezeti UV monitor-hálózatok adataival: míg ezek az élő környezet átlagos (globális) sugárterhelését, addig a személyi dozimetria az egyéni sugárterhelést jellemzi. A kétféle terhelés között akár több nagyságrendnyi eltérés lehet. Személyi UV dózismérés tehát minden olyan esetben szükséges lehet, amikor az adott személyt adott idő alatt ért UV dózis nagyságát kell meghatározni. Különösen érdekes lehet e mérések eredménye pl. szürkehályog kialakulásának vizsgálatakor. 1996 nyarán hét kórház szemészeti osztályával és az OSSKI-val közösen multicentrikus vizsgálatot folytattunk biológiailag hatásos személyi UV dózis meghatározására. A vizsgálatba összesen 81 személyt vontunk be, ez a szám a kataraktában szenvedő betegeket, és kontroll csoportjukat jelentette. Valamennyiüket személyi dózismérés céljára kialakított uracil vékonyréteg doziméter viselésére, és napló vezetésére kértük. A naplónak tartalmaznia kellett a különböző napszakokban szabadban, ezen belül napon és árnyékban eltöltött időt. A 81 személy közül 75 hozta vissza a dozimétert, ebből 6 doziméter sérült volt. Az ép doziméterek közül 51 mutatott értékelhető dózist, a többi tulajdonosa: ·
egyáltalán nem, vagy nagyon keveset tartózkodott napon;
·
nem, vagy csak nagyon keveset volt kint délben;
·
állandó délutános műszakban dolgozott;
·
a dozimétert nem hordta, naplót nem vezetett.
74
A sérült doziméterek tulajdonosai általában sokat voltak szabadban, a napló és a UV monitor-hálózat adatai alapján az általuk elszenvedett dózis meghaladta az 50 MED értéket. Az 51 értékelhető doziméter által mért dózis átlaga 0.11 HU, a szabadban töltött összes órák száma átlagosan 248 volt, tehát az átlagos dózisteljesítmény 0.44×10-3 HU/h nagyságúnak adódott. A vizsgált személyek által vezetett naplók adatai alapján megállapítható volt, hogy azok a személyek, akik a szabadban töltött idejük negyedénél kevesebbet töltöttek napon, az átlagos dózisteljesítménynek — 0.17×10-3 HU/h — átlagosan mintegy felét szenvedték el. Azok a személyek pedig, akik az összes napos órák felénél többet délben töltöttek napon, az átlagnál egy nagyságrenddel több UV dózisteljesítményt szenvedtek el: 3.58×10-3 HU/h. Általánosságban megállapítható, hogy személyi dozimetriai célra használt uracil vékonyréteg dozimétereket napsugárzás mérésére a megfelelő pontosságú, OD meghatározással történő kiértékeléshez hosszabb ideig, pl. egész nyáron kell exponálni. Személyi doziméterbe az 5.3-ban bemutatott OWLS módszerrel kiértékelhető chipet építve ez az expozíciós idő — a kiértékelés érzékenységének jelentős javulása miatt — mintegy tizedére csökkenthető. Munkahelyeken a szabadban dolgozókat érő természetes UV sugárzáson kívül mesterséges fényforrásokkal is találkozhatunk. Ez utóbbiak biológiai hatékonysága több nagyságrenddel meghaladhatja a napsugárzásét. Az UV fény kibocsátással járó ipari
folyamatok
közül
biológiai
hatékonyság
szempontjából
a
különféle
ívhegesztési/vágási folyamatok a legfontosabbak. Az ívhegesztés a helyi gyors javítások egyik gyakori módszere, ilyenkor a környezetre figyelés ¾ beleértve a segítőket is ¾ másodlagos szokott lenni. Az ív UV kibocsátása nagymértékben függ a hegesztési technológiától, a hegesztendő anyagtól, a védőgáztól. A hegesztő munkája során igen közel kerül az UV forráshoz, ami ellen megfelelő ruházattal és nagyméretű sötét álarccal lehet védekezni. A segítők azonban igen gyakran nem használnak védőeszközöket, így az UV sugárzás káros hatásai elsősorban náluk jelentkeznek. Az argon védőgázas aluminium hegesztésnél az acél hélium védőgázos plazma-megmunkálása— azonos áramerősség mellett, azonos távolságban —100-szor nagyobb biológiai kockázatot jelenthet. Az első esetben 10 méteres körön
75
kívül akár a teljes munkanap alatt szabad tartózkodni, amíg a másik esetben ez 10 méteres távolságban is csak 5 perc lehet. Az uracil vékonyréteggel mérhető az elszenvedett UV sugárzás biológiai hatékonysága, és ezáltal a megfelelő munkahygienés előírások betartásával a krónikus szemgyulladás, a szürkehályog, a látásromlás, a kézen és az arcon idősebb korra megjelenő bőrrák elkerülhetővé válik. A hegesztést végző a dozimétert a fejpántján, a sapkáján vagy nyakba akasztva, segítői karszalagon, vagy ruházatra tűzve viselhetik. Sliney
spektroradiométerrel
nyert
adatait
felhasználva
[91]
négy
különféle
munkafolyamatra végeztem el az uracil vékonyréteg doziméterre, mint személyi dózismérőre vonatkozó értékek kiszámítását. Az 5.2. táblázat a vizsgált négy folyamat adatait tartalmazza:
5.2. táblázat. Négy különböző, gyakran használt hegesztési folyamat műszaki ismérvei Folyamat Elektróda védőgáz áramarősség távolság I.
PAW Plazmavágás
II.
PT-15
(A)
(cm)
N2
300
190
Ar
300
100
CO2
150
100
He
275
100
3,5 mm Æ
16 mm lágyacél
6 mm ív
GTAW
EWTh-2
védőgázas ívhegesztés
1,6 mm ív
wolfrám-elektródával
+3,2 mm el.
lágyacél III.
GMAW védőgázas ívhegesztés csupasz elektródával
LINDE 85 Æ 0,9 huzal
lágyacél IV.
GTAW védőgázas ívhegesztés wolfrám-elektródával lágyacél
EWTh-2 1,6 mm ív +3,2 mm el.
76
Az 5.9. ábra mutatja a különböző hegesztési eljárások adataiból számított, és EL szerint súlyozott El × S lEL × Dl mennyiségeket. E mennyiségek összege az egy másodpercre vonatkoztatott EL dózist adja, aminek reciproka a megengedett expozíciós idő másodpercben. El/s·nm
a biológiai hatékonyság teljesítménysûrûsége (EL/s) 0.016 0.014 0.012 0.01 0.008 I.
0.006 0.004
II.
0.002
III.
0
IV. 200
220
240
260
280
hullámhossz (nm)
300
320
IV. 340
I. 360
5.9. ábra. Négyféle hegesztési folyamat esetén a dózisteljesítmény spektrális eloszlása EL szerint
A védőfelszerelés nélkül megengedett expozíciós időket az 5.3. táblázat tartalmazza. A táblázatban ezen kívül az uracil doziméter optimális kiértékeléséhez szükséges ODváltozás expozíciós idejét is feltüntettem. A táblázatból kitűnik, hogy a dozimétert az optimális mértékig a napi megengedett dózisnak kb. hatszorosa exponálja, tehát bármelyik ívhegesztés esetén az exponált EL érték az uracil dózismérő változása alapján kielégítő pontossággal becsülhető. A mérés optimális intervalluma: 4-8 EL.
77
5.3. táblázat. Hegesztési eljárásokra számított, naponta megengedhető, valamint az uracil doziméter kiértékeléséhez szükséges expozíciós idők. Arányuk a doziméter cseréjének idejére, valamint a munka veszélyességére nyújt információt megengedett
a
doziméter arány
expozíciós idő jellemző (s)
változásához szükséges expozíciós idő (s)
I.
305
2052
6,7
II.
31
213
6,9
III.
25
148
5,9
IV.
