Dissertação de Mestrado
“
Avaliação de dosímetro orgânico inteligente para
aplicação em radioterapia
”
Autor: Thiago Schimitberger
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi
Março de 2011
UFOP - CETEC - UEMGREDEMAT
R
EDET
EMÁTICA EME
NGENHARIA DEM
ATERIAISThiago Schimitberger
“
Avaliação de dosímetro orgânico inteligente para aplicação em
radioterapia
”
Dissertação de Mestrado apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Materiais da REDEMAT, como parte integrante dos requisitos para a obtenção do título de Mestre em Engenharia de Materiais.
Área de concentração: Síntese e fabricação dos materiais
Orientador: Prof. Dr. Rodrigo Fernando Bianchi
Ouro Preto, Março de 2011
UFOP - CETEC - UEMG
REDEMAT
R
EDET
EMÁTICA EME
NGENHARIA DEM
ATERIAISiv
Dedico este trabalho às pessoas que mais amo e que sempre me apoiaram ao longo dessa jornada,
v
AGRADECIMENTOS
Agradeço a algumas pessoa que contribuíram direta e/ou indiretamente na realização desta dissertação.
Aos meus pais, Geraldo Schimitberger e Tânia Maria da Silva Schimitberger que são minha fonte de motivação. Obrigado pai e mãe.
Ao Professor Dr. Rodrigo Fernando Bianchi, pela orientação, ensinamentos, e pela confiança que passou e que teve para a realização do trabalho.
Aos Amigos do Laboratório de propriedade eletrônicas dos Materiais (LAPPEM), aos funcionários do DEFIS e as alunas de doutorado e mestrado do LAPPEM, pela paciência em tirar muitas dúvidas.
Ao Físico médico, Marcelo Frota Saraiva da Fundação Cristiano Varella - Hospital do Câncer de Muriaé – MG por abrir as portas do Hospital e nos ajudar na realização deste trabalho.
A Fundação Cristiano Varella – Hospital do Câncer de Muriaé – MG pela oportunidade de realização deste trabalho.
A minha namorada Pollyana, que vem me apoiando neste último ano e a quem sempre pude contar nos momentos difíceis, sendo uma ótima companheira e amiga.
“How far you go in life depends on your being tender with the young, compassionate with the aged, sympathetic with the striving and tolerant with the weak. Because someday in your life you
will have been all of these ”
2
SUMÁRIO
Dissertação de Mestrado ... i
SUMÁRIO ... 2
LISTA DE ABREVIATURAS ... 4
LISTA DE FIGURAS ... 6
RESUMO ... 13
ABSTRACT ... 14
INTRODUÇÃO ... 15
1.2 - Objetivo do trabalho ... 17
1.3 - Descrição do trabalho ... 18
CAPITULO II ... 19
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 19
2.1 - As radiações e o espectro eletromagnético ... 19
2.2 - A Radioterapia e a dosimetria das radiações ... 21
2.2.1 - Os aceleradores lineares (LINAC) ... 22
2.2.2 - Dose Absorvida ... 23
2.2.3 – Detectores de Radiação ... 26
2.3 - Compostos orgânicos conjugados ... 30
2.3. 1 - A hibridização sp2 do carbono sua relação com as propriedades de moléculas orgânicas conjugadas ... 33
2.3.2 – Efeito das radiações nos polímeros ... 36
2.3.3 - Polímeros conjugados como sensores de radiação ionizante. ... 37
2.4 - Semáforo inteligente ... 39
CAPITULO III ... 40
MÉTODOS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS ... 40
3.1. – Preparações dos Sistemas Orgânicos ... 40
3.1.1 poli[2-metóxi-5-(2’-etilhexilóxi)-1,4-fenilenovinileno]– MEH-PPV ... 41
3.1.2 - Tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III) – Alq3 ... 43
3.1.3 – Acelerador e inibidor de radicais livres ... 46
3.2 - Preparação das amostras e dispositivos orgânicos ... 48
3.2.1 - Tratamento do solvente ... 48
3.2.1.1 - Preparo das soluções de Alq3 ... 48
3.2.1.2 - Preparo das soluções de MEH-PPV ... 49
3.2.1.3 - Preparo da solução de PPV/Alq3, PPV/Alq3 + Irganox e MEH-PPV/Alq3 + Peróxido de Benzoila ... 49
3.3.1 - Armazenamento das soluções e recobrimento das ampolas ... 50
3.3.2 - Armazenamento das soluções e lacre das ampolas ... 50
CAPITULO IV ... 53
EQUIPAMENTOS E MÉTODOS ... 53
4.1 – Medidas Óticas ... 53
4.1.1 – Espectrofotômetro UV-VIS SHIMADZU série 1650 ... 53
4.1.2 – Espectrofotômetro Ocean Optics USB 2000 ... 54
4.1.3 - Acelerador Linear Clinac 600C/Varian ... 55
4.2 - Aparato experimental para irradiação das ampolas ... 57
3
4.4 Diagrama de Cromaticidade ... 60
4.5 - Software Color calculator ... 61
4.6 - Sensor Orgânico de Acúmulo de dose de radiação (SOAD) ... 62
CAPITULO V ... 64
RESULTADOS EXPERIMENTAIS ... 64
5.1 - Caracterização ótica ... 64
5.1.1 - Caracterização ótica para o MEH-PPV ... 64
5.1.2 - Caracterização ótica para o Alq3 ... 79
5.1.3 - Caracterização ótica para o MEH-PPV/Alq3 ... 84
5.1.3.1 - Reprodutibilidade e sensibilidade do sistema híbrido MEH-PPV/Alq3. ... 90
5.2 - O efeito do inibidor e acelerador no MEH-PPV e no sistema híbrido MEH-PPV/Alq3 .... 99
5.3 – Discussão parcial dos Resultados ... 105
CAPITULO VI ... 108
DESENVOLVIMENTO DO SENSOR ORGÂNICO DE ACÚMULO DE DOSE (SOAD) ... 108
6.1 - Fabricação e a otimização dos sensores ... 108
6.2 - Discussão parcial dos resultados ... 115
CAPITULO VII ... 116
CONCLUSÃO ... 116
CAPITULO VIII ... 119
PROPOSTA DE TRABALHOS FUTUROS ... 119
CAPITULO IX ... 120
PRINCIPAIS RESULTADOS GERADOS ... 120
4
LISTA DE ABREVIATURAS
ABS (absorção).
Alq3 - Tris-8(hidroxiquinolinolato) de alumínio. CHCl3 – Clorofórmio.
FTIR – Espectroscopia na região do infravermelho com transformada de Fourier / (Fourier Transform Infrared).
Gy – Gray.
