Выбор оптимальных материалов для ЭПР‑дозиметрии при аварийном облучении

Введение. Метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), основанный на определении концентрации свободных радикалов, образующихся в окружающих человека предметах под действием ионизирующего излучения, позволяет получить достоверные оценки поглощенных доз у пострадавших в результате неконтролируемого облучения. Однако к материалам, используемым в качестве объектов для ЭПР-дозиметрии, предъявляются достаточно серьезные требования, такие как доступность, предел детектирования, стабильность ЭПР-сигнала во времени, достаточная радиационная чувствительность и т. д. Поэтому, несмотря на то что под действием ионизирующего излучения свободные радикалы образуются практически во всех материалах, далеко не каждый из них может использоваться для получения информации о поглощенных дозах излучения.

Цель. Выбор оптимальных объектов для оценки поглощенных доз ионизирующего излучения пострадавших в случаях аварийного облучения методом ЭПР.

Материалы и методы. Для регистрации ЭПР-спектров применялся стандартный спектрометр X-диапазона Bruker Elexsys E580 с цилиндрическим резонатором SuperHighQ. Для облучения образцов использовался линейный ускоритель электронов модели УЭЛР-10-10С2. В исследованиях рассматривались образцы биологических материалов (волос, ногтей), а также сопутствующие человеку в быту материалы, такие как пластик, хлопчатобумажные ткани, ткани защитных медицинских масок и стекла смартфонов.

Результаты. Результаты показали, что каждый из исследованных объектов имеет свои преимущества и недостатки для ЭПР-дозиметрии. Радиационная чувствительность образцов волос обратно пропорциональна содержанию в них меланина: чем выше концентрация пигмента (и соответственно темнее волос), тем ниже чувствительность к радиации и тем выше фоновый сигнал меланина. Для учета собственного сигнала меланина целесообразно провести дополнительное измерение — зафиксировать цвет волоса посредством фотографии под микроскопом. Альтернативой могут стать образцы ногтей, которые, как и волосы, являются кератиновыми образованиями, но лишены меланина. Недостатком биологических объектов, таких как волосы и ногти, является высокое значение нижнего предела детектирования — более 10 Гр. Высокую радиационную чувствительность показали образцы неокрашенных хлопчатобумажных тканей (нижний предел детектирования — 1 Гр), материал защитных масок имел чувствительность к облучению в несколько раз выше. Стабильные ЭПР-сигналы получены при облучении прозрачных пластиковых пуговиц. Самым чувствительным к облучению оказался материал стекол смартфонов, предел детектирования по которым не превышал 0,5 Гр, однако разброс чувствительности таких стекол оказался значительным даже при исследовании смартфонов одной модели. Вариабельность радиационной чувствительности исследованных материалов составляла 20–50%.

Выводы. При выборе объектов для оценки поглощенной дозы методом ЭПР предпочтительными являются следующие материалы — свидетели радиологических событий: стекла экранов смартфонов, неокрашенные хлопчатобумажные ткани одежды, материалы защитных масок, прозрачный пластик. При использовании волос в качестве биологического дозиметра процедура измерения характеризуется повышенной трудоемкостью, а результаты могут содержать систематическое завышение оцениваемых доз, особенно в случае волос темного цвета. Образцы ногтей, в свою очередь, демонстрируют низкую стабильность радиационно-индуцированного сигнала, который трудно отличить от фоновых сигналов нерадиационной природы. Разброс чувствительности образцов исследованных материалов указывает на необходимость индивидуальной калибровки с применением дополнительного облучения.

1. Иванов ДВ, Байтимиров ДР, Конев СФ, Аладова ЕЕ, Василенко ЕК. Использование различных материалов для ЭПР-дозиметрии в случаях аварийного облучения. Вопросы радиационной безопасности. 2018;91(3):75–81. EDN: YCKITZ

2. Fattibene P, Callens F. EPR dosimetry with tooth enamel: A review. Appleid Radiation and Isotopes. 2010;68(11):2033–116. https://doi.org/10.1016/j.apradiso.2010.05.016

3. Wieser A, Vasilenko E, Aladova E, Fattibene P, Semiochkina N, Smetanin M. Electron paramagnetic resonance measurements of absorbed dose in teeth from citizens of Ozyorsk. Radiation and Environmental Biophysics. 2014;53(2):321–33. https://doi.org/10.1007/s00411-014-0527-8

4. Miyake M, Nakai Y, Yamaguchi I, Hirata H, Kunugita N, Williams BB, et al. In-vivo radiation dosimetry using portable L band EPR: on-site measurement of volunteers in Fukushima prefecture, Japan. Radiation Protection Dosimetry. 2016;172(1-3):248–53. https://doi.org/10.1093/rpd/ncw214