12
67
5,5
Példaként a csírátalanításra használt germicid lámpa esetére meghatároztam a napi megengedhető expozíciós időt. Alapul az EL hatásspektrumot véve a határdózis
EL254 = 1 / 0 , 17 » 6
mJ . cm2
Egy 20 W elektromos teljesítményű germicid lámpa 254 nm hullámhossznál kb. 2 W fény teljesítményt emittál; tehát 1 m távolságból az intenzitás:
I 254 »
2 P mW = = 0, 016 2 . 2 2 4r p 4 × 100 × p cm
Ebből a megengedett expozíciós idő: t max
EL254 = = I 254
mJ cm 2 = 375s . mW 0, 016 2 cm
6
Tehát a megengedett expozíció a germicid lámpa közelében kb. 6 perc. Ha bekapcsolt germicid lámpa mellett kell munkát végezni (pl. műtőkben, bizonyos tipusú steril boxok előtt), akkor ajánlott az uracil vékonyréteg doziméter viselése. Ezenkívül
mindig
hordjunk
szemüveget,
78
mert
az
UV
sugárzás
először
kötőhártyagyulladást okoz. A bőrpír kb. 24 óra múlva jelentkezik a germicid lámpa esetében. Az uracil vékonyréteg dózismérő rendszeres viselése és havonta történő visszamérése az átlagos napi megengedett dózis 25%-át igen pontosan méri. Hasznos eszköz, mert rendszeres használatával megvalósítható az igen kis elszenvedett dózis detektálása.
5.5. Szoláriumcsövek minősítése
Uracil vékonyréteggel meghatároztuk 10 különböző típusú, kereskedelemi forgalomban levő szoláriumcső 72 órás uracil dózisát új állapotban, majd ugyancsak 72 órás üzemeltetés után. Az eredményeket az 5.4. táblázatban foglaltam össze. 5.4. táblázat. Szoláriumcsövek uracil dózisa 0- 72, illetve 72-144 üzemóra alatt
Sorszám
Típus
HU (első 72 óra)
HU (második 72 óra)
T360
Hellarium
1.24
1.31
T361
Super Gold
1.19
1.16
T362
Super Bronz
1.46
1.38
T363
Bermuda Gold
1.21
1.13
T364
Philips TL Prof. 0.71
0.62
T365
Euro Sun S3
1.67
1.69
T366
Goldarium S.
0.64
0.65
T367
Bellarium S.
0.87
0.78
T368
Brillant Sun P.
0.52
0.50
T369
Beauty Sun
1.38
1.30
A táblázat 3. oszlopának adatait új csövekkel, 72 órán keresztül történő besugárzás alatt, míg a 4. oszlop adatait ugyanazokkal a csövekkel újabb 72 órás besugárzás alatt kaptuk. A biológiai hatékonyságban a csövek öregedésével lassan csökkenő változást tapasztaltunk, azonban az adatok statisztikai elemzése nem mutatott szignifikáns különbséget az első és a második 72 órás dózisok között. Így a csövek öregedésével, és
79
a spektrális irradiancia eltolódásával csak hosszabb alkalmazási periódus elteltével kell számolnunk. Az 500-750 óránál régebben üzemelő csövek emissziós spektruma a rövidebb, veszélyesebb hullámhosszak felé tolódhat el, miközben kozmetikai hatékonyságuk csökken. Ilyenkor, bár a szolárium egyre veszélyesebb tartományban emittál, a páciensek hosszabb ideig tartózkodnak ott a kívánt barnulás elérése érdekében. A két ellentétes folyamat növeli a szolárium használatának kockázatát, aminek elkerülésére a csöveket a katalógusban megadott gyakorisággal cserélni kell: egy rendszeresen használt szolárium esetében ez a gyakoriság elérheti az évi 3-4 cserét is. Sajnos, tapasztalataink szerint üzleti okokból a szalonok üzemeltetői ritkán tartják be ezeket az ajánlásokat. Az 5.4. táblázat szerint a T365 és a T362 jelzésű csövek esetében 2-3-szor nagyobb HU dózist mértünk, azaz 2-3-szor több dimerizációt okoztak, mint a T368, a T366 és a T364. Ez az érték felülmúlja a kísérleti hibákat, ami legfeljebb 10-15%-os [34]. A biológiai hatékonyságban tapasztalt szignifikáns különbségek felhívják a figyelmet a csövek
minősítésének
fontosságára.
További
elemzésre
három
különböző
szoláriumcsövet választottunk ki: a T362 nagy, míg a T364 és a T367 csövek kisebb hatékonysággal rendelkeznek uracil-dimér képzést tekintve. Spektroradiometriai mérésekkel egy adott UV forrás biológiai hatékonyságát nem, csupán fizikai jellemzőit lehet meghatározni. A szoláriumok jellemzéséről szóló ajánlások szerint [40, 130] a cső minősítése a bőrpír kiváltását okozó hatékonyságon (MEDi º a hiteles RB mérőről leolvasható MED érték) alapulhat, amit a sugárforrás spektrumában az UVB/UVA arány határoz meg. Az 5.10. ábra összhasonlítja az UVA és az UVB tartomány szerepét a T364 cső esetére olymódon, hogy a hullámhossz szerint kumulált biológiai hatást (dimerizációt illetve a bőrpír keltést) ábrázolja a hullámhossz függvényében. Az ábrából látható, hogy a dimerizáció lényegesen nagyobb arányban jön létre az UVB (~99%), mint az UVA (~1%) tartomány hatására: 320 nm környékén szinte a maximumát éri el, míg az erythema-indukciós hatás e hullámhossz-tartományban csak mintegy 40%-os. Az
80
ábrából az is kitűnik, hogy az UVB (~50%) és az UVA (~50%) tartományok kb.
Relatív biológiai gatékonyság összege
hasonló mértékben járulnak hozzá a bőrpirosodás keltéséhez.
hullámhossz
5.10. ábra. A kumulált biológiai hatás kialakulása T364 szolárium-cső esetén. Szaggatott vonal uracil vékonyréteg doziméter; folytonos vonal erythema indukció szerint. A függvény a 280 nm-es hullámhossztól az adott hullámhosszig összegzett biológiai hatékonyságot adja meg Az erythema indukció valamint az uracil-dimerizáció hatékonysági arányait az UVB és az UVA tartományokra nézve az 5.5. táblázatban foglaltam össze a három részletesebben vizsgált szoláriumcső esetében. A spektrumban az UVB arány a T367 esetében a legnagyobb, ezzel szemben az UVB tartomány ennél a csőnél valamivel kisebb mértékben vesz részt az erythema-képzésben, mint a T362 esetében. Az uracil dimerizáció tekintetében pedig a T362 több mint 5-ször hatékonyabbnak bizonyult a T367-hez képest.
81
5.5. táblázat. Szoláriumcsövek UVB/UVA aránya erythema-képző hatás és uracil dimerizáció szerinti súlyozással Csőtípus
UVB%
Erythema
Uracil
indukció
dimerizáció
UVB/UVA
UVB/UVA
103*HU/MEDi
T362
1.85
1.83
772
5.49
T364
1.73
1.01
129
1.74
T367
3.37
1.78
145
2.31
A táblázatból kitűnik, hogy a pirimidin fotoadduktumok képződése inkább az UVB régióban, az erythemát okozó hatások pedig az UVA tartományban jelentkeznek viszonylag nagyobb mértékben [22, 23, 48]. Ezek szerint mindkét UV régió rendelkezik egészségkárosító hatásokkal, ezért a szoláriumcsövek hatékonyságának jellemzésében sem az UVB, sem az UVA jelentőségét nem szabad alábecsülni. A hazai szolárium-engedélyezési gyakorlat csupán az UVB tartomány arányát korlátozza: nem enged meg nagyobbat 5%-nál. A bemutatott mérési eredményekből kitűnik, hogy az uracil-dimerizáció (DNS sérülés) mértékét nem csak a spektrum UVB/UVA aránya határozza meg. A szoláriumcsövek minősítésére az 5.5. táblázat adatait figyelembe véve egy kombinált módszert javasolunk. A táblázat utolsó oszlopa mutatja a vizsgált csövekre kiszámított HU/MEDi arányt, ami az egyes csövekre nézve a dimerizációs és erythema-indukciós hatások egymáshoz való viszonyát jellemzi. A biológiailag hatékony uracil dózist, a HU-t, direkt mérésekből határoztuk meg, az erythemát okozó dózist, a MEDi-t a MED hatás-spektrum segítségével, spektroradiometriás mérésből számoltuk. A HU/MEDi arány nagysága véleményünk szerint alapja lehet a csövek osztályozásának. A nagyobb HU/MEDi arány az UVB sugárzás nagyobb hatékonyságát jelzi, ennélfogva az 5.5. táblázat szerint a T362 jelzésű cső az UVB tartományban hatékonyabb, míg a T364 cső hatékonysága az UVA tartományban kifejezettebb. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy a megfelelő spektrális érzékenység karakterisztikájának következtében
82
az uracil doziméter alulbecsüli az UVA sugárzás erythemát okozó hatását, míg az RBmérő (MED spektrális érzékenységgel) alábecsüli az UVB dimerizációs hatását. Összehasonlításul megemlítjük, hogy a 103*HU/MEDi arány átlagos értéke 1995. májustól augusztusig Közép-Európában (47.5° szélesség) természetes környezeti sugárzásra 2.5 volt [7, 49], tehát a leginkább a T367 cső áll közel a középeurópai nyári sugárzási viszonyokhoz.