HOMO - Orbital molecular de maior energia ocupado / (Highest occupied molecular orbital). LAPPEM - Laboratório de Polímeros e Propriedades Eletrônicas de Materiais.
LINAC – Acelerador Linear (Linear accelerator).
LUMO - Orbital molecular de menor energia ocupado / (Lowest unoccupied molecular orbital). MEH-PPV - Poli(2-metóxi,5-etil(2-hexiloxi)parafenilenovinileno).
PL - Fotoluminescência / (Photoluminescence). PPV - Poli(p-fenilenovinileno).
SOAD – Sensor orgânico de acúmulo de dose. TC – Tomografia computadorizada.
5
LISTA DE SÍMBOLOS
λmax - Comprimento de onda de maior intensidade do espectro. π, - Orbitais moleculares ligantes.
6
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1: Diário Oficial, onde mostra a CPI do Erro Medico, no qual equipamentos inadequados para tratamento radioterápico estavam sendo utilizado[7], Publicado no dia 15 de julho de 2010. ... 16
Figura 2.1: Espectro eletromagnético distinguindo as regiões onde estão as radiações ionizantes e as não ionizantes. ... 20
Figura 2.2: Curva de PDP no eixo central obtida na água com feixes de fótons de energias 6, 10 e 15 MeV, para um campo de radiação com 10x10 cm2 a uma distância da fonte até a superfície de 100 cm[20]. ... 25
Figura 2.3: Ilustração das curvas de isodose obtida na água para feixe de energia de 6 MeV, com campo quadrado de 10x10 cm2 a DFS igual a 100 cm[16]. ... 26
Figura 2.4: a) Esquema de alguns detectores onde esta sendo representado os principais efeitos químicos e físicos da radiação ionizante. b) Exemplos de alguns detectores acoplados a um eletrômetro[7] os tornando dosímetros. ... 28
Figura 2.5: Estrutura química dos cinco homopolímeros mais produzidos no Brasil. Na figura é mostrada somente a unidade repetitiva ou mero. PE = polietileno, PP = polipropileno, PVC
=poli(cloreto de vinila), PS = poliestireno e PET = poli(tereftalato de etileno)[26]. ... 31
Figura 2.6: Nome, fórmula estrutural e valores dos gaps de alguns polímeros conjugado[30]. display policromático, flexível e de alta definição produzido com polímeros conjugados luminescentes[31]. ... 32
Figura 2.7: Um carbono hibridizado sp2. Os três orbitais híbridos (negrito) equivalentes sp2
situam-se em um plano e são separados uns dos outros por ângulos de 120°, e um único orbital p não hibridizado é perpendicular ao plano p2. ... 33
Figura 2.8: Representação dos orbitais moleculares dos orbitais moleculares π e σ formados entre dois átomos de carbono sp2. ... 34
Figura 2.9: Esquema, em distribuição de energia, da formação de orbitais moleculares entre dois átomos de carbono sp2. ... 35
Figura 2.10: Estrutura de Bandas de polímeros conjugados. ... 35
7
Figura 3.1: MEH-PPV em forma de fibra adquirido comercialmente pela empresa Sigma-Aldrich. Em detalhes da foto do polímero na sua forma de fibrilar. ... 41
Figura 3.2: Fórmula estrutural, espectros de absorção e de fotoemissão de solução em clorofórmio e fot do polímero conjugado MEH-PPV quando excitado com lazer violeta (λexci = 405 nm). No topo da figura é apresentado a região do visível (400 a 700 nm) do espectro eletromagnético para facilitar a identificação das regiões de absorção e emissão da molécula. ... 42
Figura 3.3: Alq3 adquirido comercialmente pela empresa Sigma-Aldrich. ... 43
Figura 3.4: Fórmula estrutural do tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III), espectros de absorção e de emissão de solução em clorofórmio do composto luminescente Alq3 e foto do material dissolvido em clorofórmio quando excitado com um lazer violeta (λ = 405 nm). ... 44
Figura 3.5: Espectros de PPV e de Alq3 em clorofórmio mostrando absorção do MEH-PPV e emissão do Alq3 antes da exposição à radiação. ... 45
Figura 3.6: Em vermelho, espectro de absorção do MEH-PPV e de fotoluminescência do Alq3 antes e depois de expostos a 100 Gy de raios X de 6 MeV. ... 46
Figura 3.7: (a) representação da estrutura química do irganóx 1010 (inibidor) e em (b), representação química do Peróxido de Benzoila (acelerador). ... 47
Figura 3.8: Suporte de madeira com as ampolas devidamente tampadas para não incidir luz nas soluções. ... 50
Figura 3.9: Equipamentos utilizados para lacras as ampolas contendo um maçarico e uma base giratória com suporte de amostra. ... 51
Figura 3.10: Representação esquemática do procedimento experimental para a confecção das soluções em ampolas ... 52
Figura 3.11: Etapas no qual a ampola é submetida antes de ser irradiada e caracterizada, a) Ampola vazia não lacrada, b) ampola com solução, c) ampola com solução lacrada e d) ampola protegida da luz. ... 52
Figura 4.1: (a) Acessório confeccionado em alumínio para adaptação da ampola cilíndricas e de vidro para realização de medidas óticas das soluções orgânicas, (b) suporte onde é colocado a ampola com o suporte das ampolas para ser realizado a leitura no espectrômetro, (c).Espectrômetro UV-VIS SHIMADZU série 1650 utilizado. ... 54
8 espectros de fotoluminescência (b) Componentes elétricos óticos e mecânicos internos, (c) espectro de emissão do LED utilizado para excitação das amostras). ... 55
Figura 4.3: (a) Acelerador linear utilizado no Hospital Cristiano Varella de Muriaé para tratamentos de radioterapia, no qual, foi utilizado para irradiar as amostras contendo soluções de MEH-PPV/Alq3, detalhes da cabeça do acelerador linear mostrando a direção dos feixes de raios X, (b), Esquema utilizado para a iluminação d soluções de Alq3, MEH-PPV e Alq3/MEH-PPV. 56
Figura 4.4: Detalhes da região irradiada das amostras no ambiente hospitalar. (a) Ampolas submersas a uma profundidade de 1,5 cm e a uma distância de 100 cm da fonte, (b) placas de água utilizadas para dar suporte ao experimento. ... 58
Figura 4.5: Ampolas submetidas a tomográfica computadorizada, para estudar a distribuição de dose em relação a profundidade quando as ampolas forem irradiadas pelo LINAC. ... 60
Figura 4.6: Diagrama de Cromaticidade ... 62
Figura 4.7: Imagem do (a) Sensor de Acúmulo de Dose. (b) Desenho esquemático de excitação da amostra representado os fotodetectores nos seus respectivos lugares com e o LED roxo utilizado para excitar a amostra. ... 63
Figura 5.1: Espectro de (a) absorção e de (b) fotoluminescência de MEH-PPV em CHCl3 (50 µg/ml) exposto a diferentes dose (0 a 100 Gy) de raios X de alta energia (6 MeV). No topo desta figura é apresentado uma barra das cores correspondente a energia na região do visível do espectro eletromagnético. ... 65
Figura 5.2: Variação dos (a) comprimentos de onda máximos e (b) da intensidade de absorção (▪) e de fotoluminescência ( PL) ( para solução de MEH-PPV em CHCl3 expostos a diferentes doses de raios X de alta energia (6 MeV). ... 66
Figura 5.3: Espectro de absorção e de fotoluminescência obtidos de diferentes soluções de MEH-PPV em CHCl3 com concentrações variando entre 10 µg/ml(a) e (b), 25 µg/ml (c) e (d), 50 µg/ml (e) e (f), 100 µg/ml (g) e (h), 200 µg/ml (i) e (j). E para doses e intervalo de doses menores... 68
Figura 5.4: Deslocamento dos λmáx´s de (a) absorção e (b) fotoluminescência em função de doses mais baixas (0 a 60 Gy), onde entre 0 e 30 Gy a radiação foi em intervalos 10 em 10 Gy, e entre 30 e 60 Gy em intervalo entre 5 e 5 Gy para as concentrações apresentadas na Figura 5.3. ... 70
Figura 5.5: Soluções de MEH-PPV em CHCl3 com concentração de 50 µg/ml submetidas a doses de raios X de alta energia. À esquerda, espectros de absorção, à direita, os de fotoluminescência obtidos com doses iguais a: 0 Gy (a e b), 2,5 Gy (c e d), 5 Gy (e e f), 7,5 Gy (g e h), 10 Gy (i e j).
