Влияние физико-химической обработки эмали зуба человека на сигнал ЭПР тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.09 ВАК РФ

На правах рукописи

СКРИПНИК ДАНИИЛ ГЕННАДЬЕВИЧ

"ВЛИЯНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЭМАЛИ ЗУБА ЧЕЛОВЕКА НА СИГНАЛ ЭПР"

Специальность 02.00.09. — Химия высоких энергий

АВТОРЕФЕРАТ

ДИССЕРТАЦИИ НА СОИСКАНИЕ УЧЕНОЙ СТЕПЕНИ КАНДИДАТА ХИМИЧЕСКИХ НАУК

Обнинск - 2004

Работа выполнена в Лаборатории экспериментальной ядерной медицины Медицинского радиологического научного центра РАМН, (г. Обнинск.)

Научные руководители:

кандидат биологических наук Скворцов Валерий Григорьевич кандидат химических наук Бозаджиев Леонид Лукьянович

Официальные оппоненты:

доктор химических наук, профессор Фельдман Владимир Исаевич доктор химических наук, профессор Милинчук Виктор Константинович

Ведущая организация:

филиал ФГУП НИФХИ им. Л.Я. Карпова (г. Обнинск)

Защита диссертации состоится «16» апреля 2004 г. в 16 ч. 15 мин на заседании Диссертационного совета Д501.001.90 по химическим наукам при Московском Государственном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Москва, ГСН-2, Ленинские горы, д.1, стр.3, химический факультет МГУ, ауд. 337

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке химического факультета МГУ им. В.М. Ломоносова

Автореферат разослан «15 » марта 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат химических наук

Бобылева М.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Одним из главных направлений современной дозиметрии является разработка методов определения индивидуальной наколенной дозы облучения в аварийных и неконтролируемых ситуациях. К таким методам относится метод ЭПР-дозиметрии по эмали зубов, который благодаря прогрессу в области техники ЭПР-спектроскопии, в последнее время получает все большее признание, как один из наиболее достоверных методов инструментальной ретроспективной дозиметрии.

Данный метод прошел государственную стандартизацию и применяется в ряде научно-исследовательских центров для обследования лиц, подвергшихся радиационному воздействию. На современном уровне развития техники достигаемая точность и, соответственно, минимальный порог определяемой индивидуальной дозы данным методом составляет 30-50 мГр. Однако, для выявления тонких эффектов влияния малых доз облучения на здоровье человека необходимо повышение точности и снижение минимального порога чувствительности.

Трудности, возникающие при реализации метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов, которые лимитируют точность и надежность получаемых результатов, обусловлены несколькими причинами. Спектр облученного образца эмали состоит из нескольких перекрывающихся сигналов, из которых основными являются радиационно-индуцированный (РИ) и, так называемый, нативный фоновый (НФ) сигналы. Причем амплитуда РИ сигнала при малых дозах облучения незначительна по сравнению с амплитудой НФ сигнала и сравнима с последней лишь при повышении накопленной дозы до 2-3 Гр. Чистый РИ сигнал, по амплитуде которого определяют наколенную дозу облучения, получают путем вычитания смоделированного НФ сигнала из суммарного спектра образца эмали. При низких накопленных дозах облучения (50-100 мГр и ниже) даже небольшие неточности, связанные с вычитанием НФ сигнала, приводят к возникновению существенной погрешности определения амплитуды РИ сигнала, что, в свою очередь, понижает точность определения дозы облучения.

Основной вклад в НФ сигнал дает сигнал, обусловленный присутствием в образцах эмали радикалов ее органической матрицы и остатками дентина. Кроме того, при измельчении эмали в спектре возникает так называемый механоиндуцированный (МИ) сигнал, который обусловлен механическими повреждениями кристаллов неорганической матрицы эмали при измельчении образцов, что вносит дополнительный

вклад в НФ сигнал, что также приводит к возникновению возрастанию погрешности метода.

Таким образом, разработкаа методик снижения амплитуды НФ сигнала позволит существенно повысить точность и нижний предел определения дозы облучения методом ЭПР-спектроскопии.

Радикальным путем ослабления НФ сигнала может быть физико-химическая обработка образцов эмали, приводящая к частичному или полному уничтожению парамагнитных центров (ПЦ), ответственных за этот сигнал.

Отсюда очевидна актуальность разработки методики физико-химической обработки образцов зубной эмали для снижения или полного уничтожения НФ сигнала.