5.6. Szabadtéri UV dozimetria
Az uracil doziméter dinamikus mérési tartománya 0.2 és 1.4 HU közé esik, ami környezeti sugárzásból körülbelül 100-600 MED-nek felel meg. Ez a mérési tartomány az uracil vékonyréteget különösen alkalmassá teszi a hosszútávú UV monitorozásra. Folyamatos monitorozás során évszaktól, földrajzi elhelyezkedéstől függően eltérő gyakorisággal kell cserélni a dozimétereket [5, 6, 82]. A hazai mérőhelyeken 4 éven keresztül tartósan végzett monitorozás eredményeit az 5.11. ábra mutatja. Az ábrán az 1995-től 1998-ig mért adatok átlagait tüntettük fel. A dózisteljesítményt januártól decemberig 2-2 hetenkénti bontásban, 30 napra vonatkoztatott uracil dózisegységekben adtuk meg, ami megfelel. az ú.n. éves sugárzási/sugárterhelési profilnak A monitorozást RB-mérővel, részben az OMSZ adatai, részben saját doziméterrel ugyancsak elvégeztük. Az 5.12. ábrán négy RB mérővel végzett hazai monitorozás átlagait tüntettük fel. Az 5.11. és 5.12. ábrán bemutatott eredményekhez a következő megállapításokat fűzzük: ·
az uracil dózismérővel végzett monitorozás 1995 nyarán kiemelkedően nagy értéket mutatott, ami a következő évek hasonló időszakában nem jelentkezett;
·
hiányzott ez a kiugró érték az 1995. évi RB-mérővel nyert adatokból is;
·
a kiemelkedő értékek sem az ózonértékekkel, sem a napfolttevékenységgel, sem az esetleges vulkáni tevékenységgel nem mutatnak korrelációt: a jelenség elfogadható magyarázatát mindeddig nem sikerült megtalálnunk.
83
5.11. ábra. Uracil dózismérőkkel 1995-1998 között mért dózisértékek 2-2 hetenkénti bontásban; a dózisteljesítményt 30 napra vonatkoztatott uracil dózisegységekben adtuk meg
600
MED/ 30 nap
500
1995 1996 1997
400 300 200 100 0 1-Jan
31-Mar
29-Jun
27-Sep
26-Dec
5.12. ábra. RB mérőkkel 1995-1997 között mért dózisértékek 2-2 hetenkénti bontásban; a dózisteljesítményt 30 napra vonatkoztatott MED dózisegységekben adtuk meg
84
RB mérőkkel és uracil vékonyréteggel együtt végzett párhuzamos monitorozás alkalmas arra, hogy hasonlóan a mesterséges UV forrásokhoz, a környezeti UV sugárzás minőségét (spektrális összetételét) is jellemezzük. Az 1995. évi összes biológiailag hatásos dózis átlaga RB mérőkkel mérve 2630 MED. Ugyanebben az évben uracil doziméterrel 5.17 HU kumulált dózist mértünk. Így az fU - MED transzformációs konstans a teljes évre 509 MED/HU, míg a nyári időszakra 451
MED/HU. 1996-ban RB-mérőkkel 2050 MED-et, uracil doziméterrel pedig 2.75 HU kumulált dózist mértünk. Az fU - MED konstans erre az évre 745 MED/HU-nak adódott. 1996-1998-ban a nyári időszakokban, amikor a Nap magasan delel, kedvezőtlen volt az időjárás. Ezt olvashatjuk le az 5.11. és 5.12. ábrákról, ennek felel meg az a tény, hogy a földfelszínt kevesebb rövidebb hullámhosszúságú komponens érte, mint 1995-ben. Ezek a körülmények okozzák azt, hogy az átszámítási faktor éves átlaga megnövekedett, ami a biológiai kockázat szempontjából kedvezőbb spektrális összetételt jelent. Mérési eredményeink és számításaink arra mutatnak, hogy uracil vékonyréteg doziméterrel - végezhető szabadtéri monitorozás; - megfelelően megválasztott széles hullámhossztartományban integráló dozimétert
választva az uracil vékonyréteg doziméter kiegészítő párjául nemcsak a mesterséges sugárforrások; hanem a nap sugárzási tere is jellemezhető a két különböző doziméterrel meghatározott biológiailag effektív dózis arányával.
Biológiailag hatásos UV sugárzás mérését, ill. monitorozását több különböző földrajzi szélességen is végeztük [5, 6, 82]. Az 5.6. táblázatban összefoglaltuk azokat a mérőhelyeket, ahol mérési adatokat gyűjtöttünk
részben
rendszeres,
részben
eseti
nemzetközi
interkalibrációs
mérőkampány keretében. Egyúttal feltüntettük a mérőhelyek földrajzi szélességeit, valamint a párhuzamosan alkalmazott dózismérési eljárásokat is.
85
5.6. táblázat. Biológiailag hatásos UV sugárzás mérése különböző földrajzi szélességeken Mérőhely Abisko Sylt Budapest Nea Michaniona Kaduna Cachoeira Paulista Cape Town Sydney Antarktisz
Szélesség 68°N 55°N 47.5°N 41°N 10°N 22°S 33°S 33°S 62°S
T7 + + +
Uracil + + + + + + + + +
RB + + + +
eseti 1998 június monitorozás 1996-tól monitorozás 1995-től eseti 1997 július monitorozás 1997-1998 monitorozás monitorozás 1995-96 Monitorozás 1996 1999-2000-2001
A monitorozás egyik fontos célja volt, hogy a biológiai dózismérési eredménysorozatokon kívül részben RB-mérőkkel, részben spektroradiométeres méréssel összehasonlító adatokat nyerjünk. Uracil doziméterrel rendszeres monitorozást Magyarországon kívül Nigériában (Kaduna, 10°N), a Dél-Afrikai Köztársaságban (Fokváros, 33°S) és Ausztráliában (Sydney, 33°N), valamint a Déli-Sarkon, a brazil Antarktisz-állomáson végeztünk. Eredményeink közül az 5.13. ábrán Nigériában 1997 második felétől (július) rendszeresen végzett méréseket mutatjuk be. Az ábra az éves profilt (1997 végét, valamint 1998 elejét) mutatja, amiből kitűnik, hogy a 30 napra vonatkoztatott dózisteljesítmény kb. 2-3-szorosa a hazai klimatikus viszonyok között mért legnagyobb, azaz nyári dózisteljesítményeknek. Ez a különbség jól magyarázható a hazai és a kadunai földrajzi szélességek közti eltérésekkel. A kadunai éves profilban kimutatott nagymértékű változás a napsütést eltakaró porfelhővel magyarázható.