... 72
9
Figura 5.7: Soluções de MEH-PPV em CHCl3 com concentração de 50 µg/ml submetidas a doses de raios X de alta energia. À esquerda, espectros de absorção, à direita, os de fotoluminescência todos normalizados para melhor visualizar as formas idênticas dos gráficos obtidos com doses iguais a: 0 Gy (a e b), 2,5 Gy (c e d), 5 Gy (e e f), 7,5 Gy (g e h), 10 Gy (i e j). ... 75
Figura 5.8: Soluções de MEH-PPV em CHCl3 com concentração de 50 µg/ml submetidas a doses de raios X de alta energia. À esquerda, espectros de absorção, à direita, os de fotoluminescência todos normalizados para melhor visualizar as formas idênticas dos gráficos obtidos com doses iguais a: 12,5 Gy (l e m), 15 Gy ( n e o), 20 Gy (p e q), 40 Gy (r e s). ... 76
Figura 5.9: Deslocamento do λmáx de (a) absorção e (b) fotoluminescência em função de doses mais baixas (0 a 40 Gy) par conjunto de ampolas expostas, três a três, para diferentes doses de radiação. ... 77
Figura 5.10: Espectros de Absorção na região do infravermelho obtidos a partir de soluções de MEH-PPV expostas e não expostas a doses de radiação e expostas a 40 Gy. ... 78
Figura 5.11: Espectro de absorção de soluções de Alq3 com concentração de 100 µg/ml para doses variando de 0 a 100 Gy. ... 80
Figura 5.12: Espectro de fotoluminescência das soluções de Alq3, com concentração de 100 µg/ml. ... 81
Figura 5.13: Variação do pico máximo antes e depois de receber cada dose. Em preto representação do MEH-PPV e em vermelho Alq3. ... 82
Figura 5.14: Espectro de (a) absorção e (b) fotoluminescência para concentrações de 50, 100 e 200 µg/ml de Alq3 em clorofórmio. ... 83
Figura 5.15: Espectro de (a) absorção e (b) fotoluminescência dos sistema hibrido MEH-PPV/Alq3 com concentrações respectivamente de 50 µg/ml e 100 µg/ml submetidos a: 10, 20, 40, 60, 80 e 100 Gy de raios X de alta energia. No fundo da figura apresenta uma barra de cores para melhor correlacionar as curvas com as suas respectivas energias. ... 85
Figura 5.16: Evolução das cores e dos espectros de fotoluminescência e de absorção das soluções de MEH-PPV/Alq3 quando expostas aos raios X de alta energia: (a) 0 Gy, (b) 20 Gy, e (c) 40 Gy. ... 87
Figura 5.17: Espectros de absorção e fotoluminescência para o sistema hibrido MEH-PPV/Alq3, os valores são respectivamente de [(a) e (b)] 50 µg/ml – 100 µg/ml, [(c) e (d)] 50 µg/ml – 200 µg/ml, [(e) e (F)] e 50 µg/ml - 500µg/ml. ... 89
Figura 5.18: Correlação entre as razões entre o máximo de intensidade de ABS (390/495) e de PL (515 nm/560 nm). ... 90
10 e sobre placas de acrílico. E (c) imagens de tomografia computadorizada onde as cores representam a porcentagem das isodoses ao longo dos eixos x e y. ... 92
Figura 5.20: Diagrama de ampolas no modelo linha coluna (a1) e as respectivas posições (a2) das ampolas caracterizadas no conjunto de 10 x 10 unid, (b) linhas representado os perfis de isodose para as ampolas e (c) vista frontal com os valores de dose para cada isodose e (d) vista lateral. ... 93
Figura 5.21: Espectros de ABS e PL para soluções de MEH-PPV/Alq3 nas posições de (a) [1,1], [1,5] e[1,9]. (b) [3,3] e [3,7]. (c) [7,3], [7,5] e [7,9]. (d) [9,1], [9,5] e [9,9], com suas respectivas doses. ... 94
Figura 5.22: Espectros de ABS e PL para soluções de MEH-PPV/Alq3 nas posições de (a) [1,1], [3,1] e [9,1]. (b) [3,3] e [7,3]. (c) [37] e [7,7]. (d) e [1,9], [5,9] e [9,9]. ... 95
Figura 5.23: Espectros de ABS e PL para soluções de MEH-PPV/Alq3 nas posições de [(1,5), (2,5), (3,5), (4,5), (5,5), (6,5), (7,5), (8,5), (9,5). ... 96
Figura 5.24: Razão entre as intensidades de ABS em 400 e 475 nm para as doses ao longo das isodoses. E transformada de Fourier com o respectivo erro. ... 97
Figura 5.25: Análise dos λmáx´s dos espectros de absorção das amostras analisadas depois de 3 meses de irradiadas com doses de (a) 12 Gy e (b) 20 Gy de raios X de alta energia. ... 98
Figura 5.26: Espectro de (a) absorção e (b) fotoluminescência para soluções de 50 µg/ml MEH-PPV + 2,5 µg/ml Inibidor, (c) e (d) para 50 µg/ml MEH-MEH-PPV + acelerador ... 100
Figura 5.27: Deslocamentos dos λmáx para soluções de MEH-PPV + inibidor e MEH-PPV + acelerador. ... 101
Figura 5.28: Espectro de (a) absorção e (b) fotoluminescência para soluções de 50 µg/ml MEH-PPV + 2,5 µg/ml Inibidor, (c) e (d) para 50 µg/ml MEH-MEH-PPV + acelerador ... 102
Figura 5.29: Deslocamentos dos λmáx para soluções de MEH-PPV + inibidor, MEH-PPV e MEH-PPV + acelerador para maiores concentrações ... 103
Figura 5.30: Espectros de ABS Para soluções de MEH-PPV/Alq3 com (a) inibidor e (b) acelerador submetidos a 100 Gy de raios X. ... 104
Figura 5.31: Deslocamentos dos λmáx para soluções de PPV/alq3 + inibidor e MEH-PPV/Alq3 + acelerador. ... 105
Figura 6.1: Soluções contendo somente MEH-PPV em CHCl3 quando submetidas a doses entre 0 e 100 Gy, (b) soluções contendo somente Alq3 quando submetidos as mesmas doses. ... 109
11
Figura 6.3: Resultados da tensão nos fotodiodos (a) verde, (b) vermelho e (c) azul obtidos com as soluções de MEH-PPV/Alq3 pura, com Irganóx 1010® e com Peróxido de Benzoila exposto a doses de radiação variando de 0 a 100 Gy. ... 113
12
LISTA DE TABELAS