Цель и задачи исследования.

Целью данной работы является комплексное изучение и оценка факторов, определяющих эффективность физико-химической обработки образцов зубной эмали с точки зрения ЭПР-дозиметрии. Для достижения поставленной цели исследования решались следующие задачи:

• Анализ влияния различных химических агентов на изменение НФ сигнала в спектре ЭПР образцов эмали зубов человека;

• Выбор оптимального депротеинизируюгцего реагента;

• Определение оптимального времени обработки образцов эмали выбранным депротеинизируюгцим реагентом;

• Определение оптимального температурного режима обработки образцов эмали депротеинизируюгцим реагентом;

• Изучение влияния размера гранул эмали на форму и интенсивность НФ сигнала в спектре ЭПР образцов эмали зубов человека;

Научная новизна и практическая значимость.

В отличие от ранее проведенных исследований данная работа представляет собой систематическое изучение процессов воздействия физико-химических факторов на форму спектров ЭПР и интенсивность отдельных сигналов, в спектрах ЭПР образцов эмали. К числу этих факторов относятся: химические свойства депротеинизирующих реагентов, температурный и временной режимы обработки и промывки эмали, степень измельчения образцов эмали.

Научная новизна заключается в следующем:

• Впервые проведено экспериментальное исследование воздействия сильных химических восстановителей на эмаль зубов;

• Впервые показано, что источником НФ сигнала являются пептидные связи коллагена эмали;

• Впервые проведено исследование зависимости величины МИ сигнала от размера гранул исследуемого образца:

• Проведена экспериментальная оценка времени жизни МИ ПЦ в структуре эмали;

Практическая значимость заключается в следующем:

1* Разработана методика физико-химической обработки образцов эмали, приводящая к практически полной элиминации НФ и МИ сигналов в спектре ЭПР эмали. При этом изменения интенсивности РИ сигнала эмали не обнаружено;

• Применение метода физико-химической обработки эмали

позволит существенно снизить погрешность метода ЭПР-дозиметрии

• Метод позволяет исследовать РИ сигнал при низких дозах

облучения;

• Метод физико-химической обработки эмали позволяет

определить форму линии НФ и РИ сигналов, что необходимо для верификации и валидации методов математической обработки спектров.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены и обсуждены на научно-практической конференции «Энергетика 3000» (Обнинск. 199S). на научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий», (Томск, 2000), на I Всероссийской конференции «Прикладные аспекты химии высоких энергий» (Москва, 2001). на 14-й ежегодной конференции Ядерного Общества России «Научное обеспечение безопасного использования ядерных энергетических технологий» (Удомля. 2003)

Публикации.

Материалы диссертации отражены в 9 опубликованных работах: статьях, тезисах докладов на конференциях.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения пяти глав и выводов. Работа изложена на 102 страницах машинописного текста, содержит таблицы, рисунка. Список цитируемой литературы включает 112 работ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и основные задачи исследования, отмечена научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Литературный обзор состоит из 4 разделов. В первом разделе обзора рассматриваются состав и строение твердых тканей организма. Во втором разделе рассматривается механизм образования парамагнитных центров в кристаллических структурах под воздействием ионизирующего излучения. В третьем разделе рассмотрены дозиметрические свойства зубной эмали и факторы, влияющие на результаты проведения измерений спектров ЭПР эмали. В четвертом разделе рассмотрены спектроскопические свойства зубной эмали, природа и локализация в эмали ПЦ,. ответственных за существование РИ, НФ и МИ сигналов в спектре ЭПР образцов эмали.

Методическая часть работы состоит из двух частей: объекты исследования, методики эксперимента и методы анализа.

Объекты исследования. В качестве объектов исследования использовались образцы эмали зубов человека, удаленных по медицинским показаниям у населения, проживающего на территориях, не загрязненных радиоактивными выпадениями вследствие аварии на ЧАЭС (Боровский и Жуковский районы Калужской области).

Эмаль выделяли путем удаления дентина из коронки зуба при помощи твердосплавных зубоврачебных боров при низкой скорости вращения (10000 об/мин). Затем эмаль измельчали в агатовой ступке и, при необходимости, разделяли на фракции требуемого размера при помощи набора калиброванных сит с различными размерами ячеек. Масса образцов для анализа составляла от 50 до 150 мг.