86
3 2.5
HU/30 nap
2 1.5 1 0.5 0 Jan/01 Mar/02 May/02 Jul/02 Sep/01 Nov/01 Jan/01
5.13. ábra. Nigériában (Kaduna 10°N) uracil dózismérővel 1997 végén, 1998 elején mért (szaggatott vonal), valamint a hazai klimatikus viszonyok közt, 1998-ban mért (folytonos vonal) éves profil
Az 5.6. táblázatban felsorolt mérőhelyek közül RB-mérővel nyert adatok Abisko, Nea Michaniona és Budapest esetében álltak rendelkezésre.E mérési eredmények valamint modellszámítások
alapján
a
megfelelő
földrajzi
szélességekre
meghatározott
biológiailag hatásos dózisokat foglaltuk össze az 5.7. táblázatban. A táblázat a T7 fág, uracil és MED dózisokat (dózisteljesítményeket) tartalmaz, amik az Északi Sarktól az Egyenlítőig helyezkednek el. A napspektrum rövid hullámhosszúságú komponenseinek aránya északról dél felé haladva növekszik, részben az ózonréteg eltérő vastagsága, részben pedig az eltérő napállás miatt. A méréseket a nyári napfordulóhoz közeli napok egyikén végeztük, a számításokat pedig június 21.-ére hajtottuk végre. Minden mérést ill. számítást a Budapestre vonatkozó adatokhoz viszonyítottunk.
87
5.7. táblázat. Mért és számított T7 fág, uracil és MED dózisok különböző földrajzi szélességeken Mérőhely Abisko Mért Számított Budapest Mért számított Nea Michaniona Mért számított Kaduna Mért számított
T7 fág
Uracil
RB-mérő
Ózon (DU)
0.58 0.49
0.25 0.42
0.67 0.61
350
1 1
1 1
1 1
350
1.52 1.34
1.6 1.5
1.34 1.21
320
n.a. 1.98
2.5 2.81
n.a. 1.43
230
A táblázatból kitűnik, hogy Nigériában – a várakozásoknak megfelelően – a MED értékek (RB-mérő spektrális érzékenységével számítva) 40%-kal nagyobbak, mint a Magyarországon mért, ill. számított adatok. Ezzel szemben mind méréseink, mind számításaink szerint pl. az uracil dózisok Nigériában 2.5-3-szoros értékeket adtak. Ha a két szélső mérőhelyet, Abiskot és Kadunát hasonlítjuk össze, akkor a T7 fág dózisnál kb. 4-szeres, az uracil esetében 11-szeres, míg a MED esetében alig több, mint 2-szeres eltérést kaptunk. A kimutatott jelentős eltérések T7 és uracil biológiai dózismérőink nagy érzékenységét jelzik a rövidebb UV hullámhosszakra nézve. Jelen eredményünk arra hívja fel a figyelmet, hogy többlet-UV terhelést, és ezzel jelentősen megnövekedett biológiai kockázatot vállalnak azok, akik pl. nyári szabadságunk idején a déli országokba utaznak. E kockázat megnövekedését nemcsak a napsugárzás spektrális összetételének és intenzitásának a “már otthon megszokottól” való eltérése, hanem a viselkedési szokások megváltozása is okozza.
5.7. Modellszámítások
Példaként két, besugárzó referencia-laboratóriumunkban alkalmazott sugárforrás esetén elvégzett számításon keresztül szeretném bemutatni a sugárzási térnek, a detektor típusának valamint térbeli elhelyezkedésének hatását a doziméter kimenő jelének
88
nagyságára. E számítások egyrészt a kísérletek tervezésénél, másrészt a besugárzás ellenőrzésekor a detektor pozíciójának meghatározásánál jelentősek. Sugárforrásokként egy, illetve négy, egymással párhuzamosan elhelyezett fénycsőből álló rendszer szolgált, méretük a kereskedelmi forgalomban kapható szabványos méretű UV lámpák kiterjedésével azonos: 5x40 cm, henger alakú fénycsövek. Feltételeztem, hogy spektrális irradianciájuk megegyezik, és a relatív besugárzott teljesítményt számítottam, ahol a viszonyítási alapot mindig az elrendezés geometriai középpontja alatt mérhető dózisteljesítmény képezte. Ilyen körülmények között mód nyílik a sugárzás térbeli eloszlásának, és a detektor térszögtől függő érzékenységének, valamint pozíciójának egymásrahatását vizsgálni. A modellszámításban használt detektorok spektrális érzékenységben nem, csak térszögtől függő érzékenységükben térnek el egymástól, egyikük cosinus törvény szerinti, másikuk úgynevezett 2p típusú érzékenységgel rendelkezik. Ez utóbbi detektor a tér bármely irányából beeső sugárzást konstans súlytényezővel érzékeli. Az 5.14. ábra a lámpa, illetve a lámparendszer geometriai középpontja alatt mérhető relatív dózisteljesítmény nagyságát mutatja a távolság függvényében mindkét típusú detektor esetén. Az ábrából látható, hogy a 2p doziméter kimenő jelét 10 cm távolságban egységnyinek tekintve, attól távolodva mind az egy lámpából, mind a négy fénycsőből álló rendszer esetén a dózis/dózisteljesítmény jelentősen csökken: kb. 20 cm távolságnál éri el az eredeti érték felét. A cos-típusú doziméter dózis/teljesítmény—távolság görbéje végig alatta fut a 2p doziméterhez tartozónak, és meredeksége is sokkal kisebb. Elég nagy távolságban (kb. 50-60 cm) a mérhető dózis/teljesítmény gyakorlatilag független a doziméter térszögtől függő érzékenységétől. E távolság függ a lámpa hosszától: azt mondhatjuk, hogy minél rövidebb az alkalmazott fényforrás, annál közelebb van az a pont, ahonnan azt a doziméter gyakorlatilag pontszerű forrásként érzékeli. Mindezek a megállapítások természetesen csak abban az esetben igazak, ha a doziméter érzékelő felületének normálisa éppen a lámpa középpontjára mutat.
89
dózis/teljesítmény relatív egységben
1.0 0.9 2p
0.8 0.7 0.6
cos
0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 10
20
30
40
50
60
cm
távolság a geometriai középponttól
5.14. ábra. A fényforrás középpontja alatt mérhető relatív dózis vagy dózisteljesítmény a távolság függvényében cos-típusú és 2p érzékenységű doziméterrel mérve; folytonos vonal: egy fénycső 2p doziméter, körökkel jelölt szaggatott vonal egy fénycső costípusú doziméter, négyszöggel jelölt folytonos vonal négy fénycső 2p doziméter, szaggatott vonal négy fénycső cos-típusú doziméter Az 5.15. ábra mutatja az egyetlen fénycsőből álló rendszer alatt, a lámpa síkjával párhuzamos helyzetű, attól 48 centiméterre fekvő sík különböző pontjaiban a doziméterek kimenő jelét, amit relatív egységben fejeztem ki. A szimmetria viszonyok miatt a lámpa egyik oldalán a cosinusos, a másikoldalán a 2 p dozimétrrel kapható értékek láthatók. Viszonyítási alapul mindkét esetben a lámpa geometriai közepe alatt mérhető kimenőjel szolgált. A kapott felület 0 cm keresztirányú és hosszirányú távolságban mind 2p, mind costörvény szerinti esetben az 5.14. ábra 48 cm pontjához tartozó normált érték. Az 5.15. ábrából látható, hogy a lámpa középpontjától hosszirányban távolodva a csökkenés kisebb mértékű, mint keresztirányban. Amint a doziméter elhagyja a lámpa e síkra eső vetületét, akkor a dózis/teljesítmény meredekebben csökken, mint addig. A csökkenés jóval jelentősebb cos-típusú doziméter esetén. A csökkenés az eltérő dozimétertípusok esetén nem korrelál egymással.