13
RESUMO
Atualmente, o uso inapropriado e incorreto dos aceleradores lineares em radioterapia, ou seja, sem as condições necessárias para tratamentos oncológicos eficientes, tem sido alvo de crítica da impressa escrita e também da literatura médica. Nesse trabalho é apresentado o projeto, a fabricação e o desempenho de novos sensores à base do poli[2-metóxi-5-(2’ -etilhexilóxi)-1,4-fenilenovinileno] e do Tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III) – Alq3 (MEH-PPV/Alq3) para detecção de doses de raios X (6 MeV) visando tanto o acompanhamento de tratamentos oncológicos, quanto a calibração da radiação fornecida por aceleradores lineares. Tal dispositivo de baixo custo (< R$ 1), denominado de “semároforo inteligente”, baseia-se no uso de uma única solução do material híbrido e apresenta variação irreversível de cor induzida pela radiação do vermelho ao amarelo, e depois a verde, para doses entre 0 a 40 Gy. Uma série de ensaios foi realizada para avaliar as curvas de resposta dose-cor, a sensibilidade, a reprodutibilidade e a estabilidade dos dispositivos fabricados a partir de diagramas de cromaticidade e de medidas de espectroscopia de absorção e de fluorescência do material híbrido exposto a diferentes doses e isodoses de radiação em phanton de água. Os resultados obtidos mostraram que o sensor
14
ABSTRACT
15
CAPITULO I
INTRODUÇÃO
Após a descoberta do nêutron e da radioatividade no século XIX, a Física Nuclear passou a se destacar na área médico hospitalar devido às inúmeras oportunidades de pesquisa cientifica na área de materiais e de sistemas radioativos, como também devido à possibilidade de desenvolvimento de novas técnicas e aparatos experimentais para tratamento de pacientes oncológicos[1]. Não obstante, essas oportunidades para a área de materiais, radiação, de uma forma geral, apresenta interesse social e industrial em aplicações que vão desde a irradiação de alimentos para inibição da germinação, até a desinfestação[3], pasteurização[4] e esterilização[1,2]. Na maioria dessas aplicações, a radiação atua no sentido de acelerar determinadas reações químicas e, portanto, melhorar a qualidade de produtos naturais e sintéticos[3]. Neste contexto, a radiação ionizante tem sido empregada em diversas aplicações industriais, alimentícias, médicas e hospitalares[2,3]. Dentre os equipamentos mais utilizados na área médica para esse fim destacam-se os aceleradores lineares ou Linear Accelerator (LINAC).
16 equipamentos hospitalares que levam a ineficiente tratamento de pacientes oncológicos pode levar até mesmo ao óbito de inúmeras pessoas.
Figura 1.1: Diário Oficial, onde mostra a CPI do Erro Medico, no qual equipamentos inadequados para tratamento
radioterápico estavam sendo utilizado[7], Publicado no dia 15 de julho de 2010.
Sabe-se que, através da experiência, doses elevadas de exposição às radiações ionizantes dão origem a efeitos somáticos e genéticos capazes de produzir mutações biológicas[1], podendo acarretar perdas de sentidos, paralisia e óbito do paciente. Recentemente, em um artigo publicado no jornal The New York Times[4], destacou que, embora o uso dos LINACs venha permitindo aos
médicos atacar tumores com mais precisão, a complexidade de seus equipamentos tem criado novos caminhos para erros médicos corriqueiros, de programação e operacionais. O artigo do jornal New York Times que foi publicado em 24 de janeiro de 2010 destaca que, entre os anos de
17 doses de radiação. Esses resultados não deixam dúvidas quanto à necessidade de desenvolvimento de um detector de radiação de fácil leitura, baixo custo e de resposta em tempo real para calibração de energia, intensidade e/ou feixe dos LINACs para uso diário e dedicado para cada dose que será administrada em ambiente hospitalar. Logo esse é um tema atual e de interesse médico, hospitalar e social. Dentro deste contexto, o termo dose ou dosimetria das radiações é tão importante cujos métodos dosimétricos adequados são essenciais para a utilização segura e aceitável da radiação[1]. Neste sentido, a proposta de desenvolvimento de sensores de acúmulo de dose de radiação X para uso pessoal, e para calibração dos aceleradores lineares é um tema atual e inovador. Esse é o foco principal desse trabalho.
1.1 - Detectores de radiação orgânico
Nas últimas décadas, inúmeros trabalhos tem sido foco no desenvolvimento de sensores para detecção de radiação ionizante e não ionizante. Poucos, contudo, tem explorado o potencial que os semicondutores orgânicos apresentam para uso em dosimetria das radiações. Esse é o caso, por exemplo, dos sensores de acúmulo de dose de radiação azul para cobaltoterapia e fototerapia neonatal[9,10] em desenvolvimento no LAPPEM – UFOP desde 2007. De um modo geral, tais sensores têm seu princípio de operação baseado na degradação de um polímero luminescente induzida pela radiação e, portanto, na mudança de cor desse material com a exposição à radiação. Tal característica abre a possibilidade de estudo e fabricação de dosímetros para uso como sensores de raios X de alta energia (6 MeV) em faixa de dose de radiação empregado no tratamento oncológico.
