La risonanza paramagnetica elettronica (EPR) trova applicazioni nel campo della determinazione della dose per l'irradiazione, i test sull'irradiazione degli alimenti e la prevenzione delle malattie professionali

November 29, 2024

Con l’uso diffuso dei raggi gamma nell’industria, nell’agricoltura, nella medicina e nel settore alimentare, la misurazione accurata della dose di radiazioni è diventata sempre più importante. EPR Spettrometro è attualmente l'unico metodo diretto per rilevare gli elettroni spaiati in un campione, consentendo la misurazione precisa della dose di radiazioni rilevando i radicali liberi generati nel materiale irradiato.

La dose di radiazioni può essere classificata in dose bassa (meno di 1 kGy), dose media (1-10 kGy) e dose alta (maggiore di 10 kGy) e i suoi effetti possono variare da nessun sintomo clinico a sintomi gravi , sintomi clinici fatali precoci e morte prematura.

Dopo decenni di ricerca, sono stati sviluppati vari metodi chimici, fisici e biologici per la misurazione della dose di radiazioni, inclusi prodotti multimodali con indicatori fotoacustici. Con lo sviluppo della biologia molecolare, è stato riconosciuto che alcune molecole biologiche, come i cromosomi, sono sensibili alle radiazioni e possono essere utilizzate per misurare la dose di radiazioni. Tuttavia, a dosi elevate di radiazioni, l'inattivazione delle molecole biologiche può ostacolare il processo di rilevamento e i dosimetri biologici basati su questo principio richiedono tempi di elaborazione e analisi dei campioni più lunghi.

Quando un materiale viene irradiato da varie radiazioni o neutroni, genera radicali liberi. Pertanto, l'utilizzo della spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica (EPR) per rilevare i radicali liberi generati nel materiale irradiato è un metodo diretto e conveniente. I dosimetri progettati sulla base dell'EPR per questo scopo sono chiamati dosimetri EPR, che presentano vantaggi unici rispetto ad altri dosimetri:

Elevata sensibilità per rilevare livelli di dose clinicamente significativi
Fornisce dati altamente specifici e affidabili con sufficiente precisione
Ampia gamma di copertura adatta per il rilevamento rapido
Può funzionare in vari ambienti
Non invasivo e non distruttivo per il campione
Strumenti specializzati facili da utilizzare

Caso 1: test di irradiazione degli alimenti

L'irradiazione degli alimenti è il processo che utilizza le radiazioni per ritardare alcuni processi fisiologici (come la germogliazione e la maturazione) negli alimenti freschi o per trattare gli alimenti per scopi quali il controllo degli insetti, la disinfezione, la sterilizzazione e la prevenzione delle muffe, prolungandone così la durata di conservazione e stabilizzare e migliorare la sua qualità.

Vari alimenti, tra cui carne, ossa, frutta, frutta secca e cibo, producono segnali EPR rilevabili di radicali liberi quando irradiati. L'intensità del segnale dei radicali liberi è correlata alla natura dei vari materiali e metodi di lavorazione, in particolare alla dose di radiazioni. La tecnologia EPR è il metodo più diretto per rilevare i radicali liberi.

Figura 1mostra gli spettri EPR di una determinata marca di latte in polvere prima e dopo l'irradiazione, con dosi di radiazioni di 0 kGy, 2,0 kGy, 4,0 kGy, 6,0 kGy e 8,0 kGy. Dalla figura si può osservare che non vi è quasi alcun segnale EPR rilevabile prima dell'irradiazione, ma dopo l'irradiazione appare un chiaro segnale di radicali liberi con un valore g vicino a 2,0 e la sua intensità aumenta linearmente con la dose .

Figura 1: Spettri EPR del latte in polvere a dosi di irradiazione di 0 kGy, 2 kGy, 4 kGy, 6 kGy e 8 kGy

Caso 2: Prevenzione e trattamento delle malattie professionali

La prevenzione e il trattamento delle malattie professionali sono di grande importanza nella valutazione dello stato di salute del personale che lavora nelle vicinanze degli impianti nucleari. All'inizio degli anni '80, l'Agenzia internazionale per l'energia atomica (AIEA) scelse l'alanina come dosimetro per l'irradiazione ad alte dosi e standardizzò il sistema di misurazione dell'alanina-EPR.

L'alanina può formare radicali liberi stabili dopo l'irradiazione ionizzante e il suospettro EPRmostra un picco a cinque linee con un valore g centrale di circa 2. L'intensità del segnale EPR può essere rappresentata dall'ampiezza del segnale o dall'area sotto la seconda curva integrale. Tecnicamente, la polvere del reagente alanina può essere confezionata in piccoli sacchetti o capsule per realizzare dosimetri in polvere, oppure una miscela di alanina, leganti e lubrificanti può essere trasformata in dosimetri di alanina solida utilizzando processi come compressione, fusione o estrusione. Questi dosimetri possono essere portati sul campo insieme al personale e, dopo aver lasciato il campo, i campioni possono essere testati in uno spettrometro EPR. La dose di radiazioni ricevuta dal personale può essere analizzata confrontando l'intensità del segnale EPR rilevato con una curva di calibrazione.

Figura 2: Spettro EPR del dosimetro di alanina irradiato con una dose assorbita di 33,7 kGy (a sinistra);

Curva di calibrazione dose-risposta dell'alanina(a destra)

Caso 3: Ricostruzione della dose di radiazioni

La ricostruzione della dose di radiazioni è essenziale in caso di esposizione accidentale a radiazioni ionizzanti dovuta a una guerra nucleare o a incidenti nucleari, poiché aiuta a determinare il livello di radiazioni nucleari, a sviluppare piani di trattamento di emergenza e a condurre successive indagini sugli incidenti.

La tecnologia EPR svolge un ruolo significativo nella ricostruzione della dose di radiazioni, in particolare nella valutazione della dose di radiazioni ricevuta dagli individui a seguito dell'esposizione alle radiazioni. EPR può essere utilizzato per analizzare i radicali liberi indotti dalle radiazioni in campioni di tessuti biologici come smalto dei denti, unghie e capelli. Questi radicali liberi si formano nei tessuti biologici in seguito a radiazioni ionizzanti e la loro concentrazione è proporzionale alla dose di radiazioni ricevuta. Pertanto, misurando la concentrazione di questi radicali liberi, è possibile stimare retrospettivamente la dose di radiazioni ricevuta da un individuo.