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
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 felső légköri ózonfogyás miatt a természetes UV sugárzás spektrális összetétele megváltozik, intenzitása növekszik. A tudomány, a technika fejlődése a mesterséges UV források egyre szélesebb körű alkalmazását tette lehetővé, ami szintén növelheti az elszenvedett UV dózis nagyságát. 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. Jelen dolgozatban a biológiai UV doziméterek fejlesztésével, finomításával kapcsolatos munkám eredményét foglalom össze, amiket részben az EU IV. Keretprogram BIODOS projektje keretében nyertem.
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,
1
· 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. Alkalmazott anyagok, módszerek Vékonyréteg készítés Az uracil vékonyrétegek készítéséhez megfelelően megtisztított kvarclemezekre analitikai tisztaságú (Sigma-Aldrich Kft) uracilt párologtattam fel Auto 306 Vacuum Coater (Edwards Ltd. West Sussex) vákuumpárologtató segítségével. A párologtatás mintegy 10-6 mbar nyomáson történik, amit olajdiffúziós pumpa segítségével állítunk elő. A rétegek minőségének javítása érdekében a hagyományos párologtatási technikát a következőképpen módosítottam. Az uracilt nem közvetlenül por alakból, hanem sík alumínium csónak felületéről, oldatból beszárított filmből párologtatjuk el. 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. Uracil doziméter kiértékelése spektrofotométerrel Az uracil vékonyréteg optikai denzitása az expozíciós idő függvényében — legalábbis a kezdeti szakaszon — exponenciális csökkenést mutat mind a monokromatikus, mind a polikromatikus UV fény hatására. A spektrum a 280290 nm közötti tartományában mutatja a legnagyobb változást, ezért az adott 2
uracil vékonyréteg doziméter adott idejű besugárzásához tartozó OD értékét e tartomány számtani átlagával jellemezzük, amivel a biológiailag hatásos uracil dózis (HU) számítható. Kiértékelés OWLS módszerrel A méréseket minden esetben az ELTE Biológiai—Fizika Tanszékén épített OWLS szkennerrel végeztük, az alkalmazott He-Ne lézer hullámhossza 632.82 nm volt. A hullámvezető chipre megfelelő tisztítás után közvetlenül párologtattam fel 40 nm-es vastagságú uracil réteget.. Az OWLS módszer alkalmazása során 15 W teljesítményű germicid lámpával besugaraztuk chipeket, miközben mértük a mágneses illetve az elektromos módusokhoz tartozó becsatolási szögeket, és ennek alapján számítottuk a transzverzális mágneses illetve transzverzális elektromos törésmutatókat. Az így nyert adatok alapján
tudtuk
az
uracil
vékonyréteg
UV
dózis—hatás-függvényét
meghatározni. Kontrollként hagyományos uracil rétegeket—amelyeket a chipekkel megegyező paraméterűre készítettem— azonos körülmények között sugaraztuk be, és az azokban bekövetkező OD-változást határoztuk meg.
A doziméter térszögtől függő érzékenysége 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. Sugárforrásként blendével ellátott Xenon lámpát használtam. Minden egyes besugárzási szög esetére meghatároztam a kérdéses szöghöz tartozó érzékenységet az adott szög és a nulla besugárzási szög mellett mérhető dózisok arányából.
3
Modellszámítások Laboratóriumi mérési összeállítások modellezése A laboratóriumi mérési összeállítások modellezésére Windows X, Windows NT operációs rendszer alatt futó programot fejlesztettem Borland Delphi System segítségével. Amennyiben a spektrális érzékenység független a beesés szögétől, továbbá a térszögtől függő érzékenység független a besugárzás hullámhosszától, valamint a sugárzási teret leíró függvény térszög és hullámhossz szerint szeparálható, a program segítségével kiszámítható a biológiailag effektív dózis értéke különböző mérési összeállítások esetén. Az itt bemutatott számításban sugárforrásokként egy, illetve négy, egymással párhuzamosan elhelyezett fénycsőből álló rendszer szolgált, méretük a kereskedelmi
forgalomban
kapható
szabványos
méretű
UV
lámpák
kiterjedésével azonos. A modellszámításban használt detektorok spektrális érzékenységben nem, csak térszögtől függő érzékenységükben térnek el egymástól, egyikük cosinus törvény szerinti, másikuk úgynevezett 2p típusú érzékenységgel rendelkezik. RB-mérő és uracil doziméter spektrális érzékenységének összevetése A szabadtéri UV monitorozásban leginkább az RB-mérők terjedtek el. Térszögtől függő érzékenységük megegyezik az uracil doziméterével, koszinusz törvényt követ, spektrális érzékenységük azonban jelentős különbséget mutat 300 nm-nél rövidebb hullámhosszaknál. A napsugárzás és annak spektrális irradianciájában bekövetkező változást laboratóriumi körülmények közt WG305 szűrővel ellátott FS20 típusú lámpával, valamint ftálsav szűrő alaklmazásával modelleztem. Modellszámításokat végeztem annak eldöntésére, hogy milyen tulajdonságokkal rendelkező doziméter felel meg a sugárzási tér spektrális eloszlásában bekövetkező változások detektálására.