1.2 - Objetivo do trabalho
18 – Alq3. O MEH-PPV foi escolhido por emitir na região do vermelho (λmáx = 570 nm) e absorver na faixa do verde (λmáx = 540 nm), enquanto o Alq3 por emitir na região do verde (λmáx = 540 nm). Com os sistemas preparados, estes foram submetidos às diversas doses de raios X provenientes de um acelerador linear modelo Varian CLINAC 600C. Em seguida, as propriedades óticas foram investigadas por meio das técnicas de espectroscopia de absorção no UV-Vis (ABS), fotoemissão (PL) e diagrama de cromaticidade.
1.3 - Descrição do trabalho
No Capítulo 2, são apresentados os principais conceitos em dosimetria das radiações,
como também alguns dosímetros existentes no mercado e as características fundamentais dos sensores que os levam a atuar como elementos ativos de dosímetros, bem como algumas propriedades físico-químicas dos materiais orgânicos luminescentes utilizados neste trabalho. Em seguida no Capítulo 3, são apresentadas as principais características do MEH-PPV e do Alq3,
além dos métodos de preparação dos sistemas orgânicos utilizados nesse trabalho. No Capítulo 4,
por sua vez, são descritos os equipamentos utilizados na caracterização dos materiais. Os resultados obtidos são, então, mostrados, analisados e discutidos no Capítulo 5, enquanto o
desenvolvimento dos dosímetros é apresentado no Capítulo 6 e a conclusão do trabalho
apresentada no Capítulo 7 e, finalmente, no Capitulo 8 é apresentado as propostas para trabalhos
futuros.
Espera-se, com o desenvolvimento desse trabalho, contribuir para a proposta inédita de desenvolvimento de sensores orgânicos de raios X cujo princípio de operação baseia-se na resposta ótica de um semáforo inteligente, a saber: vermelho, para doses insuficientes; amarelo,
19
CAPITULO II
REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Neste capítulo são descritos os principais conceitos em dosimetria das radiações a serem abordados ao longo dessa dissertação. Também são apresentas as propriedades físico-químicas e óticas dos materiais orgânicos luminescentes que apresentam aplicação potencial em elemento ativo de sensores de acúmulo de dose de radiação ionizante.
2.1 - As radiações e o espectro eletromagnético
20 Figura 2.1: Espectro eletromagnético distinguindo as regiões onde estão as radiações ionizantes e as não ionizantes.
Quando a transferência de energia para a matéria é realizada por partículas que possuem carga elétrica tais como partículas alfa, beta e elétrons e interage com muitos átomos, a radiação é definida como diretamente ionizante, de tal forma que, radiações indiretamente ionizantes são as que não possuem carga tais como nêutrons e radiação eletromagnética (raios X e gama). Esta última interage individualmente transferindo sua energia para os elétrons que irão provocar novas ionizações. De modo inverso, quando radiações eletromagnéticas, tal como a luz visível, não conseguem provocar ionização de átomos, moléculas etc, são denominadas de radiações não ionizantes[5]. Neste contexto, o conjunto das radiações ionizantes usualmente estudadas compreende[14]:
I. Radiação eletromagnética com energia de fóton acima de 12 eV, que recebe várias denominações de acordo com a sua origem: raios X – originados de desexcitações atômicas (raios X característicos) e da desaceleração de partículas carregadas (Bremsstrahlung); raios gama – originados de desexcitações nucleares; fótons de aniquilação – originados da aniquilação de pares partícula-antipartícula
21 produzidos em aceleradores de partículas (elétrons, pósitrons, prótons, íons em geral, de qualquer número atômico ou número de massa), a radiação cósmica primária ou produtos de sua interação com a atmosfera (múons, píons etc.), produtos de reações nucleares, etc;
III. Nêutrons livres com qualquer energia cinética e de qualquer origem. Essa classificação das radiações ionizantes tem fundamentação nas forças responsáveis pelas interações e na modelagem utilizada para descrevê-las.
2.2 - A Radioterapia e a dosimetria das radiações
Desde a descoberta dos raios X por Wilhelm Conrad Roentgen, em 1895, e da radioatividade, em 1896, por Antonie Henry Becquerel, ocorreram inúmeros avanços da radiologia mundial[15]. Um desses avanços foi o uso da radiação ionizante nos tratamentos de tuberculose. Nos primórdios da radioterapia, administrava-se tanta dose de radiação quanto se julgava ser o paciente capaz de tolerar, sendo geralmente o limite da dose estabelecido pela tolerância da pele (dose eritema)[16]. As tentativas de sistematizar o emprego da terapia com irradiação datam de 1906, quando ocorreu a padronização do tratamento, relacionando-se o tempo de exposição com a corrente elétrica usada em tubos de raios X[17].
Em 1929, definiu-se, pela primeira vez, uma unidade padrão de dose de exposição, o röentgen (R), que uniformizou os critérios de dosimetria. Isto permitiu a intercomparação dos resultados e a identificação de áreas de aprimoramento terapêutico. O röentgen prevaleceu até 1962, quando foi substituído pelo rad (dose absorvida) e posteriormente pela unidade de dose absorvida (Gy), em homenagem ao físico e radiologista inglês, L. H. Gray, de acordo com a orientação da Comissão Internacional de Unidades e Medidas Radiológicas (ICRU).
22 de radiações ionizantes que tem o poder de remover elétrons dos átomos das células que compõe o organismo humano. A finalidade da radioterapia é aplicar radiação ionizante na região em que se deseja tratar a neoplasia, aumentando a mortalidade celular e, consequentemente, extinguindo a massa tumoral existente[17].