При обработке борами и измельчении в ступке эмаль испытывает высокие механические напряжения, сопровождающиеся образованием неспаренных электронов и разрывами волокон коллагена с образованием органических радикалов. Поэтому после приготовления образцы

промывались бидистиллированной водой и этанолом от мелкодисперсной пыли и выдерживались в течение нескольких суток при комнатной температуре для рекомбинации МИ ПЦ.

Методики эксперимента и методы анализа. В качестве основного метода исследования применялся метод спектроскопии электронного парамагнитного резонанса. В качестве дополнительных использовалась спектроскопия в инфракрасной области, ионизационный и химический методы дозиметрии ионизирующего излучения.

Экспериментальная часть состоит из 3 глав, которые посвящены исследованию воздействия диэтиламина и гидразина на зубную эмаль и исследованию зависимости интенсивности нативного сигнала от степени измельчения образцов эмали.

Глава 3 Исследование влияния диэтиламина на эмаль

Поскольку эмаль содержит около 3% органических веществ, дающих основной вклад в величину НФ сигнала, то в данной работе применяется метод снижения НФ сигнала путем депротеинизации эмали. В литературе имеются данные о применении этилендиамина для депротеинизации костной ткани. Мы адаптировали эту методику для депротеинизации эмали. Вместо этилендиамина мы использовали другой аминосодержащий реагент - диэтиламин.

Обработку эмали проводили по следующей методике:

Необлученный образец эмали помешали в аппарат Сокслетта и подвергали обработке диэтиламином в течение 12 и 24 часов. Из-за термической нестабильности диэтиламина, его приходилось менять через каждые 3-6 часа.

Затем образец эмали промывали, бидистиллированной водой в течение 36 часов. После этого его промывали 96% этиловым спиртом. Промывку осуществляли также в аппарате Сокслетта. После промывки образцы сушили при температуре 50°С в течение 2 часов. После этого образец эмали был готов для измерений.

После обработки необлученных образцов эмали в спектре ЭПР происходят незначительные изменения (рис.1).

а)

В)

Рис.1. Спектры ЭПР необлученной эмали:

а) до обработки диэтиламииом

б) после 12 ч. обработки диэтиламииом

в) после 24 ч. обработки диэтиламииом

Как видно из

спектров, представленных на рис.1 интенсивность НФ сигнала за 24 часа обработки диэтиламином падает приблизительно в 2 раза. Динамика

изменения амплитуды НФ сигнала представлена на рис.2.

Рис. 2. Динамика уменьшения амплитуды НФ сигнала

Иреиа <и*|р.1001 ».и >%и 1и часы

Кроме спектров ЭПР для определения содержания органических веществ в эмали использовалась ИК спектрофотометрия. При записи ИК спектров проводилась их нормализация относительно массы. Анализ ИК спектров (рис.3.) этих же образцов показал, что полосы поглощения, соответствующие волновым числам 1410, 1460, 1540 и 1640 см" соответствуют характеристическим колебаниям кислотных групп и аминогрупп, входящим в состав коллагена. Полосы поглощения с максимумами при 569, 605 см"1 с валентными колебаниями Р-О- группы, а 1040 смл как колебания Р=0 группы. Кроме того, в эту область попадают резонансные колебания -SH и -NN3 групп высокомолекулярных белков,

например коллагена. Пик 3400-3600 см'1 соответствует пику поглощения гидроксильного водорода.

На ИК спектре (рис.3) видно, что после обработки эмали диэтиламииом интенсивность пика гидроксильного водорода увеличилась, но при этом интенсивность пиков 1410, 1460, и 1640 см"1 частично снижается. Довольно заметно снизилась интенсивность полос поглощения с максимумами 569, 605 и 1040 см'1.. Основные изменения происходят в течение 24 часов обработки. За это время происходит полный гидролиз органической составляющей эмали. Продукты гидролиза удаляются промыванием смесью этанол - вода. По видимому, этим и объясняется возрастание интенсивности пика гидроксильной группы. Вероятно, в результате обработки диэтиламин активирует неорганическую составляющую эмали, которая сорбирует на себе гидроксильные группировки промывочного раствора.

Рис. 3. ИК спектры эмали: Ч,

а), до обработки.

б) после 12 ч. обработки диэтиламииом.