4
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. Laboratóriumunkban meghatároztuk három különböző szoláriumcső 250 és 400 nm
közötti
emissziós
spektrumát
Jobin-Yvon
THR
1000
egyszeres
monokromátorral (sávszélesség 0.2 nm; lépésköz 0.1 nm) Hamamatchu R928 photomultiplierrel felszerelve. A biológiailag effektív UV dózist uracil vékonyréteg doziméterekkel mértük. A dózisok arányait [(HU/óra)/(MEDi/óra)] is kiszámoltuk minden egyes tesztelt szoláriumra. Személyi dózismérők, munkahelyi UV dozimetria A személyi dozimetriai célra készített uracil doziméterek felhasználási területüktől függően eltérő, de minden esetben viszonylag hosszú viselést igényelnek. A használat során előre nem várt, a kiértékelést befolyásoló hatások kimutatására, illetve a kiértékelési eljárás hitelesítésére és leegyszerűsítésére új eljárást dolgoztunk ki. 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.
5
Uracil vékonyréteg doziméterrel végzett szabadtéri UV monitorozás Uracil doziméterrel folyamatos végeztünk szabadtéri monitorozást is. A túlságosan hosszú expozíciós idők csökkentésére sokszorozó tükrökkel ellátott optikai feltéteket, az állandó páratartalom biztosítására jól záródó mintatartókat fejlesztettünk ki.. A mintatartókat bel- és külföldi folyamatos mérésekben több éve használjuk. Belföldön 8 helyszínen végeztünk monitorozást, a dozimétereket a nyári időszakban kéthetente cseréltük, a téli hónapokban minden dozimétert 4 hétig exponáltunk. Külföldön a BIODOS együttműködés keretén belül Abiskoban és Nea Michanionaban, más nemzetközi együttműködésben Sylten, Kadunaban, Cachoeira Paulistaban, Cape Townban, Sydneyben és az Antarktiszon végeztünk szabadtéri monitorozást. Az uracil vékonyréteg doziméterrel párhuzamosan T7 fággal, valamint RB mérővel végzett mérések alapján számított konverziós faktorokat határoztunk meg.
6
Eredmények, megbeszélés Az uracil doziméter térszögtől függő érzékenysége 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 jó példa az Abiskoban (Svédország, 68° N, 19°E) 1998. június 21-én nyert mérési eredményünk. A mérést két azonos típusú RB mérővel végeztük. Az RB mérők egyikét horizontálisan helyeztük el, míg a másik műszert csillagászati napkövetőre szerelve mindig a napra irányítottuk. A horizontálisan elhelyezett műszer kimenő jele végig alatta maradt a napra irányított műszer kimenetének. A két elrendezés közti különbség felhős ég mellett jelentősen csökken. Az UV dozimetriában tehát a detektor spektrális érzékenységén túl annak térszögtől függő érzékenysége is jelentősen befolyásolja a mért dózist, kiemelve a mérési elrendezés szerepét. A speciális mintatartó felhasználásával a különböző besugárzási szögeknél nyert mérési eredmények uracil doziméter esetén 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. Eredményeim
arra
mutatnak,
hogy az
uracil
vékonyréteg
doziméter
felhasználásával mért dózisok közvetlenül összevethetők az RB mérőkkel mért adatokkal. Ugyancsak felhasználhatók a spektroradiométerek által szolgáltatott
7
spektrális
irradianciának
az
uracil
vékonyréteg
doziméter
spektrális
érzékenységével súlyozott, számított BED értékkel való összehasonlítására is. Ugyancsak jelentős különbség lehet laboratóriumi körülmények között a biológiai rendszert érő dózis, és az ellenőrzésre használt doziméter által mért dózis között. Ez az eltérés a rendszerek spektrális és a térszögtől függő érzékenységének különbségéből, vagy a doziméter és a vizsgált biológiai rendszer sugárzási térben elfoglalt helyének 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. A sugárforrás emissziós spektrumának változása A biológiai UV doziméterek által produkált kimenő jelet döntően befolyásolja azok spektrális érzékenysége, továbbá a fényforrás emissziós spektruma. A kétféle (WG305 illetve WG305-el kombinált ftálsav) szűrővel ellátott FS20 lámpával végzett besugárzás során az RB-mérőt a lámpától olyan távolságban helyeztük el, hogy kimenő jele mindkét esetben egységnyi legyen, azaz 1 MED/h dózisteljesítményt mutasson. 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. Megállapítható volt, hogy az uracil vékonyréteg doziméter a
spektrum
rövidebb
hullámhosszúságú
tartományában
bekövetkezett
változásokra sokkal érzékenyebben reagál, mint az RB mérő. Az általam elvégzett számítások alapján az alábbi lövetkeztetések vonhatók le: · az uracil doziméter jól alkalmazható a rövidebb, az UVB tartományban bekövetkező változások detektálására.
