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几种测量技术在核辐射突发事件剂量重建中的应用研究△

首席医学网      2010年12月29日 12:06:26 Wednesday  
 
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作者:杨宇华 黄伟旭 李明芳 杨 航* 贾育新 吴自香    作者单位:(广东省职业病防治院 广州510300)

【摘要】  目的:探讨能相互印证并不受场所及人群限制的内、外受照剂量测量技术,用于核辐射突发事件早期受照剂量的快速、灵敏、简便估算。方法:光释光技术取集成电路粉末样品测量其信号对辐射剂量的响应;放射性碘内污染测量用8 192道HPGγ谱仪直接测量法;单细胞凝胶电泳技术利用断裂的DNA碎片在裂解液的作用下,从DNA 的超螺旋结构中释放出来,在电泳时移向阳极的彗星样影像而对损伤的DNA 进行检测。结果:集成电路粉末样品在光激发下发射信号且与辐射成线性关系,结果显示辐射剂量从0. 11Gy到110Gy范围内光释光的剂量响应曲线线性较好。对于不同容积的131I样品,容积越小探测效率越高,相同含量不同体积尿样131 I测量值大体是一致的,正常健康人群测量系统给出的尿样的水平为(0. 52±0. 26)Bq /d。单细胞凝胶电泳技术检测的各指标均呈显著剂量效应关系。结论:初步认为上述3种测量技术不仅可用于核辐射突发事件的剂量重建,且认为是内、外受照剂量检测和估算的快速、灵敏、简便方法。

【关键词】  核辐射突发事件; 辐射剂量; 测量技术

  随着经济建设的迅速发展,放射性同位素与射线装置的利用更为广泛和深入,对推动国民经济现代化建设起到积极的促进作用。但由于技术、管理、自然灾害等原因,特别是核恐怖袭击的存在,尽管采取了一系列安全防范措施,但核辐射突发事件的发生仍不能完全避免[1]。人员受照后可能产生辐射生物学效应, 而其剂量大小是临床分类诊断、采取医疗措施的重要依据, 因此核辐射突发事件人员的受照剂量测量和重建已成为热点研究课题。

  目前,虽有一些相关联的剂量检测技术,但仅适用于正常条件下职业性放射工作人员受照剂量检测,且存在操作复杂、费时、灵敏度不高等不足,不适用于发生核辐射突发事件的状况,因此, 建立用于个体内、外受照剂量检测和估算的快速、准确、简便方法实属必要,以满足应对核辐射突发事件医学救护的需要。

  1 测量装置及方法

  1.1 光释光测量

  采用丹麦Risφ国家实验室生产的RisφTL/OSL15A热释光、光释光测量仪实现光释光的测量,且具有很高的测量灵敏度和稳定度。

  1.1.1 放射源 仪器上附带β源,剂量率约为110. 0 mGy·s-1 ,通过设定时间,可实现较大范围的剂量照射。本实验取10个剂量点,照射时间分别为1s, 2s, 5s, 10s, 20s, 50s, 100s, 200s, 500s,1000s,得到不同受照剂量值。

  1.1.2 激发光源 标准配置的光释光测量的激发光源有两种,蓝光(470nm)和红外( 875nm) ,其激发强度分为50mW / cm2 和120mW / cm2 ,对应的探测滤光片(安装于光电倍增管前)采用U340,测量得到BLSL曲线;激发光源为红外光时,对应的探测滤光片采用BG39和Coming 759的组合,测量得到IRSL曲线。

  1.1.3 样品制备和测量 取常用的塑封集成电路芯片,压碎后研磨成粉末,各取样5mg左右,给不同剂量照射后直接放入直径为10mm的不锈钢碟中测量。每次激发测量时间为40s,加热的升温速率为5℃/ s,选用的加热温度最高为175℃。

  1.2 放射性碘内污染测量

  1.2.1 仪器 HPGeγ谱仪:该仪器的主探测器为HPGe半导体探测器,探测器置于壁厚为10cm的铅室内,系统技术指标为相对效率40% (对3" ×3"NaI) ,分辩率为1. 9keV (对 60Co1332keV峰)。在10keV~2MeV能量范围内积分本底1.8计数/ s。

  1.2.2 人员选择 从省人民医院核医学门诊就诊对象中选择拟测定甲状腺功能服碘者,诊疗医生估计其功能正常者(下称服碘正常人)男女共计39名,男8名,女31名,年龄11~73岁。对照组选择正常人(下称正常健康人)男女共计39名,男21名,女18名,年龄20~65岁。测量尿中放射性 131I含量。

  1.2.3 方法 参考标准源的制备与效率刻度取25、50、75、100、125、150、175、200ml, 8种体积的中国原子能研究所 131I标准溶液,分别盛于直径为70mm的塑料测量盒中,制成高度不同的样品,用HPGeγ谱仪测量,进行效率刻度。

  分别取25、50、75、100、125、150、175、200ml, 8种体积服碘正常尿样,分别盛于直径为70mm的塑料测量盒中,制成高度不同的样品,用HPGeγ谱仪测量。探讨在应急情况下,只能取到少量尿样时的快速测量方法。

