Kémia – atomok, molekulák közti kölcsönhatások Kölcsönhatások szubatomi részecskék között proton
nukleon
neutron
atommag A kémiai elemet a protonszám határozza meg.
magfizika
Proton – pozitív elektromos töltés
Összeállnak, nem esnek szét! Neutron – semleges, nincs elektromos töltése Diagnosztikai és terápiás módszerek biofizikai alapjai
Vig Andrea 2010_02_15
Az összes nukleon egy 100.000–szer kisebb térfogatba van bepakolva, mint az atom térfogat.
Kémiai elemek atommagjait sok különböző formában megtalálhatjuk.
elektromos erők: • Elektromosan töltött részecskék között: taszító és vonzó • Kis távolságfüggés.
erős kölcsönhatás, magerő: VONZÓ!
Minden nukleon között. Nagyon kis hatósugarú. Pl: két nukleon egy atomnyi távolságra egymástól nem fejt erőt ki egymásra ki.
Hidrogén:
1 p+ + különböző számú neutron
• Hidrogén - 1: 1H (1 p+) • Hidrogén - 2: 2H (1 p+ + 1 n0) • Hidrogén - 3: 3H (1 p+ + 2 n0)
hidrogén deutérium tricium
„nehéz” víz: D2O
1
Z: rendszám
Z AE
Protonok száma
A: tömegszám
Nukleonok száma
Egy atommag stabilitását az összes nukleon közti erős vonzó-, és a protonok közötti elektromos taszító hatás határozza meg. A könnyű (alacsony rendszámú) stabil izotópokban általában a proton-, és neutronszám kevéssé tér el egymástól. 12
C (6 p+ + 6 n0)
13
C (6 p+ + 7 n0)
11
C (6 p+ + 5 n0)
14
Instabil atommagok: - Újrarendezik nukleonjaikat, hogy egy stabil állapotba kerüljenek, követve az energiaminimumra való törekvést. - Magas energiájú fotont emittálnak. - Részecskét emittál, sugároznak.
radioaktiv bomlás
C (6 p+ + 8 n0)
Radioaktivitás
Stabil
Instabil
Sugárzások fajtái
Plutónium 239Pu , 241Pu Urán 235U , 238U Kűrium 242Cm , 244Cm Amerícium 241Am Tórium 232Th Rádium 226Ra , 228Ra Cézium 134Cs, 135Cs , 137Cs Jód 129I, 131I , 133I Antimon 125Sb Ruténium 106Ru Stroncium 90Sr Kripton 85Kr , 89mn Szelén 75Se Kobalt 60Co Klór 36Cl Szén 14C Trícium 3H Radon 222Rn Kb. ~ 40 természetes radioaktív izotóp létezik. A80 fölött elvileg lehetséges az bomlás.
Radioaktivitás - Magsugárzások Alfa bomlás
Gamma sugárzás
4 2
Fizikai tulajdonság: • Elektromágneses sugárzás: rádió, mikrohullám, fény, UV, rtg, gamma
A-4 Z-2 Y
A ZX
• Mechanikai sugárzás: hang, UH
He2+
+ 42 α2+
Lukas Czarnecki: Nuclear Physic
Beta- bomlás
• Részecskesugárzás: alfa, béta, neutron
Beta+ bomlás
antineutrino
neutrino
• Magsugárzás (radioaktiv bomlás): alfa, béta, gamma
Biológiai hatás: β- = elektron
Nem-ionizáló: fény, hang Ionizáló: alfa, béta, gamma, rtg
n0
p+
+ e- + ν
β+= pozitron
p+
n0
+ e+ + ν
2
Ionizáció A sugárzás az anyaggal kölcsönhatva töltött részecskét (nagy energiájú elektront) szakit ki az atomi kötelékből γ
γ’
ε’=hf ’
ε=hf
Eion
e-
+
Ekin=1/2mv
34 eV
2
• Radioaktív bomlás :
MeV
• kémiai kötések,
ε = Eion + Ekin + ε’ Lineáris ionsűrűség: n ionpár létrehozása l úton
Bomlási termékek energiáját általában eV-ban adjuk meg: Nagyságrend 1 eV = 1,602·10-19 J
látható fényfotonok:
eV
(alfa > beta > gamma)
Lineáris Energia Transzfer (LET): úthossz alatt leadott energia LET = ΔE/Δx = n*Eion/l n.B.:Ionizáció ≠ Disszociáció
Egy darab radioaktív bomlásterméknek annyi energiája van, hogy milliónyi kémiai kötést fel tud szakítani.