8
· az emissziós spektrum megváltozásának detektálására tehát olyan doziméter ideális, amelyik a változás tartományában nagy, azon kívül pedig kis hatékonysággal rendelkezik. · valamely
detektor
akkor
lesz
alkalmas
adott,
lehetőleg
szűk
hullámhossztartományba eső változás jó detektálására, ha a relatív hatékonysági spektrumának maximuma az adott tartománnyal egybeesik, és annak félérték-szélessége kicsi. · a DNS alapú doziméterek alkalmasabbak a napsugárzás spektrumában az ózoncsökkenés hatására bekövetkező UVB/UVA arány eltolódásának detektálására, mint az RB-mérők. Uracil doziméter kiértékelése OWLS módszerrel A besugárzások hatására mind a transzverzális elektromos, mind a mágneses törésmutatóban változás következett be, ami telítődéshez közeledett. Mindkét módusra vonatkozó effektív törésmutató—alkalmazott UV-dózis összefüggés jellege exponenciális. A számított abszolút törésmutató alapján konstruált OD-változás—UV-dózis hatásfüggvényt összevetve a transzverzális elektromos illetve mágneses módus esetén
meghatározott
kiértékeléséhez
görbével
elegendő
az
megállapítható, effektív
hogy
törésmutatók
az
UV
dózis
valamelyikének
meghatározása (minthogy az abszolút törésmutató értékének kiszámításához szükséges feltevések további hibalehetőséget jelentenek). Elektromos módus esetén a törésmutató csökkenését jellemző állandó kOWLS=(208±10)
m2/J,
az
uracil
hatásfüggvény görbéjére illesztett
vékonyréteg
OD-változás—UV-dózis
exponenciális
függvény jellemzőjére
kOD=(238±10) m2/J konstans adódott. A két módszer érzékenysége a dózis—hatásgörbék kezdeti szakaszán meghatározott legkisebb mérhető UV dózis segítségével vethető össze. Az OWLS módszerrel a legkisebb mérhető dózis kb. 0.8 J/m2, spektrofotometriás kiértékelés esetén mintegy 10 J/m2. Az összevetésből kitűnik, hogy az OWLS 9
módszer
érzékenysége
mintegy
10-szerese
az
OD
mérésen
alapuló
kiértékelésnek. 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. Személyi dozimetria A személyi doziméter céljára használt uracil-rétegek kiértékeléséhez szükséges expozíciós idő a szabadtéri mérésekéhez képest jelentősen megnövekedhet viselőjének életvitele, szokásai, valamint a doziméter viselési módjának következtében, így az egyes személyek által elszenvedett UV-dózis mértéke nem jellemezhető egyértelműen a környezeti UV monitor-hálózatok adataival. Utóbbiak az élő környezet átlagos (globális) sugárterhelését, a személyi dozimetria az egyéni sugárterhelést jellemzi. A kétféle terhelés között akár több nagyságrendnyi eltérés lehet. A vizsgálatunkba bevont 81 személy közül 75 hozta vissza a dozimétert, ebből 6 doziméter sérült volt. 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, akik az összes napos órák felénél többet délben töltötték napon, az átlagnál egy nagyságrenddel többet, 3.58×10-3 HU/h dózisteljesítményt szenvedtek el:. Általánosságban megállapítható, hogy személyi dozimetriai célra használt uracil vékonyréteg dozimétereket napsugárzás mérésére a megfelelő pontosságú, OD
10
meghatározással történő kiértékeléshez hosszabb ideig, pl. egész nyáron kell exponálni. Személyi doziméterbe OWLS módszerrel kiértékelhető chipet építve ez az expozíciós idő — a kiértékelés érzékenységének jelentős javulása miatt — mintegy tizedére csökkenthető. A munkahelyeken használt UV sugárzást kibocsájtó berendezések 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.