  尿样的采集,收集24h尿样,混均,量得总体积,然后从中量取健康人尿样200ml放入(直径= 70mm)的塑料测量盒中 (测量杯预先用稀硝酸溶液泡过) ,密封好。服碘正常尿样的采集,收集24h尿样,混均,量取200ml进行测量。两种样品均在8192道HPGeγ谱仪直接测量。

  1.3 单细胞凝胶电泳测量

  1.3.1 试剂和仪器 购自Biowest 公司的正常熔点琼脂糖凝胶,低熔点琼脂糖凝胶为Promega 公司产品,TrisHCl 、DMSO 和Triton X100 均为Sigma 公司产品。水平电泳仪为BIORAD 公司产品,137Csγ辐射源购自加拿大原子能有限公司。

  1.3.2 血样采集与照射 选成年健康男、女各1 名,无吸烟酗酒史,无射线及毒物接触史。每名志愿者抽取外周血1.5 ml ,肝素抗凝,每个血样再分成7 份,每份0.2 ml ,分别标记为对照组、0.5、1、2、3、4 和5 Gy 照射组,60Co射线照射。

  1.3.3 方法

  中性单细胞凝胶电泳实验:参考Banath 等[6]的单细胞凝胶电泳(SCGE) 方法,并稍加改良。① 铺胶:取100μl 正常熔点琼脂糖凝胶均匀铺于自制微电泳槽内,置4 ℃冰箱固化,25 μl 淋巴细胞悬液与75μl 低熔点琼脂糖凝胶混匀后均匀铺于第1 层凝胶上面,置于4 ℃冰箱固化;  ② 裂解和电泳:胶板置于新鲜配制的中性裂解液,4 ℃冰箱中裂解1.5 h ;用双蒸水漂洗去掉多余的盐分,于4 ℃电泳液中静置20 min ,然后在20 V ,200 mA 电泳条件下电泳20min ;③ 染色和观察:溴化乙锭( EB) 染色,双蒸水漂洗,荧光显微镜下观察彗星,用Nikon 相机随机摄取彗星图像,每个剂量点拍摄200 个彗星图像。

  彗星图像分析:彗星图像采用波兰弗罗茨瓦夫大学提供的CASP 系统自动分析[7] ,分析结果用SPSS 1210 统计软件直接读取。选取彗星头部DNA % ( HDNA %) 、尾部DNA %(TDNA %) 、彗星全长(CL) 、尾长(TL) 、尾矩(TM) 和Olive 尾矩(OTM) 作为分析指标。

  2 结果

  2.1 光释光测量

  2.1.1 剂量与光读数的关系 表1为样品在不同辐射剂量、不同激发条件下得到的光读数。图1上线表示样品在蓝红光激发下的线性拟合,下线表示样品在蓝光下的线性拟合,从图1中可以看出辐射剂量从0. 11Gy到110Gy范围内光释光的剂量响应曲线线性较好。图1 剂量响应线性拟合图

  2.1.2 性状稳定性 由于塑封集成电路温度过高会造成样品性状的改变,本实验最高加热至175℃,未观察到性状的改变。表1 不同辐射剂量情况下的光释光读数

  2.2 放射性碘内污染测量

  2.2.1 不同容积131 I标准样的探测效率 在应急情况下,为了快速测定受污人员的内照射剂量,在短时间里只能收集到少量的尿样,这与标准的γ谱分析样品要求不一致,为了快速测出结果,就需要探讨不同体积的样品的探测效率,表2给出了25、50、75、100、125、150、175、200 (ml) 8 种体积 131I标准样在364keV和636keV能量γ射线特征峰的探测效率,从表2可见,探测效率随探测样品容积减少呈增高趋势,即小容积样本探测效率优于大容积样本。表2 不同体积 131I的探测效率

  2.2.2 不同容积服碘正常人尿样的测量 采用同一个个体(服碘正常人)尿样制成8种不同容积的样品进行测量,分析组内样品间的变异度,结果列于表3。由表3可见, 8种不同容积尿样131 I活度浓度波动范围为(16. 6~17. 7) ×104Bq /L,均值标准差为(17. 3 ±0. 4) ×104Bq /L,变异系数2. 3%,表明相同含量不同体积尿样131 I测量值大体是一致的。

  2.2.3 测量系统和尿样本底水平 对于γ谱仪测量来说,由于测量系统自身周围环境以及健康人尿液中均存在微量γ射线的放射性核素,它们势必会影响131 I特征峰定值,为此,采集39人份正常健康人尿样按标准测量程序进行测量,选用131 I核素的364keV、636keV的特征能量峰面积来进行计算,结果见表4。