90
relatív fluencia/irradiancia
1
0.9
0.8
0.7
0.6 cm 50 40
0.5 30 0.4
0.3 cm -25
25
2p
COS
20 15
-20 -15 -10
keresztirányú távolság
10 -5
-4
-2
0
0
hosszirányú távolság
5 2
4
keresztirányú 5 távolság
10
15
20
cm 25
0
5.15. ábra. A relatív dózis/teljesítmény változása egy fénycsőből álló sugárforrással párhuzamos, attól 48 cm-re lévő síkban mérve; bal oldal 2p, jobb oldal cos-típusú doziméterrel mérve Az 5.14. és 5.15. ábrák összevetésekor kitűnik, hogy a dózis/teljesítmény mérésekor nemcsak a doziméter és a fényforrás térbeli elhelyezkedése, hanem az orientáció, az irányultság is fontos szerepet játszik. Ha a második esetben a doziméter mindig a lámpa felé mutatott volna, az általa mért értékek a lámpa középpontjára merőleges egyenes mentén az első eset számításait adnák vissza. E számítások jelentőségét kiemeli, hogy a különféle kísérletekben használt biológiai rendszerek nagy része 2p érzékenységű, míg a dózisok mérésére, ellenőrzésére általában fizikai mérőkészülékeket használnak, amelyek szinte mindegyike cosinuszos érzékenységet követ. Számításaim szerint a mért dózis korrekciója még azonos spektrális érzékenységek esetén is szükséges: - eltérő térszögtől függő érzékenység esetén minden olyan esetben, amikor nem
lehetséges a lámpa középpontja alatt, és attól kellő távolságban végrehajtani a besugárzást, illetve a dózismérést; - azonos térszögtől függő érzékenységek esetén, ha a vizsgált rendszer besugárzása
és az ellenőrző dózis/teljesítmény mérése nem azonos helyen történik.
91
6. Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani Dr. Rontó Györgyi professzorasszonynak, a Biofizikai Kutatócsoport vezetőjének a hathatós támogatásáért és segítségéért, Gróf Pál docens
úrnak,
témavezetőmnek
az
elméleti
és
gyakorlati
diszkussziókért,
útmutatásokért, Fekete Andrea docens asszonynak a gyümölcsöző együttműködésért, Gáspár Sándor, Bérces Attila, Tarján György kollégáimnak, valamint Tóth Zoltánnak és Nagy Zoltánnak, az Országos Meteorológiai Szolgálat munkatársainak a szabadtéri mérésekben nyújtott segítségükért. Külön köszönettel tartozom Csúcs Gábornak, Horváth Róbertnek és Papp Elemérnek az OWLS módszerrel végzett közös munkánkért.
92
7. Rövidítések ACGIH
American Conference of Governmental Industrial Hygienists
BED
Biologically Effective Dose
BIODOS
Development of biological dosimetry systems for monitoring the impact of solar UVB radiation on the biosphere and on human health
CIE
Commission Internationale de l´Eclairage
DLR
Deutsche Forschungsanstalt fuer Luft- und Raumfahrt e.V.
DMSO
dimethyl-sulfoxid
DU
Dobson Unit
EL
Exposure Limit
GCS
Grating Couple Sensor:
IO
integrált optikai rendszerek.
IRPA
International Radiation Protection Association
INIRC
International Non-Ionizing Radiation Committee
MED
Minimal Erythema Dose
MEDI
a hiteles RB mérőről leolvasható MED érték
MTA-SE
Magyar Tudományos Akadémia-Semmelweis Egyetem
NIOSH
National Institute for Occupational Safety and Health
OD
Optikai Denzitás
OMSz
Országos Meteorológiai Szolgálat
OWLS
Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy:
RB-méter
Robertson-Berger méter
TE
transzverzális elektromos
TM
transzverzális mágneses
UNEP
United Nations Environment Programme
WMO
World Meteorological Organisation
WMS
Waveguide Mode Spectroscopy
93
8. Irodalomjegyzék [1]
A Market Report on Optical Disk Drives: CD-ROMS Are Very Hot; Others Are Not, Photonics Spectra, 11 (1994) 212-220.
[2]
Armstrong B. K., A. Kricker: Epidemiology of sun exposure and skin cancer. Cancer Surv. 26 (1996) 133-153.
[3]
Autier P., J-F. Dore, F. Lejeune: Cutaneous malignant melanoma and exposure to sunlamps or sunbeds: an EORTC multicenter case-control study in Belgium, France and Germany. Int. J. Cancer 58 (1994) 809-813.
[4]
Bahaa Saleh E. A., M. C. Teich: Fundamentals of Photonics, Wiley Publishers, New York, 1991
[5]
Bérces A. : A környezeti UV sugárzás biológiai hatásának mérése, PhD értekezés, (2000), Budapest
[6]
Bérces A., A. Fekete, S. Gáspár, P. Gróf, P. Rettberg, G. Horneck, Gy. Rontó: Biological UV dosimeters in the assessment of the biological hazard from environmental radiation. J Photochem Photobiol B. Biol. 53 (1999) 36-43.
[7]
Bérces A., S. Gáspár, A.Fekete , Z. Kuluncsics: Biological effectiveness of environmental radiation in surface measurements by phage T7. J Photochem. Photobiol. B: Biol 31 (1995) 87-90.
94
[8]
Bérces A., S. Gáspár, Gy. Rontó: Biological UV dosimetry of environmental radiation based on DNA damage, Fundamentals for the Assessment of Risks from Environmental Radiation, C. Baumstark-Khan et al eds.Kluwer Academic Publishers, Hollandia, (1999) 141-148
[9]
Berger D.S.: The sunburning ultraviolet meter: design and performance, Photochem. Photobiol. 24 (1976) 587-593.
[10]
Björn L.O., A. H. Teramura: Simulation of Daylight Ultraviolet Radiation and Effects of Ozone Depletion in Environmental UV Photobiology, Plenum Press, New York (1993) pp. 41-71.
[11]
Björn L.O.: Estimation of fluence rate from irradiance measurements with a cosine-corrected sensor J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 29 (1995) 179-183.
[12]
Blumthaler M., W. Ambach, R. Silbernagl, J. Staehelin: Erythemal UV-B irradiance (Robertson-Berger sunburn meter data) under ozone deficiencies in winter/spring 1993, Photochem. Photobiol. 60 (1994) 657-659
[13]
Brash D. E., J. A. Rudolph, J. A. Simon: A role for sunlight in skin cancer: UVinduced p53 mutations in squamous cell carcinoma. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 88 (1991) 10124-10128.
[14]
Buma A.G.J., W.W.C. Gieskes: UVB Radiation and Ecosystems in Polar Regions, Invited paper, EC Advanced Study Course, Bad Honnef, 1998.
[15]
CIE Research Note, A reference action spectrum for ultraviolet induced in human skin. CIE . , 6 (1987) 17-22.
95
[16]
Cirone P. A. , P. Bruce Duncan: Integrating human health and ecological concerns in risk assessments. J. Hazard Mater 78 (2000) 1-17.
[17]
Clingen P. H., C. F. Arlett, L. Roza, T.Mori , O.Nikaido , M. Green: Induction of Cyclobutane pyrimidine dimers, pyrimidine(6-4)pyrimidone photoproducts, and Dewar valence isomers by natural sunlight in normal human mononuclear cells. Cancer Res. 55 (1995) 2245-2248.
[18]
Coldiron B. M.: Thinning of the ozone layer: Facts and consequences. J. Am. Acad. Dermatol. 27 (1992) 653-662.
[19]
Coohill T.P.: Ultraviolet action spectra (280 to 380 nm) and solar effectiveness spectra for higher plants, Photochem. Photobiol. 50 (1989) 451-457.
[20]
De Gruijl , J. C. Van der Leun: Estimate of the wavelength dependency of ultraviolet carcinogenesis in humans and its relevance to risk assessment of stratospheric ozone depletion. Health Physics 67 (1994) 319-325.
[21]
DeLuisi J., J. Wendell, F. Kreiner: An examination of the spectral response characteristics of seven Robertson-Berger meters after long-term field use. Photochem. Photobiol. 56 (1992) 115-122.
[22]
Douki T., D. Perdiz, P. Gróf, Z. Kuluncsics, E. Moustacchi, J. Cadet, E. Sage: Oxidation of guanine in cellular DNA by solar UV radiation: biological role. J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 70 (1999) 184-190.
[23]
Fekete A., A.A. Vink, S. Gáspár, A. Bérces, K. Módos, Gy. Rontó, L. Roza: Assessment of the effects of various UV sources on inactivation and photoproduct induction in phage T7 dosimeter. Photochem. Photobiol. 68 (1998) 527-531.
