Radioanalytik in der Bioanalytik

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1 Dr. Robert Schupfner Zentrales Radionuklidlaboratorium Umweltradioaktivität

2 Universität Regensburg, Chemie/Pharmazie - Pharmakologie - Medizinische Chemie - Pharmazeutische Chemie - Pharmazeutische Biologie - Analytische Chemie (F&E für Rechtsmedizinische Anwendungen) - Biotechnologie (Wirkstoffscreening) - Lehre (Radioanalytik, Strahlenschutz) URA-Laboratorium: Anwendung von Radioanalytik - Umweltradioaktivität (Umgebungsüberwachung UKA) - Rückbau kerntechnischer Anlagen robert.schupfner@chemie.uni-r.de 2

3 1. Überblick über die Anwendung von Radionukliden 2. Grundlagen Zerfallsgesetz und Begriffe Zerfallsreihen, - arten, Eigenschaften von Kernstrahlung Sicherer Umgang mit Radionukliden: Überblick - Wirkung von Strahlenexposition: Dosis - Strahlenschutzgrundsätze - Physikalische Strahlenschutzkontrolle - Inkorporation und Inkorporationskontrolle robert.schupfner@chemie.uni-r.de 3

4 3. Verfahren zur Detektion von Kernstrahlung Auswertung - Aktivitätsbestimmung Methoden der Kernstrahlungsmessung Isotopenverdünnungsanalyse 4. Produktion von Radionukliden und markierten Verbindungen 5. Anwendung in den Life-Sciences - Nuklearmedizin - Rechtsmedizin robert.schupfner@chemie.uni-r.de 4

5 6. Anwendungen in den Life Sciences - Markierungen - Radioimunoassay (RIA) - Nucleinsäureanalytik DNA-Sequenzierung robert.schupfner@chemie.uni-r.de 5

6 Bereich Medizin Pharmazie Information Diagnostik Therapie PMI*) Arzneimittelkinetik Wirkmechanismus Screening Gebiet Nuklearmedizin Strahlentherapie Forensik (Rechtsmedizin) Pharmakologie Pharmazeutische Chemie Pharmazeutische Technologie Phys. Chemie Struktur Neutronenstreuung Materialwissenschaften Strahlenschutz Ultraspurenanalyse Aktivität in Mensch und Umwelt Neutronenaktivierungsanalyse Umweltradioaktivität Inkorporationskontrolle *) Post mortal interval: aktuelle Forschungsarbeiten

7 Anwendung von Radionukliden in der Fakultät Chemie/Pharmazie: Flächennutzung ZRN Flächennutzung ZRN: 100% entspricht ca. 565 m² Medizinische Chemie Pharmazeutische Chemie Pharmazeutische Biologie Analytische Chemie Pharmazeutische Technologie Toxikologie Forschende Pharmaunternehmen URA 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

8 Unterweisungen im Strahlenschutz in der Fakultät Chemie/Pharmazie: Gesamtanzahl: 133 Personen Anteile der Teilnehmer an Unterweisungen im Strahlenschutz für ZRN ( ) External Technical Support Facility Management Internal Technical Support Forschende Pharmaunternehmen Strahlenschutz URA-Laboratorium Pharmazeutische Biologie Pharmazeutische Technologie Medizinische Chemie Pharmakologie Lehre 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60%

9 Jährliche Betretungen Radioanalytik in der Bioanalytik A. Anwendung von Radionukliden Jahr robert.schupfner@chemie.uni-r.de 9

10 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls Radioaktivität: Spontane Umwandlung von Atomkernen für eine große Anzahl radioaktiver Kerne gilt: dn/dt = A (t) = - N l dn/dt: Anzahl dn der Kerne, die pro Zeiteinheit dt zerfallen mit A(t): Aktivität zum Zeitpunkt t. Die Aktivität gibt die Zahl der Kerne an, die pro Zeiteinheit zerfallen. 1 Ci: Aktivität von annähernd 1 g Ra-226 im radioaktiven Gleichgewicht mit allen Zerfallsprodukten. 1 Ci =3, Zerfälle s -1 = 3, Bq robert.schupfner@chemie.uni-r.de 10