в) после 24 ч. обработки диэтиламииом

Таким образом, в результате проведенной обработки диэтиламин не привел к радикальному снижению НФ сигнала, в спектре ЭПР эмали. По ИК спектрам видно, что деструкция белков в эмали все-таки происходит, но не достаточно полная и крупные фрагменты белков практически не вымываются из плотной кристаллической основы эмали. Именно плотную кристаллическую структуру гидроксиапатита следует считать причиной неэффективности обработки эмали диэтиламином с точки зрения ослабления НФ сигнала. Молекулы диэтиламина имеют относительно большие размеры (7,5 А) и являются малополярными. Этот реагент не имеет возможности проникать между призмами и реагировать с белковой оболочкой вследствие плотной упаковки призм между собой.

Предполагаемый механизм взаимодействия диэтиламина и коллагена выглядит так:

МНЛР5 1МПМИСТ МТЙ ЗГАПОН

к, п о к, | I и и I

/• М I !•

II II II II II II С-С\ Г-С-П

I I N I I

II II I II II

II

С112-С113

С11ГСН3

В результате взаимодействия диэтиламина с коллагеном происходит разрыв пептидной связи по атому азота, при этом корбоксильная группа восстанавливается до спирта и происходит присоединение диэитламина к атому углерода карбоксильной группы.

Образующиеся продукты реакции с концевыми алифатическими цепочками обладают низкой растворимостью в наших промывочных растворах, что лимитирует степень удаления продуктов реакции из образца эмали. Кроме того, играет роль проницаемость эмали для молекул диэтиламина- молекулам диэтиламина, вследствие своего размера, трудно проникнуть сквозь плотную кристаллическую решетку гидроксиапатита и добраться до фибрилл коллагена, находящихся внутри нее. Таким образом, из-за недостаточной проницаемости молекул диэтиламина в матрице эмали и образования малорастворимых соединений, диэтиламин не приводит к снижению НФ сигнала до нулевой величины. Поэтому его применение в качестве депротеинизирующего агента малоэффективно.

В литературе имеются данные об эффективном использовании для депротеинизации костной ткани при подготовке костных трансплантатов и препарат для электронной микроскопии сильного восстанавливающего реагента - гидразина. Гидразин - ЫгЬЦ обладает высокой восстановительной активностью и проникающей способностью вследствие небольших размеров его молекулы.

Обработка эмали гидразином производилась следующим образом. Перед процедурой депротеинизации производилось обезжиривание порошка эмали в смеси этанола и этилового эфира (1:1).

Глава 4 Исследование влияния гидразина на эмаль

Образец эмали массой приблизительно 150 мг помещали в герметично закрывающиеся флаконы из полипропилена и заливали 3-5 мл химически чистого гидразина. После этого емкость с образцом инкубировали в термостате при температуре 70оС 24-72 часа. После инкубации реактив декантировался, и производилась промывка эмали водными растворами этанола с последовательно нарастающей концентрацией этанола: 50, 75 и затем 100%. Сосуды с образцами в этаноле помещали в ультразвуковую ванну на 2 часа. Затем эти образцы сушили при 50°С в течение 2 часов. После такой обработки регистрировали спектры ЭПР образцов.

После обработки

необлученных образцов эмали в спектре ЭПР происходят значительные изменения (рис.4.).

Динамика изменения амплитуды НФ сигнала в процессе обработки представлена на рис. 5.

Рис. 5. Лннзм;!К2 >меньшения амплитуды НФ сигнала от времени обработки эмали гидразином.

Как видно из сопоставления спектров ЭПР, записанных до и после обработки гидразином, интенсивность НФ сигнала уменьшается практически до нуля уже после первых 24 часов обработки. По спектрам ЭПР видно, что кроме НФС также элиминируется и МИ сигнал возникающий после механического измельчения эмали.