96
[24]
Fidy J., K. Raksányi: Spectroscopic and kinetic study of the UV photochemistry of uracil thin crystal layers, Stud. Biophys. 71 (1978) 137-152
[25]
Fidy J., S. Gáspár, K. Raksányi: Chromatographic study of the UV photoproduct in uracil solid phase systems. Acta Biochim. et Biophys.Acad. Sci. Hung. 15 (1980) 65-71.
[26]
Fidy J.: A konformáció szerepe a nukleotid bázisok UV fotodimerizációjában, Kandidátusi. Értekezés, (1980) Budapest
[27]
Frederick J.E., E.C. Weatherhead: Temporal changes in surface ultraviolet radiation: a study of the Robertson-Berger meter and Dobson data records, Photochem. Photobiol. 56 (1992) 123-131
[28]
Freeman S.E., RW. Gange, J.C. Sutherland, E.A.Matzinger, B.M. Sutherland: Production of pyrimidine dimers in DNA of human skin exposed in situ to UVA radiation, J. Invest. Dermatol. 88 (1987) 430-433.
[29]
Furusawa Y., K. Suzuki, M. Sasaki: Biological and physical dosimeters for monitoring solar UV-B light. J. Radiat. Res. 31 (1990) 189-206.
[30]
Galkin O.N., I.P. Terenetskaya: 'Vitamin D' biodosimeter: basic characteristics and potential applications. J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 53 (1999) 12-19.
[31]
Gáspár S. , A. Bérces, P. Gróf, Gy. Rontó: Ultraviolet radiation dosimetry with uracil thin-layer sensors. In Proc. I. European Symposium, The Effect of Environmental UVB Radiation on Health and Ecosystems (1993) (Ed. by C. Nolan and H. Bauer) pp. 191-194. Office for Official Publ. EC. , Brussels, Luxembourg.
97
[32]
Gróf P., Gy. Rontó, A. Bérces, S. Gáspár: Biological UV dosimetry - present and future, in H. Ohzu and S. Komotsu (eds.), Optical Methods in Biomedical and Environmental Sciences, Elsevier, Amsterdam, 1994, 321-324.
[33]
Gróf P., S. Gáspár, A. Bérces.: Uracil thin layers in dosimetry of UV-radiation, In: Proc. Internat. Symp. on Biomedical Optics, Budapest, SPIE 2086 (1993) 420424.
[34]
Gróf P., S. Gáspár, Gy. Rontó: Use of uracil thin layer for measuring biologically effective UV dose, Photochem. Photobiol. 64 (1996) 800-806
[35]
Hodgson J.: Light, angles, action: Instruments for label-free, real-time monitoring of intermolecular interactions, Biotechnology, 12 (1994) 31-35.
[36]
Horneck G. : Quantification of the biological effectiveness of environmental UV radiation, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 31 (1995) 43-49.
[37]
Horneck G., P. Rettberg, E. Rabbow, W. Strauch, G. Seckmeyer, R. Facius, G. Reitz, K. Strauch, J.U. Schott: Biological dosimetry of solar radiation for different simulated ozone column thicknesses, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 32 (1996) 189-196
[38]
Horneck, G.: Development of biological dosimetry systems for monitoring the impact of solar UV radiation on the biosphere and on human health. BIODOS, Progress Report No.1. 1997.
[39]
Horváth R. , T. Kerékgyártó, G. Csúcs, S. Gáspár, P. Illyés, Gy. Rontó, E. Papp: The effect of UV irradiation on uracil thin layer measured by optical waveguide lightmode spectroscopy. Biosens Bioelectron. 16 (2001) 17-21.
98
[40]
International Radiation Protection Association / International Non-Ionizing Radiation Committee 1991a. Health issues of ultraviolet A sunbeds used for cosmetic purposes. Health Phys. 2 (1991) 285-288.
[41]
Jockers R., F. F. Bier, R. D. Schmid: Specific binding of photosynthetic reaction centers to herbicide-modified grating-couplers, Analytica Chemica Acta, 280 (1993) 53-59.
[42]
Kerékgyártó T., P. Gróf, G. Rontó: Influence of spectral and angular sensitivity on the readout of biological dosimeters. J.Photochem.Photobiol. B. Biol. 53 (1999) 27-35.
[43]
Kerékgyártó T., P. Gróf, Gy. Rontó: Production and basic application of uracil dosimeters for measuring the biologically effective UV dose, Central Europ. J. of Occupational and Environmental Medicine 3 (1997) 143-152.
[44]
Kielbassa C. , L. Roza, B. Epe: Wavelength dependence of oxidative DNA damage induced by UV and visible light. Carcinogenesis 1997: 18: 811-816.
[45]
Knuschke P., J. Barth: Biologically weighted personal UV dosimetry. J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 36 (1996) 77-83.
[46]
Kreamer K H.: Sunlight and skin cancer: another link revealed, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) 11-14.
[47]
Krutmann J., A. Kock, E. Schauer, F. Parlow, A. Moller, A. Kapp, E. Forster, E. Schopf, T.A. Luger: Tumor necrosis factor beta and ultraviolet radiation are potent regulators of human keratinocyte ICAM-1 expression, J. Invest. Dermatol. 95 (1990) 127-131.
99
[48]
Kuluncsics Z., D. Perdiz, E. Brulay, B. Muel, E. Sage: Wavelength dependence of ultraviolet-induced DNA damage distribution: involvement of direct or indirect mechanism. J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 1 (1999) 71-80.
[49]
Kuluncsics Z., P. Gróf: UV-B Monitoring Network in Hungary. Central European J. Occupational and Environmental Medicine 2 (1996) 357-366.
[50]
Kvam E., R. M. Tyrrell: Induction of oxidative DNA base damage in human skin cells by UV and near visible radiation. Carcinogenesis 1997: 18: 2379-2384.
[51]
Leszczynski Gy., K. Jokela, L. Ylianttila, R. Visuri, M. Blumthaler: Erythemally Weighted Radiometers in Solar UV Monitoring: Results from the WMO/STUK Intercomparison, Photochem. Photobiol. 67 (1998) 212-221.
[52]
Lever L. R., C. M. Lawrence: Nonmelanoma skin cancer associated with use of a tanning bed. N. Eng. J. Med. 332 (1995) 1450-1450.
[53]
Longstreath J., F.R. de Gruijl, M.L. Kripke, S. Abseck, F. Arnold, H.I. Slaper, G. Velders, Y. Takizawa, J. C. van der Leun: Health risk, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 46 (1998) 20-39
[54]
Lukosz W., K. Tiefenthaler: Directional Switching in Planar Waveguides Effected by Adsorption - Desorption Processes. 2nd European Conference on Integrated Optics, Florence 1983, Institution of Electrical Engineers (IEE). Conference Publication, London (1983) 152-155.
[55]
Lukosz W., K. Tiefenthaler: Embossing Technique for Fabricating Integrated Optical Components in Hard Inorganic Waveguiding Materials. Optics Letters, 8 (1983) 537-539.
100
[56]
Madronich S., R.L. Mckenzie, L.O. Björn, M.M. Caldwell: Changes in biologically active ultraviolet radiation reaching the Earth’s surface, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 46 (1998) 5-19
[57]
McKenzie R.L.: A Southern Hemisphere Perspective on Global UV Radiation, Special lecture at 7th ESP Congress, Stresa, Italy, 1997.
[58]
Meyer B., G. Seckmeyer: All-weather comparison between spectral broadband (Robertson-Berger meters) UV measurements, Photochem. Photobiol. 64 (1996) 792-799
[59]
Mischel J., J. Penman, T. Goggin, J. Shemitz, D. Taylor (Ed.): High Performance Delphi 3 Programming, Bk&Cd Rom edition London (1997)
[60]
Módos K., S. Gáspár, T. Kerékgyártó, A.A. Vink, L. Roza, A. Fekete: The role of the spectral sensitivitycurve in the selection of relevant biological dosimeters for solar UV monitoring J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 53 (1999) 27-35
[61]
Müller G. M., H. Meffert: Serial whole body irradiation with spectrum similar to sunlight downregulate CD8, CD11b, CD11c and CD18 antigen expression on human lymphocytes. In: Holick M F, Jung E G, ed. Biologic effects of light 1995. Berlin, New York: Walter de Gruyter, 1996
[62]
Munakata N., M. Saito, K. Hieda: Inactivation action spectra of Bacillus subtilis spores in extended ultraviolet, wavelengths (50-300 nm) obtained with synchrotron radiation, Photochem. Photobiol. 54 (1991) 761-768.