Magsugárzások összehasonlitása
Rtg és gamma sugárzás összehasonlítása
Alfa
Béta
Szerkezet
2p+2n0
e-
Tömeg
~7500x e-
1 e-
m0=0
Energia
4-10 MeV
0,6-1,2 MeV
0,1-10 MeV
LET
több 10000 ion/cm
10-100 ion/cm
~ 1 ion/cm
egyenes
zegzugos, szóródik
1-2 cm
1-2 m
0,1 mm
1-2 cm
Ködkamra
Geiger-Müller
Pálya Áthatolóképesség levegőben Áthatolóképesség szövetben Detektálás
(e+)
Gamma Rtg
foton
áthatol,
Mesterséges/kozmikus/ másodlagos
Természetes
Eredet
Elektronhéj
Atommag
Keletkezése
Elektromos töltés lefékeződése (fékezési) Elektronátmenetet követő energiafelszabadulás (karakterisztikus)
Magátalakulás során keletkezett energiafelesleg kibocsájtása
Hullámhossz
10-8 – 10-10 m
10-9 – 10-12 m
Abszorpció
Fotoeffektus, Compton szórás, Párkeltés
szóródik
több 100 m áthatol 1-2 cm ólom Szcintillációs számláló
Gamma
Előfordulás
3
Sugárzás kölcsönhatása biológiai rendszerekkel
Abszorpció Béta, Gamma
Intenzitás csökkenés közegben: • Visszaverődik
I0
• Áthalad
Alfa
I0
I
Abszorpció
X1/2 = felező rétegvastagság 8 X1/2 = hatótávolság
• Szóródik
I/I0 = e-μx
I0/2
Anyag
• Abszorbeálódik
I I0
I
X1/2
I0/2
Rétegvastagság (X)
Rétegvastagság (X)
Áthatolóképesség
Sugárzás intenzitáscsökkenése (A) függ:
Alfa: 1-2 cm levegő, 1-2 mm plasztik
közeg rendszám (Z)
Beta: 1-2 m levegő, 1-2 cm plasztik
rétegvastagság (d)
Gamma, rtg: 1-2 cm ólom
sűrűség (D)
A ~ λ3Z4dD
sugárzás hullámhossza (λ) www.smsec.com
Gamma és rtg sugárzás abszorpciója
Abszorpció molekuláris hatása
Abszorpcióhoz vezető kölcsönhatások (rtg, gamma):
• fluoreszkálás
• Fotoeffektus (10-200 keV)
ε = Eion + Ekin
• szcintilláció
• Compton szórás (~ 200-1000 keV)
ε = Eion + Ekin + ε’
• ionizáció
• Párkeltés (> 1 MeV)
ε = 2 m c2 + 2 Ekin
közvetlen (alfa, béta)
• Magfotoeffektus (>> 1 MeV)
közvetett (rtg, gamma)
ε=hf
γ
γ’
γ
Ekin=1/2mv 2
ε=hf ε’=hf ’
+
e-
Ekin=1/2mv 2
e-
• kémiai reakciók • biokémiai-biológiai elváltozások
ε=mc2 Ekin=1/2mv 2
Compton szórás
• hőtermelés
Párkeltés
e+
• másodlagos szórt sugárzás keltése (Béta, Gamma, Rtg)
4
Bomlási törvény
Radioaktív bomlási törvény:
Felezési idővel:
Felezési idő (fizikai)
N N 0 e t
N0 N 0 e T1/ 2 2
T ln 2 0,693
Egy radioaktív forrást az aktivitással tudjuk jellemezni, ami megmutatja, hogy egy szekundum alatt hány bomlás ment végbe.