2.2.1 - Os aceleradores lineares (LINAC)
Na década de 80 o avanço da informática e da microeletrônica atinge a medicina mundial nas mais diversas áreas[19]. Na radioterapia não é diferente. Os sistemas computadorizados são cada vez mais freqüentes, tanto nos equipamentos de tratamento como nos de planejamento, favorecendo a proteção radiológica e possibilitando a aplicação de um maior valor de dose de radiação nos tumores e a maior integridade de tecidos saudáveis [19]. Os aceleradores lineares representam a mais importante, prática e versátil fonte de radiação ionizante em radioterapia e seu uso vem crescendo consideravelmente em todo o mundo. Por outro lado, os aceleradores, sendo máquinas que produzem os feixes de radiação eletronicamente, podem ter seu desempenho alterado inesperadamente, como a interrupção, por exemplo, da energia da rede que pode alterar o sistema. Ademais, sabe-se que o desempenho das máquinas pode ser afetado por funcionamento defeituoso tais como; quebra mecânica; acidentes físicos; falha de componentes; troca de componentes importantes; e alterações graduais causadas pelo envelhecimento[5]. Para tanto, de uma forma geral, atualmente é necessário atender a dois requisitos essenciais para o bom funcionamento dos LINACs: (i) as medidas do controle de qualidade devem ser repetidas de
forma rotineira e (ii) deve haver uma monitoração regular do desempenho por meio de uma
manutenção preventiva. O controle de qualidade de um serviço de radioterapia é um universo de medidas, verificações, treinamentos manutenção e registros. A International Comission on Radiation Units and Measurements (ICRU) que recomenda que a incerteza total de um
tratamento de radioterapia não deve ultrapassar 5%, ou seja, cada parte do processo de administração de dose no paciente deve ter uma incerteza bem menor que esse valor[15]. Contudo, diversos casos de excesso (superdosagem), insuficiência (subdosagem) ou ausência de radiação
23
superdosagem de radiação foram registrados em Hospitais Públicos e Privados. Não obstante,
essa infeliz realidade, segundo reportagem do New York Times, de 24 de Janeiro de 2010,
destaca-se ainda que “atualmente os LINACs apresentam tecnologia bem superior a disponível há cerca de 20 anos. Porém, a operação e o controle desses equipamentos tornaram-se mais complexos”. Resultado é cada vez mais evidente e necessário o controle operacional e funcional dos LINACs. Nesse sentido, para que um grupo de profissionais tenha sucesso nessas atividades, de forma a respeitar a incerteza ( 5%) das doses recomendadas pela ICRU, há uma crescente preocupação no desenvolvimento de novos procedimentos e rotinas que respeitem as características do tratamento radioterápico, mas que sejam de fácil aplicação e disponibilidade. Em outras palavras, uma das lacunas existentes na prática clínica diária em radioterapia é a falta de controle individual e em tempo real de dose administrada de radiação, bem como a falta de controle diário das condições de operação dos feixes dos LINACs e o uso insuficiente de sensores de acúmulo de dose de radiação. No que tange o uso de tais sensores, há de se destacar a necessidade sempre atual de desenvolvimento de dosímetros de fácil manipulação, fácil leitura, baixo custo e sensibilidade. Esses são os temas dos próximos itens.
Nos próximos itens são expostos os principais conceitos empregados em dosimetria das radiações visando o uso em radioterapia, bem como as características dos sensores de radiação disponíveis atualmente no mercado para essa finalidade. Espera-se, com a apresentação desses itens, contribuir para fortalecer a idéia e necessidade de desenvolvimento de novos sensores de radiação para auxílio na prática clínica diária nos setores de Radioterapia.
2.2.2 - Dose Absorvida
A grandeza mais utilizada em radioterapia é a dose absorvida (D). Esta grandeza é caracterizada pela transferência de energia à matéria. Dose absorvida é o quociente de dE por dm, onde dE é a energia média depositada pela radiação ionizante na matéria de massa dm, em um ponto de interesse[13]. A equação que descreve D é,
24 A unidade de dose absorvida é o Gy e corresponde a J.kg-1.
De fato, o depósito de energia de um feixe de fótons de alta energia não ocorre de modo uniforme com relação à espessura do meio sendo atravessado. Pode-se de fato separar essa transferência de energia em dois estágios distintos:
Na interação dos fótons de alta energia com o meio (o que leva à produção de pares íons/elétrons de alta energia);
25 em feixes de fótons e elétrons é conhecida como região de build-up[16], A importância do
conhecimento da espessura de build-up, reside no fato que medições nesta região implicam em
valores de doses menores ao que o meio se encontraria potencialmente sujeito. Destaca-se na Fig 2.2 que para feixe de fótons com energia igual a 6 MeV, ou seja, energia que foi utilizada neste trabalho, a espessura da região de build-up é de 1,5 cm[16].
Figura 2.2: Curva de PDP no eixo central obtida na água com feixes de fótons de energias 6, 10 e 15 MeV, para um
campo de radiação com 10x10 cm2 a uma distância da fonte até a superfície de 100 cm[20].
26 Figura 2.3:Ilustração das curvas de isodose obtida na água para feixe de energia de 6 MeV, com campo quadrado de
10x10 cm2 a DFS igual a 100 cm[16].
2.2.3 – Detectores de Radiação
27 interação da radiação e o detector permitem identificar a quantidade e as propriedades da radiação detectada. Nesse sentido, muitos instrumentos utilizados em proteção radiológica são de natureza eletrônica e indicam a intensidade da radiação num determinado instante de tempo. São principalmente os detectores a gás (câmara de ionização, detectores proporcionais e detectores Geiger-Müller), os detectores à cintilação, os detectores de nêutrons e os detectores semicondutores[22].
28
Figura 2.4: a) Esquema de alguns detectores onde esta sendo representado os principais efeitos químicos e físicos da
radiação ionizante. b) Exemplos de alguns detectores acoplados a um eletrômetro[7] os tornando dosímetros.
Em virtude da diversidade de tipos de dosímetros (Figura 2.4), que abrangem um número razoável de aplicações, não é possível quantificar potenciais incertezas para cada tipo específico de dispositivo. Em geral os possíveis fatores que influenciam a detecção precisa da radiação são[24]:
i. variação na resposta de um grupo de dosímetros irradiados com o mesmo nível de dose;
ii. variação na espessura ou massa de cada dosímetro;
iii. análise da instrumentação do sistema dosimétrico (ex: variação na leitura, comprimento de onda, etc);
iv. reprodutibilidade da dose absorvida; v. estabilidade de resposta do dosímetro; vi. calibração do feixe.
Câmara de ionização acoplada a um eletrômetro
Foto de um determinado tipo de dosímetro de bolso ou caneta dosimétrica
Câmara proporcional acoplada a um eletrômetro de bancada.
a)
29 Um material para ser empregado com sucesso na dosimetria das radiações deve apresentar algumas propriedades dosimétricas que são consideradas fundamentais a sua aplicabilidade a saber: linearidade, estabilidade e a reprodutibilidade da resposta[6]. A seguir são descritas essas propriedades.