[63]
Munakata N.: Genotoxic Action of Sunlight upon Bacillus subtilis Spores: Monitoring Studies at Tokyo, Japan, J.Radiat. Res. 30 (1989) 338-351.
101
[64]
Munakata N.: Ultraviolet sensitivity of Bacillus subtilis spores upon germination and outgrowth, J. Bacteriol. 120 (1972) 59-65.
[65]
National Institute of Occupational Safety and Health. A Recommended Standard for Occupational Exposure to Ultraviolet Radiation. U.S. Department of Health, Education, and Welfare: Washington, D.C., 1972 (U.S. Government Printing Office No. 017-033-00012).
[66]
Noonan F. P., E. C. De Fabo: Ultraviolet-B dose-response curves for local and systemic immunosuppression are identical. Photochem. Photobiol. 52 (1990) 801810.
[67]
Petit-Frere C., P.H. Clingen, M. Grewe, J. Krutmann, L. Roza, C.F. Arlett, M.H. Green: Induction of interleukin-6 production by ultraviolet radiation in normal human-epidermal keratinocytes and in a human keratinocyte cell line is mediated by DNA damage, J. Invest. Dermatol. 111 (1998) 354-359.
[68]
Pierce T., E. Moss, S. W. Mitchell, J. H. Akers: Hazards of ultraviolet radiation, particularly artificial suntanning devices. J. Environ. Health 49 (1986) 76-80.
[69]
Quaite F.E., B.M. Sutherland, J.C. Sutherland: Action Spectrum for DNA Damage in Alfalfa Lowers Predicted Impact of Ozone Depletion, Nature, 358 (1992) 576-578
[70]
Quintern L., G. Horneck, U. Eschweiler, H. Bücker: A biofilm used as ultraviolet dosimeter, Photochem. Photobiol. 55 (1992) 389-395.
[71]
Ramsden J. J., D. J. Roush, D. S. Gill, R. Kurrat, R. C. Willson: Protein Adsorption Kinetics Drastically Altered by Repositioning a Single Charge, J. Am. Chem. Soc., 117 (1995) 8511-8516.
102
[72]
Ramsden J. J., M. Németh-Sallay, J. Vörös, I. Szendrő:Integrált optikai hullámvezető szenzor felületi adszorpció vizsgálatára, Fizikai Szemle, 47 (1997) 281-285
[73]
Ramsden J. J.: Concentracion Scaling of Protein Deposition Kinetics, J. Stat. Phys 71 (1993) 295-298.
[74]
Ramsden J. J.: Experimental methods for investigating protein adsorption kinetics at surfaces, Quarterly Reviews of Biophysics, 27 (1993) 41-105.
[75]
Ramsden J. J.: Partial Molar Volume of Solutes in Bilayer Lipid Membranes, J. Phys. Chem., 97 (1993) 4479-4483.
[76]
Ramsden J. J.: Partition coefficients of drugs in bilayer lipid membranes, Experientia, 49 (1993) 688-692.
[77]
Ramsden J. J.: Review of New Experimental Techniques for Investigating random Sequental Adsorption, J. Stat. Phys., 73 (1993) 853-877.
[78]
Regan J.D., H. Yoshida: DNA UVB dosimeters. J Photochem Photobiol B: Biol. 31 (1995) 57-61.
[79]
Regan J.D., W.L. Carrier, H. Gucinski, B.L. Olla, H. Yoshida, R.K. Fujimura, R.I. Wicklund: DNA as a solar dosimeter in the ocean. Photochem. Photobiol. 56 (1992) 35-42.
[80]
Rényi A.: A Magyar Tudományos Akadémia Matematikai Kutatóintézetének Közleményei, 3 (1958) 109.
103
[81]
Robert C., Muel B. , A. Benoit, L. Dubertret, A. Sarasin, A. Stary: Cell survival and shuttle vector mutagenesis induced by ultraviolet A and ultraviolet B radiation in a human cell line, J Investig Dermatol 1996: 106: 721-728.
[82]
Rontó Gy., A. Bérces, A. Fekete, T. Kerékgyártó, S. Gáspár, C. Stick: Monitoring of environmental UV radiation by biological dosimeters, Adv. Space Res. 26 (2000) 2021-2028
[83]
Rontó Gy., S. Gáspár, A. Bérces: Phages T7 in Biological UV Dose Measurement. J.Photochem.Photobiol. B.Biol.: 12; (1992) 285-294.
[84]
Rontó Gy., S. Gáspár, P. Gróf, A. Bérces, Z. Gugolya: Ultraviolet dosimetry in outdoor measurements based on bacteriophage T7 as a biosensor, Photochem. Photobiol. 59 (1994) 209-214
[85]
Roy C.R., H.P. Gies, D.J. Lugg, S. Toomey, D.W. Tomlinson: The measurement of solar ultraviolet radiation. Mutat. Res. 422 (1998) 7-14.
[86]
Sage E. : Distribution and repair of photolesions in DNA: genetic consequences and the role of sequence context. Photochem. Photobiol. 57 (1993) 163-174.
[87]
Sage E., B. Lamolet, E. Brulay, E. Moustacchi, A. Chteauneuf, E.A. Drobetsky: Mutagenic specificity of solar UV light in nucleotide excision repair-deficient rodent cells, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 93 (1996) 176-180.
[88]
Schwartz T.: Effects of UVA on the immune system. A settled issue? Eur. J. Dermatol. 6 (1996) 227-228.
104
[89]
Scotto J, G. Cotton, F. Urbach, D. Berger, T. Fears: Biologically effective ultraviolet radiation: surface measurements in the United States 1974 to 1985, Science 239 (1988) 762-764.
[90]
Seckmeyer G., B. Mayer, G. Bernhard: The 1997 status of solar UV spectroradiometry in Germany: Results from the National Intercomparison of UV spectroradiometers Garmisch-Partenkirchen, Germany (ed.: Seiler, W.) 1998, IFU
[91]
Sliney D. H., B. H. Freasier: The evaluation of optical radiation hazards, Appl. Opt. 12 (1973) 1-24.
[92]
Sliney D., M. Wolbarsht: Protection Standards for Non-Laser Optical Sources in D. Sliney, M. Wolbarsht (Eds.): Safety with Laser and Other Optical Sources, Plenum Press New York and London (1980) pp 331-333, 439-467
[93]
Sobolev I.: Effect of column ozone on the variability of biologically effective UV radiation at high southern latitudes. Photochem. Photobiol. 72 (2000) 753-765.
[94]
Sommer R. , A. Cabaj, T. Sandu, M. Lhotsky: Measurement of UV-radiation using suspensions of microorganisms, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 53 (1999) 1-6.
[95]
Spencer J. M., R. A. Amonette: Indoor tanning: risk, benefits, and future trends. J. Am. Acad. Dermatol. 33 (1995) 288-298.
[96]
Steinmetz M.: Continuous solar UV monitoring in Germany, J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 41 (1997) 181-187.
105
[97]
Sutherland B.M.: Action spectroscopy in complex organisms: potentials and pitfalls in predicting the impact of increased environmental UVB, J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 31 (1995) 29-34.
[98]
Sutherland J.C., A. Emrick, L.L. France, D.C. Monteleone, J. Trunk: Circular dichroism user facility at the National Synchrotron Light Source: estimation of protein secondary structure, Biotechniques 13 (1992) 588-590.
[99]
Szabó A., L. Stolz, R. Granzow: Surface plasmon resonance and its use in biomolecular interaction analysis (BIA), Current Opinion. Structural Biology, 5 (1995) 699-705.