Minden radioaktív mag visszafordíthatatlanul bomlik, és ha elég időt adunk neki, stabil atommaggá válik. Azt azonban nem mondhatjuk, hogy egy radioaktív mag átlagos élettartammal rendelkezik. Minden atommag saját valószínűséggel bomlik. Minden időperiódusban a bomlás valószínűsége állandó. Ezért az ún.
A 1Bq 1bomlás / sec A A0 e
t
Ha a mintában Nstart számú mag van, akkor a felezési után a megmaradt magok száma egyenlő ½ Nstart. Két felezési idő után ½* ½ =1/4 Nstart marad és így tovább ………….
A felezési idő megmutatja, hogy : - Hány darab radioaktív mag maradt
egy bizonyos idő eltelte után a mintában. - Mennyit sugároz a minta bármely
időpillanatban.
T1/2
felezési időt használjuk.
Felezési idő (biológiai)
A medicinában radiofarmakonokat használunk: a radiofarmakont molekulához, vagy gyógyszerhez kötik. Az az idő, amíg a test megtartja a radiofarmakont, különbözik az izotóp felezési idejétől. Meghatározhatunk egy fizikai mennyiséget, amely megmutatja, hogy a test mennyi idő alatt tudja a radiofarmakon mennyiségének felét kiüríteni, anyagcserével. Ez a biológiai felezési idő, TB, A pontos értéke függ a test kémiájától és fiziológiájától, de egy kémiai elem összes izotópjára ugyanaz az értéke.
Egy pillanathoz tartozó bomlások száma arányos az összes radioaktív magok számával. A felezési idő megmutatja, mennyi ideig sugároznak a radioaktív magok és így azt is mennyi ideig veszélyesek.
5
Felezési idő (effektív)
T1/2 a felezési időt néha fizikai felezési időnek is hívják, hogy megmutassák, hogy az csupán a magfizika fogalma.
Ha egyszer létrejött egy radioaktív mag, akkor ezt a radioaktivitást a bomlás törvény szerint tudja csak „leadni”. Nincs ismert mód ezen bomlás siettetésére. Orvosilag két feltételnek kell megfelelnie egy izotópnak:
A biológai „kiürülés” és a radioaktív bomlás együttesen határozza meg az ú.n. EFFEKTIV felezési időt, TE, ami egy radiofarmakon teljes kiürülést jellemzi a testből.
TE
TB T1/ 2 TB T1/ 2
- A jód-131-es izotópot lehet használni terápiás kezeléseknél, azonban diagnosztikában kevésbé hasznos, mivel nemcsak gamma fotonokat, hanem béta részecskéket is sugároz. - A jód-123-s már csak gamma fotonokat sugároz, a pajzsmirigyet például ezzel vizsgálják. - A leggyakrabban használt izotóp a technécium-99 a nukleáris medicinában, csontrendszer, hólyagrendszer, tüdő, szív, máj pajzsmirigy vizsgálatokra. (Szcintimammográfiában is ezt használják a mellben található tumorok detektálására. ) - A xenon-133 gáz, amit a tüdők, és a légzőrendszer vizsgálatára használnak, gallium-67 a tumorok felfedezésére használható. Ga-67, és az indium-111-t antitestekhez kötve is lehet használni, így testidegen anyag, illetve az immunrendszer védekezőképességét lehet vele felmérni. - A szív funkcionális vizsgálatát a káliumhoz kötődő tallium-201, rubidium-81, és a rubidium-82 –t használják. - A filtrációs, szűrési rátája a radiofarmakonoknak információt szolgáltat a vesék működéséről. (transzplantáció után, eldugulásokkor)
1; A detektálás alatt végig sugároznia kell (percek, napok, órák) 2; Kevés transzporttal, vagyis jól tárolhatónak és alacsony intenzitásúnak kell lennie.