Анализ ИК спектров этих же образцов (рис.6) показал, что полосы поглощения, соответствующие волновым числам 1410, 1460, 1540 и 1640 см"1 соответствуют характеристическим колебаниям кислотных групп и аминогрупп, входящим в состав коллагена. Полосы поглощения с максимумами при 569, 605 см"1 связаны с валентными колебаниями Р-О-группы, а 1040 см"' как колебания Р=0 группы. Кроме того, в эту область попадают резонансные колебания - групп высокомолекулярных

белков, например коллагена. Пик 3400-3600 см*1 соответствует пику поглощения гидроксильного водорода. На ИК спектре (рис.6) видно, что после обработки эмали гидразином интенсивность пика гидроксильного водорода не изменилась, но при этом интенсивность пиков 1410, 1460, и 1640 см"1 снижается практически до НФ значения. Частично снизилась интенсивность полос поглощения с максимумами 569, 605 и 1040 СМ* Основные изменения происходят в течение первых 48 часов обработки. При обсчете интенсивности пиков поглощения мы провели нормирование по пику группы Р=О, интенсивность которого не изменяется

Рис.6. ИК спектры необлученной эмали:

а) до обработки гидразином

б) 24 ч. обработки гидразином

в) 48 ч. обработки гидразином г) 72 ч. обработки гидразином

PHILIPS INFMItE» ВАТА STATION

PHILIPS INTMXEB MTA STATION

Кинетика изменения интенсивности пиков различных функциональных групп представлена на рис. 7. Слева представлена кинетика изменения высот пиков функциональных органических, а справа неорганических групп в ИК спектрах образцов эмали.

Хорошо видно, что интенсивность сигналов фосфатных групп гидроксиапатита практически не изменяется в течение первых 48 часов. Большее время обработки гидразином приводит к снижению интенсивности пика группы -Р-О. Интенсивность пика группы -ОН неуклонно снижается с увеличением времени обработки. Это. по-видимому, связано с тем, что гидразин связывает гидроксильнлю группу, превращаясь в гидразин гидрат.

Из кинетики изменения интенсивности пиков функциональных органических групп белков эмали мы видим, что все они заметно уменьшились. Это можно объяснить тем. что при обработке гидразином происходит разрушение пептидных связей, и фрагменты разрушенных белков постепенно вымываются водно-этанольной смесью.

Взаимодействие гидразина с коллагеном может происходить по нескольким конкурентным механизмам

Наиболее вероятным является разрыв пептидной связи и присоединение к карбоксильному атому углерода гидразина с последующим отщеплением молекулы воды и образованием гидразона:

Оба эти соединения хорошо растворимы в воле и этаноле, что и приводит к полному вымыванию продуктов реакции из образца. Это приводит к элиминации НФ сигнала. Кроме того взаимодействие гидразина с белками может приводить к образованию дн- три- тетрапептидов с восстановлением концевых карбоксильных групп до спиртов и образованию аммиака и азота:

Все полученные соединения, за исключением гидразонов, хорошо растворяются в применяемом промывочном растворе и легко вымываются из плотной структуры, такой как эмаль. В результате обработки гидразином мы получаем практически чистую неорганическую матрицу, сохранившую все РИ ПЦ.

Таким образом, результаты проделанной работы показывают что, воздействие гидразина на коллаген, содержащийся в матрице эмали, приводит к образованию низкомолекулярных полипептидов, у которых концевой карбоксильный углерод либо восстановлен до спиртов, либо представляет из себя гидразиды, гидразоны и гидроксигидразоны. Вследствие этого нерастворимый коллаген превращается в ряд водо- и спирторастворимых соединений. Это позволяет практически полностью удалить белковую составляющую эмали и как следствие снизить амплитуду НФ сигнала до шумового уровня.

Основная цель физико-химической обработки эмали гидразином -снижение амплитуды НФ сигнала была достигнута. Следующий вопрос, который предстояло выяснить, - как сказывается обработка эмали гидразином на форме и интенсивности РИ сигнала. Поэтому, в последующих экспериментах были использованы образцы эмали, подвергшиеся дополнительному облучению. Облучение образцов производили на аттестованной медицинской установке "Луч-1" с источником Со60 с мощностью дозы 0.1 Гр/мин. Образцы при облучении помещали в бумажные пакеты между двумя пластинами из полиметилметакрилата толщиной 4 мм для создания условий электронного равновесия.

Поскольку предполагалось, что процесс взаимодействия гидразина с веществом эмали лимитируется диффузией реагента и продуктов реакции в плотной матрице эмали, то первые эксперименты по обработке были проведены с образцами в виде порошка с высокой степенью размельчения (<75 мкм). Были использованы два образца - облученные до размельчения в дозах 1.5 и 0.5 Гр. После размола в спектре ЭПР образцов появлялся дополнительный сигнал, обусловленный МИ ПЦ (о нем будет сказано ниже) который накладывался на исходный НФ сигнал и, таким образом, приводил к увеличению его амплитуды. Наблюдаемая величина МИ сигнала снижалась в течение 3 суток в пределах 30-50%, а затем стабилизировалась. После обработки образцов гидразином наблюдали существенное уменьшение НФ и МИ сигналов, практически до полного их исчезновения, при этом РИ сигнал существенно не изменялся (Рис.8, 9).