Linearidade: o dosímetro deve apresentar uma sensibilidade adequada em um
determinado intervalo de dose absorvida, fornecendo resposta linear dentro de limites estabelecidos, facilitando os cálculos e a interpretação dos resultados;
Estabilidade: o dosímetro deve ser o mais insensível possível a mudanças externas das
condições ambientais, ou fornecer caminhos que permitam a correção dos erros causados por essas mudanças. A estabilidade de um dosímetro é afetada pela alteração, ou não, da sua resposta como função do tempo decorrido entre a irradiação e a leitura de dose;
Reprodutibilidade: a reprodutibilidade está relacionada com os conceitos de precisão e
exatidão, pois, precisão é o quanto uma medida é reprodutível, isto é, está relacionada com a concordância das medidas entre si, ou seja, quanto maior a dispersão dos valores, menor a precisão. Por outro lado, quanto maior a grandeza dos desvios, menor a sua precisão. Exatidão é a medida mais próxima da verdadeira e está relacionada com o método de medida. A exatidão está relacionada com o erro absoluto, isto é, com a proximidade do valor medido em relação ao valor verdadeiro da grandeza. Portanto, a exatidão está relacionada com a veracidade das medidas.
30
Tabela 1.1: Alguns tipos de detectores de radiação e suas características
Nesta tabela, destacam-se os principais detectores de radiação com suas respectivas características e aplicabilidade. É importante ressaltar que cada detector possui uma determinada faixa onde tem sua precisão melhor conforme citado anteriormente.
Neste trabalho foram utilizados polímeros e moléculas orgânicas como elementos ativos de dosímetros. As características desses materiais que os levam a candidatos naturais desses dispositivos são apresentadas no item 2.3 deste capítulo.
2.3 - Compostos orgânicos conjugados
31 repetem ao longo de suas cadeias poliméricas principais conhecidas como meros[25,26] A Figura 2.5ilustra a unidade de repetição de alguns polímeros.
Figura 2.5:Estrutura química dos cinco homopolímeros mais produzidos no Brasil. Na figura é mostrada somente a
unidade repetitiva ou mero. PE = polietileno, PP = polipropileno, PVC =poli(cloreto de vinila), PS = poliestireno e
PET = poli(tereftalato de etileno)[26].
Na indústria eletro-eletrônica, os plásticos foram aplicados durante muito tempo como isolantes elétricos. Contudo, com a descoberta da eletroluminescência em cristais de antraceno[27] em 1963, da alta condutividade elétrica do trans-poliacetileno (t-PA)[28] em 1977 e da descoberta
da eletroluminescência do poli(p-fenilenovinileno) (PPV) em 1990[29], essa classificação mudou
32
Figura 2.6: O (a) nome, fórmula estrutural e valores dos gaps de alguns polímeros conjugado[30]. (b) display
policromático, flexível e de alta definição produzido com polímeros conjugados luminescentes[31].
Entretanto, apesar do estágio atual de desenvolvimento tecnológico dos dispositivos poliméricos [32], a degradação dos materiais poliméricos quando expostos à radiação, umidade e/ou oxigênio, é atualmente um dos principais obstáculos para inserção comercial de seus dispositivos emissores de luz[32,33]. De modo geral, a degradação dos polímeros com a radiação implica na perda da eficiência luminosa e na limitação da durabilidade dos seus dispositivos luminosos, devido, principalmente, a substituição dos grupos vinílicos (C=C) por grupos carbonilas (C=O) nas suas cadeias principais[33,34]. Assim, o comprimento da conjugação da cadeia principal é reduzido modificando as propriedades eletrônicas dos polímeros e influenciando diretamente o desempenho de seus dispositivos luminosos [33, 35]. Todavia, se por um lado o efeito da fotodegradação constitui atualmente uma barreira comercial para os dispositivos emissores de luz orgânicos[34-36], por outro, o controle desse efeito abre a possibilidade de desenvolvimento de sensores de acúmulo de dose de radiação [37-38], onde as mudanças na cor e nos espectros de absorção e emissão de polímeros luminescentes expostos à radiação são mais importantes do que a minimização da durabilidade dos seus dispositivos eletroluminescentes.
(a)
33 Nos próximos itens são abordados, os principais conceitos e características que levam os polímeros a exibir características semicondutoras e metálicas, como também a descrição de como o efeito da degradação desses materiais pode ser útil para a fabricação de sensores de radiação.
2.3. 1 - A hibridização sp2 do carbono sua relação com as propriedades de moléculas orgânicas conjugadas
As propriedades eletrônicas dos semicondutores orgânicos podem ser compreendidas observando os orbitais moleculares dos átomos de carbono que compõem sua cadeia principal, composto de ligação C-C e C=C que se alterna ao longo da cadeia (Figura 2.6a). A alteração dessa ligação confere aos polímeros eletrônicos a denominação de polímeros conjugados. Os polímeros ou moléculas pequenas que se comportam como semicondutores orgânicos apresentam cadeia principal constituída de átomos de carbono hibridizados em sp2, ou seja, átomos de carbono nos quais um orbital s se funde com dois orbitais p, formando três orbitais híbridos sp2, como mostrado na Figura 2.7 [39].
Figura 2.7: Um carbono hibridizado sp2. Os três orbitais híbridos (negrito) equivalentes sp2 situam-se em um plano e
são separados uns dos outros por ângulos de 120°, e um único orbital p não hibridizado é perpendicular ao plano p2.
34 sobreposição de dois orbitais sp forma uma ligação σ, enquanto a sobreposição de dois orbitais p-puro forma uma ligação do tipo π. A título de ilustração a Figura. 2.8 mostra os orbitais
envolvidos na ligação entre dois átomos de carbono sp2 no eteno, mostrando, portanto, as ligações σe π já citadas.
Figura 2.8: Representação dos orbitais moleculares dos orbitais moleculares π e σ formados entre dois átomos de carbono sp2.
Na Figura. 2.8 é possível observar que a superposição dos orbitais pé menos efetivo do que a superposição entre dois orbitais sp2, portanto ligações σ são mais estáveis que ligações π.
As ligações π formadas dão origem a orbitais ocupados π e vazios π*, que se degeneram,
obedecendo a instabilidade de Peierls - ou dimerização (ligações C-C são mais longas que
ligações C=C). Portanto, os átomos de carbono ligados entre si por ligações π-conjugadas
35 Figura 2.9: Esquema, em distribuição de energia, da formação de orbitais moleculares entre dois átomos de carbono sp2.
Na Fig. 2.9 observa-se a diferença de energia entre os orbitais σ, σ*, π e π*. É possível notar que o orbital π é o de maior energia dentre os orbitais ligantes (HOMO - highest occupied molecular orbital) e o orbital π* (LUMO - Lowest Unoccupied Molecular Orbital) o de menor
energia dentre os antiligantes. A estrutura de banda de um polímero conjugado pode ser observado na Figura 2.10.
Figura 2.10: Estrutura de Bandas de polímeros conjugados.