Hosszú felezési idejű magok.
Minden éveben, az egész világon 2,5 millió embert kezelnek ionizáló sugárzással a rákterápia részeként, és számos életmentő diagnosztikai vizsgálatot végeznek kis dózisú radioaktív mintával. Széleskörben elterjedt észrevétel azonban, hogy a sugárzás komoly veszélyt jelent:
A sugárzást lehet diagnosztikára és rákterápiára, ill. más betegségekre is használni, de ennek ellenére magában is karcinogén és sugárzás betegséget okozhat.
6
Sugárzások forrásai Átlagos éves sugárterhelés: 2,4 mSv/év, Magyarországon: 3 mSv/év
A sugárkezelés lényegét: nagy energiájú ionizáló sugárzás gyógyító célú alkalmazása képezi. A sugárzás az örökítő anyag (DNS) károsítása révén gátolja a sejtosztódást. - nem szelektív, és mind az ép, mind a daganatos sejteken egyaránt érvényesül.
Tekintettel azonban, hogy a daganatokban általában nagyobb az osztódásra készülő, vagy osztódásban lévő sejtek száma, a daganatoknak a normál szöveteknél rendszerint nagyobb a sugárérzékenységük.
- Szervezetünk minden kétmilliomodik atomja radioaktív - Másodpercenként mintegy 7-8000 bomlás következik be testünkben - Másodpercenként mintegy 75000 részecske éri testünket
1/1,000,000 Halálozási kockázat:
1 mSv sugárzás (daganatos megbetegedés) 14 szál cigaretta (tüdőrák) 640 km vezetés (baleset)
Sugárzások orvosi alkalmazása
Mindennapi sugárzásunk (2,4 mS/év) Átlagos
természetes radioaktív háttérsugárzás kb. 1,8 mSv / év • • • •
a levegőben jelenlévő radon (kb. 0,5 mSv/év) az épületek sugárzása (kb. 0,4 mSv/év) kozmikus sugárzás (0,3 mSv/év) a bennünk lévő 40K izotóp sugárzása (kb. 0,2 mSv/év)
Emberi
tevékenység (pl. orvosi röntgenvizsgálat) kb. 0,6 mSv / év 0,01%
14,17% 0,35% 11,06%
Diagnosztika Radiológia (elektromágneses sugárzások)
Nukleáris medicina (izotópok)
Rtg, CT, Angiográfia
Terápia Sugárterápia (onkológia) Képerősitős műtétek Sugársebészet
PET, SPECT,
Brachycurie terápia
Szcintigráfia
Jódterápia
Nukleáris ipar Orvosi célú Atomrobbantás Kozmikus
74,40%
Földkérgi
7
Dózisfogalmak
Dózisfogalmak
Aktivitás: időegység alatt bekövetkező magátalakulások (bomlások) száma
A = bomlás/idő [Becquerel, Bq]
Besugárzási dózis: egységnyi tömegű levegőben létrehozott töltések mennyisége
X = Q/m [C/kg]
Elnyelt dózis: egységnyi tömegű test által elnyelt energia. Függ: K: dózisállandó A: aktivitás l: sugárforrás távolsága t: besugárzási idő
Egyenértékdózis: tömegegységre jutó energia korrigálva a sugárzás tipusára vonatkozó „súlytényezővel” (wRay)
D = 34 J/C * X A* D = K* 2 tl
HT = ΣwR * DR,T [J/kg, Sievert, Sv]
Származtatott dózisfogalmak Közölt dózis (kerma = kinetic energy released in material): adott térfogatelemben felszabaditott összes töltött részecske kezdeti kinetikai energiája, tömegegységre vonatkoztatva (közvetett ionizáció)
Elnyelt dózisteljesitmény
Szerv
WT