11 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls Integralform: N(t) = N 0 e -l t A(t) = A 0 e -l t Zerfallskonstante l mit den Einheiten: s -1, min -1, Stunde -1, Tage -1, Jahre robert.schupfner@chemie.uni-r.de 11

12 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls Beziehung zwischen Zerfallskonstante l und Halbwertszeit T 1/2. T 1/2 = ln(2)/l Die Halbwertszeit ist die Zeit, nach der die Hälfte der in der Probe enthaltenen Kerne zerfallen ist. sehr weiter Zeitbereich von µs bis > Jahre robert.schupfner@chemie.uni-r.de 12

13 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls mittlere Lebensdauer t: Die mittlere Lebensdauer ist die Zeit nach der die Aktivität auf den Wert 1/e abgefallen ist. t = 1/l 1,443 T 1/ robert.schupfner@chemie.uni-r.de 13

14 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls

15 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls T 1/2 M m= A ln2 N A h m: Masse des Radionuklids in der Probe A: Aktivität des Radionuklids in der Probe T 1/2 : Halbwertszeit des Radionuklids M: Atom- bzw. Molekülmasse der Verbindung, in der das Radionuklid in der Probe vorkommt. N A : Avogadro-Konstante: 6, mol-1 h: relative Häufigkeit des Nuklids robert.schupfner@chemie.uni-r.de 15

16 Nuklide 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 1E-07 1E-08 1E-09 1E-10 1E-11 1E-12 1E-13 1E-14 1E-15 1E-16 1E-17 1E-18 1E-19 Radioanalytik in der Bioanalytik Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls F-18 Tc-99m I-131 P-32 P-33 I-125 S-35 H-3 Cs-137 Pu-239 Tc-99 K-40 Th-232 Masse pro Aktivität [g/bq]

17 Größenordnung der Aktivität Typisches Vorkommen > 1 MCi > 37 PBq Kernwaffenexplosionen > 1 kci > 37 TBq Unfallbedingte Freisetzung Bestrahlungseinrichtungen > 1 Ci > 37 GBq Applizierte Aktivität Nuklearmedizin > 1 mci > 37 MBq 1 µci 37 kbq 32 P Markierung in der Pharmakologie Kalibrierstrahler, RIA 40 K-Gehalt im Menschen: 4400 Bq 1 nci 37 Bq Beginn des Spurenbereichs < 1 pci < 37 mbq Ausscheidungsrate natürl. Radionuklide robert.schupfner@chemie.uni-r.de 17

18 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls abgeleitete Größen Spezifische Aktivität a = Aktivität A Masse m Masse des Elements bzw. der chemischen Verbindung, in der das (die) Radionuklid (e) vorliegt (vorliegen), z.b. Aktivität ³²P pro g P im Material (specific activity) Masse aller Elemente bzw. Verbindungen in der Probe (activity concentration) Einheit: [a] = 1 Bq/g oder 1 Ci/g (Strahlenschutz) [a] = 1 Bq/kg oder 1 nci/kg (Radioökologie) robert.schupfner@chemie.uni-r.de 18

19 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls abgeleitete Größen Aktivitätskonzentration a V = Aktivität A Volumen V Bezogen auf das Volumen einer Flüssigkeit oder eines Gases (z.b. Luft) englischer Begriff: activity concentration Einheit: [a V ] = 1 Bq/mL oder 1 Ci/ml [a V ] = 1 Bq/L [a V ] = 1 Bq/m³ oder 1 nci/m³ (Strahlenschutz) robert.schupfner@chemie.uni-r.de 19

20 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls abgeleitete Größen Aktivität pro Stoffmenge A M = Aktivität A Menge M Einheit: [a M ] = 1 Bq/moL Einheit: [a M ] = 1Ci/mmoL robert.schupfner@chemie.uni-r.de 20