Таким образом, в результате обработки эмали гидразином удалось добиться значительной элиминации НФ сигнала в спектре ЭПР эмали. Это стало следствием того, что чистый гидразин является гораздо более реакционноспособным восстановителем чем диэтиламин. Гидразин легко проникает в плотную кристаллическую структуру эмали, основу которой является гидроксиапатит. При этом, разрушая органические вещества в составе эмали, гидразин не повреждает микрокристаллы гидроксиапатита -основных носителей информации о накопленной дозе облучения.

Глава 5 Исследование зависимости интенсивности НФ сигнала от степени измельчения образцов эмали.

В данной главе приведены результаты экспериментов по исследованию механоиндуцированных процессов в эмали, целью которых являлось: регистрация МИ сигналов ЭПР эмали, определение времени жизни МИ ПЦ, влияние интенсивности механического воздействия на НФ и РИ сигналы ЭПР эмали.

В экспериментах по регистрации МИ сигналов эмаль подвергалась гораздо более интенсивному механическому воздействию, чем в стандартном процессе подготовки пробы эмали к измерению, что позволило получить хорошо регистрируемый эффект.

Исследование МИ сигнала, образующегося в эмали при измельчении без доступа атмосферного кислорода, проводили следующим образом.

Образец эмали со средним размером зерен порядка 1-2 мм предварительно облучили дозой 1.5 Гр. Затем проводили измельчение эмали вручную в агатовой ступке под слоем этилового спирта для исключения доступа атмосферного кислорода. Перед измерением спектра ЭПР мелкодисперсный порошок эмали высушили на воздухе. Конечный размер зерен эмали составил <75 мкм.

Спектр ЭПР порошка эмали непосредственно после измельчения в ступке и просушивания на воздухе представлен на рис.10 . Наряду с НФ и РИ сигналами в спектре наблюдается сигнал (стрелка 1), совпадающий по форме и положению в спектре с НФ сигналом.

Рис.10. Спектр ЭПР образца эмали, облученного в дозе 1,5 Гр:

(1) - до измельчения (размер гранул 1-2 мм),

(2) - после измельчения в агатовой ступке под слоем этанола (размер гранул <75 мкм).

На рис. 10 МИ сигнал в спектре ЭПР эмали измельченной в агатовой ступке под слоем этанола показан стрелкой.

Для исследования МИ сигнала, образующегося в эмали при измельчении на воздухе, использовали образцы эмали, предварительно облученной дозой 0.4 Гр. Кроме того, образцы разделили по размеру гранул: 1-2 мм, 100 мкм, 20-30 мкм и менее 10 мкм. В спектре ЭПР, измеренном непосредственно после измельчения в агатовой ступке на воздухе (рис.11.) наблюдаются два типа сигналов: сигнал, помеченный стрелкой 1, который наблюдается и после измельчения без доступа воздуха, а также более широкий сигнал (стрелка 2). Наблюдается четкая зависимость между размером гранул и интенсивностью МИ сигналов: чем меньше размер гранул, тем больше интенсивность МИ сигналов.

М4 34в 3« 350 352 ЗИ Напряженность магштдао попя, мТл

Источником сигнала (стрелка 2), по-видимому, являются пероксидные радикалы, образующиеся на поверхности эмали при взаимодействии атмосферного кислорода с МИ радикалами.

Обнаружено, что обработка крупнозернистых образцов эмали перекисью водорода в течение нескольких месяцев приводит к появлению в спектре ЭПР сигнала, аналогичного сигналу (стрелка 2). При этом, сигнал (стрелка 1) не наблюдается.

Рис. 11. МИ сигналы в спектре ЭПР эмали после измельчения в агатовой ступке на воздухе в зависимости от размера гранул. Стрелками показаны два типаМИ сигналов.

Для оценки времени жизни МИ ПЦ в эмали была проведена серия измерений интенсивности МИ сигналов ЭПР мелкодисперсного порошка эмали в зависимости от времени после измельчения. Первый спектр ЭПР был записан непосредственно после измельчения эмали в агатовой ступке. Затем эмаль хранилась при комнатной температуре на воздухе; каждые 24 часа измерялись спектры ЭПР.