Gonádok
0,20
Csontvelő
0,12
Vastagbél
0,12
Tüdő
0,12
Emlő
0,05
Sugárzás
WR
Foton
1
Elektron
1
Neutron, (Energia függő)
5-20
Proton
5
Máj
0,05
Alfa részecske
20
Bőr
0,01
Nehéz magok
20
Csontfelszin
0,01
Egész test
1
Sugárzások biológiai hatása direkt – indirekt sugárhatás reverzibilis – irreverzibilis károsodás akut – krónikus sugárbetegség
Dk = ΣΔEkin/Δm [Gy]
Sztochasztikus hatás: károsodás valószinűsége a sugárterheléssel nő, de a károsodás minősége nem (daganatok, genetikai károsodás)
Dózisteljesitmény: időegységre vonatkoztatott dózis Besugárzási dózisteljesitmény
E = ΣwR * ΣwT* DR,T
Szöveti súlytényezők Sugárzási súlytényezők
D = E/m [J/kg, Gray, Gy]
E = ΣwT * HR,T [Sv]
Effektiv dózis: egyenértékdózis korrigálva a szövet biológiai válaszára (wTissue) vonatkozó „súlytényezővel”
X/t [C/kg*s] D/t [Sv/óra]
Kollektiv dózis: populáció (N egyed) összesitett sugárdózisa Kollektiv egyenértékdózis
ST = ΣN*HT
Kollektiv effektiv dózis
S = ΣN*E
Determinisztikus hatás: küszöbdózis eléréséig nem jelentkezik hatás, ezt követően a hatás a dózis növelésével egyre kifejezettebb (akut sugárbetegség, cataracta, dermatitis)
8
Találatelmélet
Sugárhatást befolyásoló tényezők
Direkt sugárhatás elmélet, (Dessauer, 1922)
1. Sugárzás minősége
Dózis-hatás görbe
•
csak az elnyelődő (kölcsönható) részecskék váltanak ki hatást
•
LET: ionizációs képesség (α > β > γ)
Dózis – hatás görbe
n=1 Egy objektum egy találat •
szövetek regenerációs
n>1 Több inaktiválandó céltárgy
•
frakcionált dózis: kisebb biológiai hatás
Túlélési hányad
Túlélési hányad
2. Időfaktor n>1 Egy objektum több találat
képessége eltérő
Túlélési hányad
Frakcionált dózis D50 : Félhalálos dózis
D37 : ~ 37% Túlélő (populáció e-ad részére csökken)
Dq
1
LET > LET > LET
0,1 0,01 0,001
1 D1/2 D1/2 D1/2
0,1
Dózis (Gy)
D1/2 : félhalálos dózis
0,01
Dq : látszólagos küszöbdózis
0,001
(e=2,71)
Relativ dózis
Dózis (Gy)
Sugárhatást befolyásoló tényezők
Sugárhatást befolyásoló tényezők
3. Anyagcsere, biológiai tényezők
4. Oxigéneffektus
•
élénkebb anyagcserefolymatok érzékenyebbek
•
oxigenizált szövetek károsodása kifejezettebb
•
gyorsan osztódó szövetek sugárérzékenyebbek (bőr, vérképző szervek, bélhám)
•
hipoxia/anoxia csökkenti a sugárérzékenységet
•
rtg, gamma sugárzás esetén kifejezettebb
•
O2 jelenléte elősegiti a szabad gyökök képződését
•
kevésbbé differenciállt sejtek érzékenyebbek
•
sejtciklus során mitózis ill. G2 fázis a legérzékenyebb
•
alacsony hőmérséklet lassitja az anyagcserét
•
radiofarmakon elimináció (izotópok kiürülése a szervezetből)
Biológiai (eliminációs) felezési idő: szervezetbe jutott radioaktiv izotóp (toxikus, vagy orvosi célból) mennyisége a felére csökken
1 1 1 = + Teff Tfiz Tbiol
Vizaktiválási elmélet: vizes közegben (pl.: sejt) a sugárzás nagyobb valószinűséggel ionizál vizmolekulát.