  2.3 单细胞凝胶电泳测量

  离体人外周血淋巴细胞经0~5 Gyγ射线外照射,诱导DNA双链断裂。DNA 经过解旋,在电场的作用下,DNA断片在电泳液中离开核区域向阳极迁移,形成特征性的彗星状拖尾。由于实验结果发现分别来自男、女志愿者的彗星各项指标差异无统计学意义,故将两人的数据合并后进行统计学分析。DNA 双链断裂的各项指标见表5。由表5可见,随照射剂量的增大,彗星的头部DNA %逐渐减少,尾部DNA %、彗星全长、尾长、尾矩和Olive 尾矩逐渐增加,呈显著的剂量效应关系。表3 不同体积的服碘正常尿样测量结果表4 γ射线特征能量峰所示尿样本底水平表5 离体人淋巴细胞γ射线外照射后DNA 双链断裂的各项指标

  3 讨论

  核辐射突发事件发生后,常用的测量技术是热释光(TL)和电子自旋共振(ESR)波谱两种方法。手表红宝石作为"事故个人剂量剂"较为成熟[2] ,但近年来佩戴机械表的人日趋减少; ESR在样品的制备上有较大的难度,特别是事故后早期取样(如骨组织和牙齿)比较困难[3]。因此光释光在事故剂量学方面的研究有着广泛的应用前景, 光释光在辐射剂量学的应用研究,已成为发光剂量学的研究热点之一[4]。而从辐射事故现场和受照者携带物中寻找到适合事故剂量的材料又显得尤为重要。目前主要的光激发光材料是石英和长石[5] ,选择用此集成电路芯片,是由于核辐射突发事件是意外事件,在受照人员往往没有佩戴个人剂量计的情况下,现场材料和个人携带物品中未必有适合热释光剂量测量的剂量计材料, 而人们往往都会随身携带手机等通讯工具,这样有望在手机中的封装元器件中提取出灵敏度高的光释光剂量计。 本研究结果显示用光释光的测量方法,由于所使用放射源活度较大,光释光信号对辐射剂量在0. 11Gy到110Gy范围内有良好的线性关系,从剂量响应的趋势来看,其探测限可能达到10mGy或更低,但需今后作进一步实验。

  本研究探讨了集成电路用于剂量测量的可能性,由实验结果可知塑封集成电路粉末可以作为光释光剂量计,但组成集成块的材料比较复杂,其中哪些化合物对剂量学性能有怎样的影响,需要做大量的研究工作,有待进一步研究。

  一旦发生核辐射突发事件,快速判明受污染人员体内放射放核素的种类及剂量,对于救治工作是十分重要的。历史上多起核电站事故都向外界释放大量的放射性碘,其中放射性131 I是具有重要生物学意义危害摄入者健康的关键核素之一,而且放射性131I也是医学上最常用的核素,易于取得而潜在发生事故的危险,就核辐射突发事件医学应急处理来说,探讨放射性碘内污染时的快速监测方法有着重要意义的。在应急情况下,为了快速测定受污人员的内照射剂量,在短时间里只能收集到少量的尿样,这与标准的γ谱分析样品要求不一致,通过本次快速判断方法的研究,显示小容积样本探测效率优于大容积样本且相同含量不同体积尿样131 I测量值大体是一致的,用HPGEγ谱仪测量不小于25ml小容积尿样中131 I活度的方法,适用于核辐射突发事件应急条件下放射性碘内污染快速判断。

  核辐射突发事件中常用的传统生物剂量学方法包括染色体畸变法和微核测定法等。虽然目前仍以染色体畸变作为辐射生物剂量估计中的“金标准”,但人们仍然渴望找到一种更为快速、简便、灵敏的检测方法用于辐射生物剂量估算。

  本研究显示采用单细胞凝胶电泳技术检测0~5 Gy 60Coγ射线照射后的淋巴细胞DNA ,从彗星分布图可见,随照射剂量增大,受损细胞增加,损伤程度加重,呈现明显剂量-效应关系。因此,单细胞凝胶电泳技术可成为新一代辐射生物剂量计,在核辐射突发事件患者的早期分类诊断中发挥重要作用。

【参考文献】
   1 郭力生,葛忠良. 核辐射事故的医学处理. 北京:原子能出版社, 1992,288~289.

  2 张建,郭勇,王兴功,等. 手表红宝石热释光剂量学某些特性的进一步研究. 中华放射医学与防护杂志, 1994, 14(3) : 163~165.

  3 Dieter Regulla. From dating to biophysics20 years of progress in applied ESR spectroscopy. Applied Radiation and Isotopes, 2000, 52, 1023~1030.

  4 BA IL IFF I K. Proceedings of The 13th International Conference on Solid State Dosimetry. Radiat Prot Dosim Athens, Greece , 2001.

  5 BotterJansenal. Murraya S. Optically stimulated luminescence techniques in retrospective dosimetry . Radiation Physics and Chemistry, 2001, 61:181~190 .

  6 Banath JP ,Fushiki M,Olive PL. Rejoining of DNA single and doublestrand breads in human white blood cells exposed to ionizing radiation.Int J Radiat Biol ,1998 ,73 :649~660.

  7 Konca K,Lankoff A ,Banasik A ,et al . A crossplatform public domain PC imageanalysis programfor the comet assay.Mutat Res ,2003 ,534 (122) :15~20.

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