Результаты измерений представлены на рис. 12. Сплошная линия -аппроксимация измеренной зависимости интенсивности МИ ПЦ от времени I после измельчения:

С(1)/С(0)=ехр(-кП).

Параметр 1/к определяет время, за которое концентрация МИ ПЦ падает в е раз. Для параметра к методом последующих приближений получена оценка 0.17+/-0.04 сут

Таким образом, концентрация МИ ПЦ в эмали уменьшается в е раз каждые 6 сут. хранения на воздухе при комнатной температуре.

»

ЭМ 34« 34» КО »1 Э&4

Нираимамкммпиоахвм мТ*

Рис. 12 Зависимость амплитуды МИ сигнала в спектре ЭПР мелкодисперсного порошка эмали от времени после измельчения.

Была проведена серия экспериментов с необлученными образцами эмали различных размеров. Это помогло определить оптимальные размеры гранул эмали для записи спектров ЭПР, неискаженных МИ сигналом. Одновременно целью экспериментов было достижение максимальной депротеинизации образцов эмали. Образцы эмали были измельчены в агатовой ступке и разделены на фракции различного размера зерен при помощи сит. После измельчения с образцов эмали записывались спектры ЭПР. Затем образцы подвергали обработке гидразином в течении 72 часов. После этого следовала промывка и просушка образцов эмали. Далее записывались спектры ЭПР. После измельчения наблюдается возрастание интенсивности МИ сигнала с уменьшением размера гранул эмали (рис 13). В результате обработки гидразином на спектрах всех проб наблюдается резкое уменьшение амплитуды как НФ, так и МИ сигналов. Для фракций с размером гранул более 250 мкм снижение амплитуды этих сигналов составляет примерно в 6 раз, а для частиц с размерами менее'250 мкм примерно в 40 раз. Однако при работе с мелкодисперсными образцами потери массы достигают 50%. Отсюда следует сделать вывод о том, что измельчение менее чем 100 мкм нецелесообразно, так как оптимальные массы образцов составляют 60-100 мг и такие большие потери неприемлемы. Сопоставление методов определения дозы облучения эмали.

Из-за присутствия природного радиационного фона образцов эмали с нулевой дозой облучения в природе не существует. «Математическийметод» определения дозы облучения.

По спектрам исходных образцов были рассчитаны «математическим методом» дозы облучения. Из спектра вычитался смоделированный НФ сигнал, и в разностном спектре определялась амплитуда РИ сигнала. По этой амплитуде рассчитывалась доза облучения.

Поскольку в данном эксперименте использовалась одна и та же эмаль разного помола, было проведено усреднение значения дозы. Ее значение составило 42,1±18,7 мГр (погрешность 44,4%).

Прямой метод определения дозы облучения.

По спектрам обработанной эмали была определена амплитуда РИ сигнала. По ней так же была рассчитана доза облучения. Ее значение составило 36,6±7,1 мГр (погрешность 19,3%).

Из сопоставления этих данных можно сделать вывод о том, что обработка эмали гидразином повысила точность определяемой дозы облучения эмали и снизила ее погрешность более чем 2 раза..

Рис. 13. Зависимость амплитуды НФ сигнала в спектре ЭПР образца необлученной эмали от степени измельчения.

ВЫВОДЫ

1. Разработан метод физико-химической обработки эмали для дальнейшей реконструкции дозы облучения человека методом спектроскопии ЭПР.

2. Исследована пригодность ряда сильных восстановителей для химической обработки эмали. Показано что, наилучшие результаты достигаются при использовании гидразина в качестве депротеинизирующего реагента. Параметры обработки эмали гидразином: время обработки 24 часа, температура обработки эмали гидразином, которая составила 70 ° С.

3. Разработанный и оптимизированный метод химической обработки эмали гидразином впервые позволил снизить интенсивность нативного фонового сигнала до уровня шумов ЭПР спектрометра.

4. Применение ИК-спектрофотометрии позволило установить что, снижение амплитуды нативного фонового сигнала происходит за

счет восстановления пептидной связи коллагенов, входящих в состав органической включений эмали и последующего вымывания их из кристаллической структуры эмали.