Ionizáció Gerjesztés
H2O H2O
H2O+ + eH2O*
H●, OH● + R-H (vizgyökök)
H2O+ e- + H2O
H+ + OH● H● + OH-
H● + OHR●, R-HOH●, R-H2●
(szerves gyökök)
9
Sugárzás biológiai hatása
Akut sugárbetegség 1. Prodromális tünetek (hányás, levertség)
Molekuláris szintű DNS-károsodás: pontmutáció, kromoszómatörés
2. Lappangás
Fehérje károsodás: indirekt, szabad gyökök hatása, enzimkárosodás
3. Klinikai tünetek 2-10 Gy: Vérképzőszervi tünetek, csontvelő károsodás: fertőzés, vérzékenység
Szervezet szintű
10-50 Gy: Gastrointestinális tünetek, bélhámsejt károsodás, hasmenés, felszivódási zavarok
Akut sugárbetegség Krónikus sugárártalom (leukémia, malignus daganatok) Populáció szintű
50-100 Gy: Idegrendszeri sugárhalál 4. Gyógyulás vagy halál
Magzati károsodás: letalitás, fejlődési rendellenesség Genetikai állomány károsodása: meddőség
Akut sugárbetegség
Sugárterhelés hatása a szervezetre 10000
Elnyelt dózis (mGy/alkalom) Rendkivül súlyos sugárbetegség (halál < 2 hét) Halálos dózis (orvosi ellátás nélkül halál <2 hónap)
1000
Félhalálos dózis Klinikai tünetekkel járó enyhe sugárbetegség Kimutatható, de tünetmentes sugársérülés
100
Dózisegyenérték (mSv/év) Foglalkozási dóziskorlát 10
Bélbolyhok sugárkárosodása
Természetes sugárterhelés 1
Lakossági dóziskorlát
Tevékenység
mSv
Mellkas Rtg
0,04
Hasi Rtg
1,2
Koponya CT
1,8
Mellkas CT
7,8
Mózsa Szabolcs: Az ionizáló sugárzások biológiai hatása (www.socrad.hu)
10
Sugárvédelem - Megelőzés 1. Tevékenység indokolt: „risk-benefit arány” 2. Optimális védelem: „cost-benefit arány” ALARA: „As Low As Reasonably Achivable”
Általánosan egy gyógyszer mérgező hatását a letális dózis LD50/30 fogalmával lehet megadni: ez azt a gyógyszermennyiséget jelenti, ami a populáció 50 % -t megöli 30 napon belül .
Időfaktor (betanulás) Távolság Árnyékolás (plexi, ólom) 3. Egyéni dóziskorlát: az a dózismennyiség, ahol elhanyagolhatóan kicsi a kockázat Ne legyen determinisztikus hatás Sztochasztikus károsodás kockázata ne legyen nagyobb, mint az ipari baleseteké (10-4 haláleset/év)
Sugárvédelmi dóziskorlát
mSv/ év
Lakossági effektiv dózis
1
Foglalkozási effektiv dózis
20
Fogl. végtag egyenértékdózis
500
Sajnos ez nem jó mennyiség a sugárzások meghatározására. Nagyon magas dózisok gyorsan halálhoz vezethetnek, de sok olyan kockázati tényező is van, amely éveken át nem fejti ki hatását.
A keresett mennyiségnek ki kell fejeznie mennyi sugárzás érte a testet, mennyi abszorbeálódott abból és mik a sugárzás, ill. az abszorbció fiziológiai hatásai.
11