[100] Tang X., S. Madronich, T. Wallington, D. Calamari: Changes in tropospheric composition and air quality. J Photochem. Photobiol. B. Biol. 46 (1998) 83-95. [101] Taylor H. R.: The biological effects of UV-B on the eye. Photochem. Photobiol. 50 (1989) 489-492. [102] Tevini M., A.H. Teramura: UV-B effects on terrestrial plants, Photochem. Photobiol. 50 (1989) 479-487. [103] Tiefenthaler K., W. Lukosz: Grating Couplers as Integrated Optical Humidity and Gas Sensors. Thin Solid Films 126 (1985) 205-211. [104] Tiefenthaler K., W. Lukosz: Integrated Optical Switches and Gas Sensors.Optics Letters, 9 (1984) 137-139. [105] Tiefenthaler K., W. Lukosz: Sensitivity of grating couplers as integrated-optical chemical sensors, J. Opt. Soc. Am. 6 (1989) 209-220.
106
[106] Tien P. K.: Integrated optics and new wave phenomena, Rev. Mod. Phys. 49 (1977) 361-420. [107] Tsiganenko N.M., M.N. Kiseleva, A.V. Alekseev, N.I. Dodonova, A.S. Chunaev: Photodimerization of uracil in films and their use for dosimetry of genetically active ultraviolet irradiation, Biofizika 32 (1987) 7-11. [108] Turnel A. P. F.: Current Opinion in Biotechnology, Biosensors 5 (1994), 49-53. [109] Tyrell R.M.: Solar dosimetry with repair deficient bacterial spores: action spectra, photoproduct measurements and a comparison with other biological systems, Photochem. Photobiol. 27 (1978) 571-579. [110] Tyrrell R. M., M. Pidoux: Action spectra for human skin cells: estimates of the relative cytotoxicity of the middle ultraviolet, near ultraviolet and violet regions of sunlight on epidermal keratinocytes. Cancer Res. 47 (1987) 76-80. [111] Tyrrell R. M., R. D. Ley, R. B. Webb: Induction of single-strand breaks (alkalilabile bonds) in bacterial and phage DNA by near UV (365 nm) radiation. Photochem. Photobiol. 20 (1974) 395-398. [112] Tyrrell R. M., S. M. Keyse: New trends in photobiology The interaction of UVA radiation with cultured cells. J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 1990: 4: 349-361. [113] Tyrrell R.M.: Repair of Near (365 nm)- and Far (254 nm)- UV Damage to Bacteriophage of Escherichia coli. Photochem. Photobiol. 29 (1979) 963-970. [114] Tyrrell R.M.: Solar Dosimetry and weighting factors. Photochem. Photobiol. 31 (1980) 421-422.
107
[115] Urbach F. (ed.): Biological Responses to Ultraviolet A Radiation, Valdenmar, Overland Park, KS, 1992. [116] Urbach F.: Potential effects of altered ultraviolet radiation on human skin cancer. Photochem. Photobiol. 50 (1989) 789-794. [117] Vermeer B.J., M. Hurks: The clinical relevance of immunosuppression by UV radiation, J. Photochem. Photobiol. B:Biol. 24 (1994) 149-154. [118] Villafane V.E., E.W. Helbling, H.E. Zagarese: Solar ultraviolet radiation and its impact on aquatic systems of Patagonia, South America. Ambio. 30 (2001) 112117. [119] Vink A.A., V. Shreedhar, L. Roza, J. Krutmann, M.L. Kripke: Cellular target of UVB-induced DNA damage resulting in local suppression of contact hypersensitivity, J. Photochem. Photobiol. B. Biol. 44 (1998) 107-111 [120] Walter S. D., L. D. Marrett, L. From: The association of cutaneous malignant melanoma with the use of sunbeds and sunlamps. Am. J. Epidemol. 131 (1990) 232-243. [121] Wang S.Q., R. Setlow, M. Berwick, D. Polsky, A.A. Marghoob, A.W. Kopf, R.S. Bart: Ultraviolet A and melanoma: a review. J. Am. Acad. Dermatol. 44 (2001) 837-846. [122] Webb A., B.G. Gardiner, T.J. Martin, K. Leszcynski, J. Metzdorf, V.A. Mohnen: Guidelines for site Quality control of UV monitoring, WMO Global Atmosphere Watch, No. 126, 1998
108
[123] Weetall H. H.: Immobilization techniques Covalent coupling methods for inorganis support materials, Methods in Enzimology, 44 (1976) 134-148. [124] Weetall H. H.: Preparation of immobilized proteins covalently coupled through silane coupling agents to inorganic support, Appl. Biochem. and Biotech., 41 (1993) 157-188. [125] Wenczl E., G.P. Van der Schans, Roza L. , R.M. Kolb, A.J. Timmerman, N.P. Smit, S. Pavel, A. A. Schothorst: (Pheo)melanin photosensitizes UVA-induced DNA damage in cultured human melanocytes. J. Invest. Dermatol. 111 (1998) 678-682. [126] Westerdahl J. , C. Ingvar, A. Masback, N. Jonsson, H. Olsson: Risk of cutaneous malignant melanoma in relation to use of sunbeds: further evidence for UV-A carcinogenicity. Br. J. Cancer. 82 (2000) 1593-1599. [127] Westerdahl J., H.Olsson , A. Masbach: Use of sunbeds or sunlamps and malignant melanoma in southern Sweden. Am. J. Epidemol. 140 (1994) 691-699. [128] Whitesides G. M., P. E. Laibins,: Wet chemical approaches to the characterization of organic surfaces: Self-assembled monolayers, wetting, and the physical-organic chemistry of the solid-liquid interface, Langmuir, 6 (1990) 87- 96. [129] WHO/UNEP/IRPA Environmental Health Criteria 14. Ultraviolet Radiation, World Health Organisation, United Nations Environment Programme, Geneva: WHO, 1979. [130] WHO/UNEP/IRPA. Environmental Health Criteria 160. Recommendation regarding the use of sunbeds. Ultraviolet Radiation. 245-247. World Health Organisation, United Nations Environment Programme, Geneva: WHO, 1994
109
[131] Woollons A., P. H. Clingen, M. L. Price, C. F. Arlett, M. H. L. Green: Induction of mutagenic DNA damage in human fibroblast after exposure to artificial tanning lamps. Br. J. Dermatol. 137 (1997) 687-692. [132] Worldwide commercial diode-laser sales 1993-94, Laser Focus World 8 (1994) 70. [133] Yarosh D.B. : The role of DNA damage and UV-induced cytokines in skin cancer, J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 16 (1992) 91-94. [134] Zhang X. S. , B. S. Rosenstein, Y Wang, M Lebwohl, D M Mitchell, H C. Wei: Induction of 8-oxo-7,8-dihydro-2’-deoxyguanosine by ultraviolet radiation in calf thymus DNA and HeLa cells. Photochem. Photobiol. 1997: 65: 119-124. [135] Zigman S.: Ocular light damage, Photochem. Photobiol. 57 (1993) 1060-1068.
110
9. Saját közlemények jegyzéke Kerékgyártó T., P. Gróf, Gy. Rontó: Production and basic application of uracil dosimeters for measuring the biologically effective UV dose, Central Europ. J. of Occupational and Environmental Medicine 3 (1997) 143-152. Kerékgyártó T., P. Gróf, G. Rontó: Influence of spectral and angular sensitivity on the readout of biological dosimeters. J.Photochem.Photobiol. B. Biol. 53 (1999) 27-35. Módos K., S. Gáspár, T. Kerékgyártó, A.A. Vink, L. Roza, A. Fekete: The role of the spectral sensitivitycurve in the selection of relevant biological dosimeters for solar UV monitoring J. Photochem. Photobiol. B: Biol. 53 (1999) 27-35 Rontó Gy., A. Bérces, A. Fekete, T. Kerékgyártó, S. Gáspár, C. Stick: Monitoring of environmental UV radiation by biological dosimeters, Adv. Space Res. 26 (2000) 20212028 Horváth R., T. Kerékgyártó, G. Csúcs, S. Gáspár, P. Illyés, Gy. Rontó, E. Papp: The effect of UV irradiation on uracil thin layer measured by optical waveguide lightmode spectroscopy. Biosens Bioelectron. 16 (2001) 17-21.
111