5. Получена кинетическая зависимость интенсивности механоиндуцированного сигнала. Это позволило определить константу скорости элиминации механоиндуцированного сигнала. Установлена зависимость интенсивности механоиндуцированного сигнала от размеров гранул измельченной эмали. Определены оптимальные размеры гранул измельченной эмали, которые составили 100-250 мкм.

6. Сопоставление методов расчета дозы облучения по амплитуде радиационно-индуцированного сигнала показало, что метод прямого определения амплитуды радиационно-индуцированного сигнала после физико-химической обработки образца эмали позволяет повысить точность и снизить погрешность определения дозы облучения более чем в 2 раза.

Список опубликованных работ по теме диссертационной работы;

1. Тикунов Д.Д., Иванников А.И., Хамидова Л.Г., Бозаджиев ЛЛ., Хомиченок В.В., Скрипник Д.Г., Скворцов В.Г. Новый подход к подготовке образцов для ЭПР-дозиметрии по эмали зубов человека. Тезисы докладов Третьего съезда по радиационным исследованиям, М, 1997, стр. 44-45.

2. Tikunov D.D., Ivannikov A.I., Khamidova L.G., Bozadzhiev L.I., Khomichenok V.V., Skripnik D.G., Stepanenko V.F., Skvortsov V.G. New possibilities for decreasing the background signal intensity in the EPR spectra of human tooth enamel. Thesis 5th International Symposium on ESR Dosimetry and Applications, Obninsk, June 1998 p.U6

3. Skripnik D.G., Ivannikov A.I., Tikounov D.D., Bozadzhiev L.L., Khomichenok V.V., Stepanenko V.F., Skvortsov V.G. The Possibilities of Increasing of EPR-Dosimetry Sensitivity Using Human Tooth Enamel by Chemical Threatment Тезисы докладов международного конгресса «Энергетика-3000», Обнинск, июль, 1998 стр.81

4. Tikunov D.D., Ivannikov A.I., Kapchigashev S.P., Potetnya V.I., Klykov S., Skripnik D.G., Stepanenko V.F., Skvortsov V.G. Neutron's dosimetry by the method of EPR-spectroscopy of human tooth enamel.

Тезисы докладов международного конгресса «Энергетика-3000», Обнинск, июль, 1998 стр. 88

5. Скрипник Д.Г., Иванников А.И., Бозаджиев ЛЛ., Тикунов Д.Д., Хомиченок В.В., Степаненко В.Ф., Скворцов В.Г. Возможности повышения чувствительности метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов в области малых доз облучения Ядерная энергетика, № 6, 1998г.,стр.23-27

6. Д.Г. Скрипник, Д.Д. Тикунов, Л.Л. Бозаджиев, А.И.Иванников, В.Г.Скворцов Физико-химическая обработка образцов эмали как путь повышения чувствительности метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов Материалы Научно-практической конференции «Химия и химическая технология на рубеже тысячелетий». Томск, 2-4 октября 2000, Т. I, стр. 224-226

7. Д.Г.Скрипник, Д.Д.Тикунов, Л.Л.Бозаджиев, А. И. Иванников, В.Г.Скворцов Повышение чувствительности метода ЭПР-дозиметрии по эмали зубов с помощью предварительной физико-химической обработки эмали I Всероссийская конференция «Прикладные аспекты химии высоких энергий», 30 окт.-2 ноября 2001, Москва стр. 64-65

8. A.I.Ivannikov, D.D.Tikunov, V.G.Skvotsov, V.F.Stepanenko, V.V.Khomichyonok, D.G.Skripnik, L.L.Bozadjiev, M.Hoshi Elimination of the background signal in tooth enamel samples for EPR-dosimetry by means of physical-chemical treatment Applied Radiation and Isotopes v.55,2001, pp.701-705

9. Скрипник Д.Г., Тикунов Д.Д., Бозаджиев Л.Л., Иванников А.И., Скворцов В.Г Физико-химическая обработка образцов для ретроспективной ЭПР-дозиметрии по эмали зубов. Материалы 14-я ежегодной конференции Ядерного Общества России «Научное обеспечение безопасного использования ядерных энергетических технологий» Удомля, 30.06-4.07.2003, с.420-422.

Подписано в печать 09.03.04

Формат 60x90 1/16_Заказ 765_тираж 100 экз.

Отпечатано на ротапринте МРНЦ РАМН

249020, г. Обнинск Калужской обл., ул. Королева 4, МРНЦ РАМН

It - 52 9 J