21 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls abgeleitete Größen Aktivität pro Fläche A F = Aktivität A Fläche F Bezogen auf die Bodenfläche, auf der ein Radionuklid deponiert wird: Flächendeposition Einheit: [a F ] = 1 Bq/m² oder 1 Ci/km² (Radioökologie) bezogen auf eine bestimmte z.b. Laboroberfläche: Oberflächenkontamination O Einheit: [O] = 1 Bq/cm² (Strahlenschutz) robert.schupfner@chemie.uni-r.de 21

22 abgeleitete Größen: Dosiskoeffizient d Eij = Effektive Äquivalentdosis E Durch einmalige Zufuhr über dem Pfad j inkorporierte Aktivität A des Radionuklids i Einheit: [d E ] = 1 Sv/Bq (RiPhyKo) abhängig von Radionuklid Organ bzw. Gewebe Zufuhrpfad (Weg in den menschlichen Körper) chemische Verbindung Partikelgröße bei Inhalation Lebensalter mehrere Millionen Dosiskoeffizienten sind tabelliert! robert.schupfner@chemie.uni-r.de 22

23 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls Radionuklide - Primordiale Radionuklide große Halbswertszeit; noch jetzt in der Natur nachzuweisen sind. z.b. 40 K, im Körper des Menschen (um 4400 Bq). 238 U, 234 U, 235 U im Trinkwasser (mbq/l bis mehrere 100 mbq/l) - Kosmogene Radionuklide entstehen durch Kernreaktionen von kosmischer Strahlung mit Luftbestandteilen z.b. 14 C, 7 Be, 32 P, 33 P, -Zerfallsreihen Radionuklide, die aus dem Zerfall von primordialen Radionukliden aufgebaut werden. 238 U und Zerfallsprodukte z.b. 226 Ra, 222 Rn und Zerfallsprodukte), 235 U ( 227 Ac und Zerfallsprodukte) und 232 Th ( 228 Ra, 228 Th, 220 Rn und Zerfallsprodukte) in der Erdkruste. Im Mittel ca.:25 Bq 232 Th/kg, 25 Bq 238 U/kg, 1,2 Bq 235 U/ kg robert.schupfner@chemie.uni-r.de 23

24 Zeitgesetz des radioaktiven Zerfalls Radionuklide - Spaltprodukte entstehen bei der Spaltung von Atomkernen z.b. 3 H (Tritium), 90 Sr, 137 Cs - Aktivierungsprodukte entstehen durch Umwandlung von Nuklide in Radionuklide bei Bestrahlung mit Neutronen z.b. 60 Co, 239 Pu in der Kerntechnik z.b. As, Ag, bei der Neutronenaktivierungsanalyse - Radionuklide in der medizinischen Anwendung z.b. 99m Tc, 131 I, 90 Y, 11 C, 18 F in der Diagnostik 60 Co oder 192 Ir oder 90 Y in der Strahlentherapie robert.schupfner@chemie.uni-r.de 24

25 Radionuklide in den Life Sciences Nuklide 3 H 14 C 32 P 33 P 35 S 125 I t 1/2 12,34 y 5739 y 14,29 d 25,4 d 87,44 d 60,14 d Zerfall b - b - b - b - b - ec Y(i)*) ,0667 E Mean [kev] 5,683 49,45 694,7 76,6 48,83 3,1 30,1 E Max [kev] ,39 d E [Sv/Bq] 4, , , , , , *) Emissionswahrscheinlichkeit für den i-ten Kernübergang robert.schupfner@chemie.uni-r.de 25

26 Nuklide Radioanalytik in der Bioanalytik Eigenschaften von Kernstrahlung: Dosiskoeffizienten d E,max [Sv/Bq] 1E-11 1E-10 1E-09 1E-08 1E-07 1E-06 H-3 C-14 P-32 P-33 S-35 I robert.schupfner@chemie.uni-r.de 26