5. Romanyukha A, Mitchell CA, Schauer DA, Romanyukha L, Swartz HM. Q-band EPR biodosimetry in tooth enamel microsamples: feasibility test and comparison with x-band. Health Physics. 2007;93(6):631–5. https://doi.org/10.1097/01.HP.0000269507.08343.85

6. Ghimire L, Waller E. Radiation dose reconstruction using Q-Band EPR analysis of mini-biopsy dental enamel samples. Health Physics. 2026;130(1):36–47. https://doi.org/10.1097/HP.0000000000002041

7. Олесова ВН, Смельцов АВ, Илевич ЮР, Ижевский ПВ, Клещенко ЕД. Применение ЭПР-дозиметрии на мини-пробах эмали. Российский стоматологический журнал. 2010;4:15–6. EDN: MUPOWB

8. Олесова ВН, Смельцов АВ, Илевич ЮР, Ижевский ПВ, Олесов ЕЕ. Ретроспективное определение дозы облучения человека методом ЭПР-спектрометрии по эмали зуба. Российский стоматологический журнал. 2010;4:44–6. EDN: MUPOZX

9. Иванов ДВ, Байтимиров ДР, Конев СФ, Василенко ЕК, Аладова ЕЕ. Исследование дозиметрических характеристик человеческого волоса в зависимости от содержания меланина. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2022;67(4):89–95. https://doi.org/10.33266/1024-6177-2022-67-4-89-95

10. Иванов ДВ, Байтимиров ДР, Конев СФ, Аладова ЕЕ. Использование хлопчатобумажной ткани и волокна в качестве объектов для ретроспективной ЭПР-дозиметрии. Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2024;69(5):109–13. https://doi.org/10.33266/1024-6177-2024-69-5-109-113

11. Trompier F, Della Monaca S, Fattibene P, Clairand I. EPR dosimetry of glass substrate of mobile phone LCDs. Radiation Measurements. 2011;46(9):827–31. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2011.03.033

12. Xie W, Dhinojwala A, Gianneschi NC, Shawkey MD. Interactions of melanin with electromagnetic radiation: from fundamentals to applications. Chemical Reviews. 2024;124(11):7165–213. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.3c00858

13. Çolak S, Özbey T. An ESR study on biological dosimeters: Human hair. Radiation Measurements. 2011;46(5):465–72. https://doi.org/10.1016/j.radmeas.2010.12.002

14. Strzelczak G, Sterniczuk M, Sadło J, Kowalska M, Michalik J. EPR study of γ-irradiated feather keratin and human fingernails concerning retrospective dose assessment. NUKLEONIKA. 2013;58(4):505–9.

15. Naikwadi AT, Sharma BK, Bhatt KD, Mahanwar PA. Gamma radiation processed polymeric materials for high performance applications: A review. Frontiers in Chemistry. 2022;14;10:837111. https://doi.org/10.3389/fchem.2022.837111

16. Bruck SD, Mueller EP. Radiation sterilization of polymeric implant materials. Journal of Biomedical Materials Research. 1988;22:133–44. https://doi.org/10.1002/jbm.820221306

17. Silindir M, Ozer Y. The effect of radiation on a variety of pharmaceuticals and materials containing polymers. PDA Journal of Pharmaceutical Science and Technology. 2012;66(2):184–99.

18. Trompier F, Bassinet C, Clairand I. Radiation accident dosimetry in plastics. Health Physics. 2010;98(2):388–94. https://doi.org/10.1097/01.HP.0000346334.78268.31

19. Sholom S, Chumak V. EPR emergency dosimetry with plastic components of personal goods. Health Physics. 2010;98(2):395–9. https://doi.org/10.1097/01.HP.0000346336.25335.df

20. Kamenopoulou V, Barthe J, Hickman C, Portal G. Accidental gamma irradiation dosimetry using clothing. Radiation Protection Dosimetry. 1986;17(1):185–8. https://doi.org/10.1093/oxfordjournals.rpd.a079805

21. Barthe J, Kamenopoulou V, Cattoire B, Portal G. Dose evaluation from textile fibers: a post-determination of initial ESR signal. International Journal of Radiation Applications and Instrumentation. 1989;40(10-12):1029–83. https://doi.org/10.1016/0883-2889(89)90036-1

22. Fattibene P, Trompier F, Wieser A, Brai M, Ciesielski B, De Angelis C, et al. EPR dosimetry intercomparison using smart phone touch screen glass. Radiation and Environmental Biophysics. 2014;53:311–20. https://doi.org/10.1007/s00411-014-0533-x

23. Sholom S, Wieser A, McKeever SW. A comparison of different spectra deconvolution methods used in EPR dosimetry with Gorilla® glasses. Radiation Protection Dosimetry. 2019;186(1):54–9. https://doi.org/10.1093/rpd/ncy260

24. Marciniak A, Ciesielski B, Juniewicz M. EPR dosimetry in glass: a review. Radiation and Environmental Biophysics. 2022;61:179–203. https://doi.org/10.1007/s00411-022-00970-w