Sliney
spektroradiométerrel nyert adatait felhasználva négy különféle munkafolyamatra végeztem el az uracil dozimétert optimális mértékig exponáló dózis kiszámítását, ami a napi megengedett dózisnak (EL) kb 4-8 szorosára adódott.. Az uracil vékonyréteg dózismérő rendszeres viselése és havonta történő visszamérése tehát az átlagos napi megengedett dózis 25%-át igen pontosan méri. Szoláriumcsövek minősítése A csövek öregedésével biológiai hatékonyságukban 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 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. Három szoláriumcső részletesebb vizsgálata alpján megállapítottuk, hogy a pirimidin fotoadduktumok képződése inkább az UVB régióban, az erythemát 11
okozó hatások pedig az UVA tartományban jelentkeznek viszonylag nagyobb mértékben. Ezek szerint mindkét UV régió rendelkezik egészségkárosító hatásokkal, ezért a szoláriumcsövek hatékonyságának jellemzésében sem az UVB, sem az UVA jelentőségét nem szabad alábecsülni. A bemutatott mérési eredményekből kitűnik, hogy az uracil-dimerizáció (DNS sérülés) mértékét nem csak a spektrum UVB/UVA aránya határozza meg. A szoláriumcsövek minősítésére egy kombinált módszert javaslunk, ami a dimerizációs és erythema-indukciós hatások egymáshoz való viszonyát jellemzi. Ennek során a biológiailag hatékony uracil dózist (dimerizáció) direkt mérésekből határozzuk meg, az erythemát okozó dózist, a MED hatás-spektrum segítségével, spektroradiometriás mérésből számoljuk. A két jellemző arányának nagysága véleményünk szerint alapja lehet a csövek osztályozásának. Meg kell jegyeznünk azonban, hogy a megfelelő spektrális érzékenység karakterisztikájának következtében az uracil doziméter alulbecsüli az UVA sugárzás erythemát okozó hatását, míg az RB-mérő (MED spektrális érzékenységgel) alábecsüli az UVB dimerizációs hatását.
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. A hazai mérőhelyeken 1995-től 1998-ig mért adatok valamint RB-mérővel kapott adatok alapján a következő megállapításokat tehetjük: · 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; 12
· 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. 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 f
U - 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 f
U - 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, 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.
13
Biológiailag hatásos UV sugárzás mérését, ill. monitorozását több különböző földrajzi szélességen is végeztük. Eredményeink közül a Nigériában 1997 második felétől (július) rendszeresen végzett mérésekből 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. 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. 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
megnövekedését
idején
nemcsak
a a
déli
országokba
napsugárzás
14
utaznak.
spektrális
E
kockázat
összetételének
és
intenzitásának a “már otthon megszokottól” való eltérése, hanem a viselkedési szokások megváltozása is okozza. 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. Modellszámítások Példaként két, besugárzó referencia-laboratóriumunkban alkalmazott sugárforrás esetén elvégzett számításon keresztül mutatom be a sugárzási térnek, a detektor típusának valamint térbeli elhelyezkedésének hatását a doziméter kimenő jelének nagyságára. E számítások egyrészt a kísérletek tervezésénél, másrészt a besugárzás ellenőrzésekor a detektor pozíciójának meghatározásánál jelentősek. Elsőként a lámpa, illetve a lámparendszer geometriai középpontja alatt mérhető relatív dózisteljesítmény nagyságát határoztam meg a távolság függvényében mindkét típusú detektor esetén. Az eredményekből kitűnik, 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.
15
A második számításban az egyetlen fénycsőből álló rendszer alatt, a lámpa síkjával párhuzamos helyzetű, attól 48 centiméterre fekvő sík különböző pontjaiban határoztam meg a doziméterek kimenő jelét, amit relatív egységben fejeztem ki. Viszonyítási alapul mindkét esetben a lámpa geometriai közepe alatt mérhető kimenőjel szolgált. 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. A két számítás 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.
16
Rövidítések 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 EL
Exposure Limit
MED
Minimal Erythema Dose
OD
Optikai Denzitás
OMSz
Országos Meteorológiai Szolgálat
OWLS
Optical Waveguide Lightmode Spectroscopy:
RB-méter
Robertson-Berger méter
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. 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
17
Ø az uracil doziméter különösen alkalmas a rövidebbUVB-sugárzásban bekövetkező változások detektálására, Ø a spektrum e tartományában bekövetkező változásokra sokkal érzékenyebben reagál, mint például az RB mérő; Ø kísérletileg bizonyítottam, hogy az uracil vékonyréteg doziméter térszögtől függő érzékenysége cosinusos-függvény szerint változik. Ø Kidolgoztam az uracil doziméter OWLS módszeren alapuló kiértékelését, Ø és összevetettem a hagyományos, OD méréssel végzett kiértékeléssel, Ø 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. Ø Az uracil doziméter széleskörű alkalmazhatóságát bizonyítottam a személyi dozimetria, a szabadtéri UV monitorozás, valamint a szoláriumcsövek és más mesterséges források minősítésére kidolgozott eljárásban. Ø Kimutattam,
hogy
hullámhossztartományban vékonyréteg
doziméter
megfelelően integráló kiegészítő
megválasztott
dozimétert párjául
széles
választva
nemcsak
a
az
uracil
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 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 them detects DNA damage. Uracil dosimeter 18
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 relatively 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 view 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. 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.
19
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) 20-25 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 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.
20