27 Eigenschaften von Kernstrahlung Strahlung Art Ladung Reichweite in Luft Energie in MeV Abschirmung a Heliumkerne 2+ einige cm 3 bis 11 Blatt Papier b - b + Elektronen Positronen bis mehrere Meter 0,005 bis ca. 3 wenige cm Plexiglas ec Elektronen, Röntgenstrahlung 1-, 0 bis einige dm, unendlich 0,003 bis < 0,1 wenige cm Plexiglas + Pb g ElektromagnetischeWellen 0 unendlich 0,005 bis ca. 3 Schwächung durch mehrere cm Blei (Pb) Achtung: Sekundärstrahlung bei z.b. hochenergetische b-strahler, z.b. ³²P, an Metallen Röntgenstrahlung hochenergetische g-strahlung an Material mit niedrigem Z Neutronenstrahlung robert.schupfner@chemie.uni-r.de 27

28 Sicherer Umgang mit Radionukliden: Überblick Ausführlich: Radio(bio)analytische Arbeitsmethoden ab Sommersemester 2011 Blockveranstaltung (1 stündig)

29 Sicherer Umgang mit Radionukliden: Überblick Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Strahlenexposition Dosisbegriffe Inkorporation und Dosiskoeffizient Die Strahlenexposition des Menschen Strahlenschutzgrundsätze Physikalische Strahlenschutzkontrolle Inkorporation und Inkorporationskontrolle

30 Veränderungen im StrlSch-Recht [%] Radioanalytik in der Bioanalytik Aktueller Unfang im Strahlenschutzrecht: 8744 Seiten 170% 160% 150% 140% 130% 120% 110% 100% Zeit

31 Gefahren Ionisierende Strahlung Strahlenwirkung (Dosisbegriffe) effektive Äquivalentdosis Energiedosis Nutzen Medizin Forschung Verantwortungsvoller Umgang: Nutzen mehren, Gefahren minimieren Grundsätze: Strahlenschutz (StrlSchV) Schutz des Menschen und der Umwelt vor den schädlichen Auswirkungen ionisierender Strahlung Inkorporation Kontamination Emission-, Immission Radioaktive Reststoffe Messen, Bewerten, Handeln, Dokumentieren

32 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Die Einwirkung ionisierender Strahlung auf den menschlichen Körper nennt man Strahlenexposition. innere Quelle im Körper hauptsächlich a,b,ec äußere Quelle ausserhalb des Körpers hauptsächlich g (externe) robert.schupfner@chemie.uni-r.de 32

33 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Welche Folgen hat eine Strahlenexposition des Menschen? Übertragung von Energie auf Atome und Moleküle Bildung von Zellgiften z.b. Radikale, H 2 O 2 Veränderung von Biomolekülen, z.b. DNA Strangbrüche Veränderung des Zellstoffwechsels (Zellschädigung) Zelltod Reparatur Tod: > wenige Sv keine Auswirkungen: < 0,4 Sv fehlerhaft Krebs, Mißbildung Tod fehlerfrei Keine Auswirkungen robert.schupfner@chemie.uni-r.de 33

34 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Eintrittwahrscheinlichkeit Nicht stochastische (deterministische) Effekte ionisierender Strahlung: > 0,4 Sv Dosis Schadenshöhe Dosis

35 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Stochastische Effekte ionisierender Strahlung: < 0,4 Sv Eintrittwahrscheinlichkeit Dosis Schadenshöhe Dosis

36 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis Effektive Dosis und Organ- bzw. Gewebedosis: quantitative und einheitliche Beschreibung der Wirkung Schutz der Einzelperson vor den schädlichen Auswirkungen Detriment = Eintrittswahrscheinlichkeit Schadenshöhe Risiko R, an einer strahleninduzierten Tumorerkrankung zu sterben und genetische Schäden bei den Nachkommen zu verursachen. Die Einheit der Äquivalentdosis ist das msv (millisievert). Achtung: Gültig nur bei stochastischen Strahlenwirkungen: < 0,4 Sv. Achtung: bei deterministischer Strahlenwirkung, z.b. Strahlentherapie: Energiedosis ab ca. 1 Sv: Gray! robert.schupfner@chemie.uni-r.de 36

37 Wirkung von Strahlenexposition: Dosis R 0,054 Sv -1 1 Sv effektiver Dosis hat ca. 540 tödlich verlaufende Tumorerkrankungen bei bestrahlten Personen zur Folge ca. 1 Todesfall pro Personen durch natürliche Strahlenexposition (ca. 2,4 msv pro Jahr) robert.schupfner@chemie.uni-r.de 37

38 Wirkung von Strahlenexposition: Inkorporation Die Zufuhr von Radionukliden in den menschlichen Körper Inkorporation Je nach der Weise, wie die Zufuhr zustande kommt unterscheidet man: Inhalation, wenn die Zufuhr des Radionuklids mit der Atemluft erfolgt. Ingestion, bei Zufuhr der Radionuklide mit der Nahrung. Wundkontamination, bei Zufuhr über eine Verletzung Zufuhr mit Muttermilch, bei gestillten Säuglingen von Müttern, die Radionuklide inkorporiert haben

39 Wirkung von Strahlenexposition: Inkorporation künstliche ca. 100 Bq 137 Cs ca. 0,03 Bq 90 Sr/g Ca natürliche ca Bq 40 K ca. 0,25 Bq 14 C/g C robert.schupfner@chemie.uni-r.de 39

40 Quellen der Strahlenexposition Radioanalytik in der Bioanalytik Die Strahlenexposition des Menschen Jährliche effektive Dosis in msv 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1, Rn (+ Zerfallsprod.) 1,4 bis 50 Nahrung hauptsächlich 40K terrestrisch 0,3 0,4 Summe natürlich: 2,4 msv kosmische Strahlung 0,3 Medizin 1,5 Tschernobyl 0,02 Kernwaffenfallout 0,01 Forschung, Technik 0,01 Kerntechnische Anlagen 0,01 Berufliche Strahlenexposition 0, robert.schupfner@chemie.uni-r.de 40

41 Die Strahlenexposition des Menschen Gesamt geschätzte jähliche effektive Dosis aus natürlichen Quellen nach UNSCEAR 1988: 2400 µsv Rb-87; 0,3% Kosmogene Radionuklide; 0,6% Neutronen; 2,3% U-238-Reihe; 56% Ionisierend; 13% K-40; 14% Th-232-Reihe; 14%

42 Die Strahlenexposition des Menschen Grenzwert wichtiger Organe/Gewebe für beruflich strahlenexponierte Personen ( Kategorie A) Hände, Haut, Unterarme, Knöchel, Füße 500 msv pro Jahr Augenlinse 150 msv pro Jahr Testes 50 msv pro Jahr Effektive Dosis Organ- bzw. Gewebedosis 20 msv pro Jahr 25 weitere Grenzwerte Achtung: Grenzwert für Ungeborene 1 msv während Schwangerschaft robert.schupfner@chemie.uni-r.de 42

43 Sicherer Umgang mit Radionukliden: Strahlenschutz Die beiden Seiten der Radioaktivität Nutzen und Gefahren im Wandel der Zeit Röntgenstrahlung wegen überragendem diagnostischen Nutzen bereits zu Beginn des 20 Jahrhunderts exzessiv eingesetzt sehr viele Radiologen starben an Leukämie! Gründung der ICRP: 1928 Festlegung von Grenzwerten Leukämierate bei Radiologen nicht mehr erhöht! Grundlagen für die Strahlenschutzverordnung

44 Strahlenschutzgrundsätze Die AAA-Regeln zur Dosisminimierung Abstand: D 1/r² Abstand verdoppelt Dosis geviertelt Abschirmung: D e -µx geeignetes Absorbermaterial Arbeitszeit t: D t Arbeitszeit halbiert Dosis halbiert robert.schupfner@chemie.uni-r.de 44