36 espectro eletromagnético. A molécula é capaz de emitir radiação quando seus elétrons são excitados por meio de luz (fotoluminescência) ou corrente elétrica (eletroluminescência), cuja diferença está na forma com que o estado eletrônico excitado é gerado[41]. A existência destes materiais orgânicos e luminescentes só é possível graças à estrutura eletrônica do átomo de carbono. Essa característica possibilita a formação de cadeias com várias estruturas químicas, com complexidade e estruturas variadas.
2.3.2 – Efeito das radiações nos polímeros
A degradação ou alteração das propriedades de um polímero é resultante de reações químicas de diversos tipos, que podem ser intra ou intermoleculares. Esse efeito pode ser oriundo de um processo de despolimerização, de oxidação, de reticulação ou de cisão de ligações químicas. A degradação pode ser causada por eventos diferentes, dependendo do material, da forma de processamento e do seu uso[26]. Sabe-se que a radiação interage com os polímeros (tanto os convencionais como os eletrônicos), através de dois caminhos: quebra das cadeias, que reduz a resistência, a tração e o alongamento; e reticulação, que aumenta à resistência a tração mas reduz o alongamento. Ambas as reações ocorrem simultaneamente, mas uma delas é predominante, dependendo do polímero específico e aditivos envolvidos. Geralmente, os polímeros que contém estruturas com anéis aromáticos são mais resistentes aos efeitos da radiação. Polímeros alifáticos exibem diferentes graus de resistências, que depende das quantidades de insaturações e substituições. De um modo geral, as modificações químicas mais evidentes que ocorrem em polímeros pela ação da radiação de alta energia são: formação de produtos voláteis de baixa massa molar, formação de ligações duplas C=C conjugadas ou não, quebra da cadeia principal ou reticulação.
37 mencionado no item 2.3. De uma forma geral, quando se trata de radiação de alta energia, sempre está fornecendo energia mais alta do que as energias das ligações químicas existentes no polímero e sempre ocorrerá algum evento químico gerando espécies altamente reativas que dispararão o processo degradativo.
2.3.3 - Polímeros conjugados como sensores de radiação ionizante.
38 Nos últimos anos, os compostos orgânicos vêm sendo estudados como dosímetros para radiações ionizantes, onde em todos os trabalhos científicos que são conhecidos misturam materiais orgânicos com materiais inorgânicos[45,46]. No entanto, a literatura não apresenta nenhum trabalho com a mistura de dois materiais orgânicos luminescentes para estudos na área de dosimetria. O fato dos espectros de absorção e fotoluminescência de materiais orgânicos luminescentes, como o poli(2-metox,5-etil(2-hexilox)parafenilenovinileno) e o tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III), sofrerem alterações quando expostos a esta radiação abre possibilidades para a confecção de sensores de radiação para dosímetro com grande potencial para aplicação médica, conforme será exposto nos próximos capítulos. No LAPPEM, laboratório onde este dosímetro é desenvolvido, foi patenteado e realizado um trabalho sobre um dosímetro de radiação azul com aplicação em fototerapia neonatal. A Figura 2.11 representa este dispositivo em desenvolvimento na forma de filme e solução.
Figura 2.11: Sensores em desenvolvimento no LAPPEM. (a) Fotos de um conjunto composto de sensores de acúmulo de dose de radiação na forma de filmes autocolantes expostos à radiação azul proveniente de super LEDs azuis (foco em 460 nm) durante 12 horas, (b) Soluções de MEH-PPV expostas a radiação azul, desenvolvimento no LAPPEM.
(a)
39 Os dispositivos apresentados na Figura 2.11, apresentam como princípio de funcionamento a mudança de tonalidade da coloração da solução de MEH-PPV, bem como da intensidade de fotoluminescência. Tal dosímetro apresenta vantagens como fácil leitura e baixo custo, além de ser o primeiro com essa característica apresentado na literatura. O proposto neste trabalho também se baseia no estudo do MEH-PPV com o Alq3, para radiações ionizantes.
2.4 - Semáforo inteligente
40
CAPITULO III
MÉTODOS E PROCEDIMENTOS EXPERIMENTAIS
Neste capítulo são apresentados os métodos e os procedimentos experimentais utilizados na preparação e na caracterização de sensores orgânicos de acúmulo de dose de radiação (SOAD) inteligentes propostos e fabricados nesse trabalho. Dessa forma, esse capítulo apresenta desde as principais características físico-químicas do tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III) - Alq3, e do poli(2-metóxi,5-etil(2-hexilóxi)parafenilenovinileno) – MEH-PPV, que são os materiais orgânicos usados como elemento ativo dos dispositivos, até os procedimentos experimentais usados na fabricação dos sensores. Finalmente, é apresentada uma breve descrição do uso da dinâmica de sobreposição dos espectros de absorção na região do visível e de fotoemissão desses dois materiais luminescentes expostos aos raios X de alta energia (6 MeV) para confecção de sensores inteligentes, tipo “semáforo”, à base de MEH-PPV/Alq3 e, consequentemente, para uso no monitoramento da dose de raios X administrada em tratamentos radioterápicos.
3.1. – Preparações dos Sistemas Orgânicos
41
3.1.1 poli[2-metóxi-5-(2’-etilhexilóxi)-1,4-fenilenovinileno]– MEH-PPV
O poli[2-metóxi-5-(2’-etilhexilóxi)-1,4-fenilenovinileno], cuja fórmula molecular é (C18H28O2)n, é um polímero conjugado derivado do PPV que possui foto e eletroluminescência [48] na região do vermelho-laranja e de células fotovoltaicas, diodos emissores de luz e displays luminosos além de apresentar fácil processamento na forma de filmes. O material foi adquirido comercialmente da empresa Sigma-Aldrich, na forma fibrosa, como mostra a foto apresentada na Figura 3.1. O polímero é formado por repetições do monômero [2-metóxi- 5-(2’-etilhexilóxi)-1,4-fenilenovinileno] constituindo uma cadeia principal formada por alternância de ligações simples e duplas de átomos de carbonos (C-C e C=C). Tal característica confere a esse polímero as propriedades eletrônicas discutidas no item 2.3 do Capítulo 2. Finalmente, a Figura 3.2 mostra os espectros de absorção e de emissão do MEH-PPV. Esse último obtido com a excitação em 405 nm (laser violeta).
Figura 3.1: MEH-PPV em forma de fibra adquirido comercialmente pela empresa Sigma-Aldrich. Em detalhes da
42 Figura 3.2: Fórmula estrutural, espectros de absorção e de fotoemissão de solução em clorofórmio e foto do
polímero conjugado MEH-PPV quando excitado com laser violeta (λexci = 405 nm). No topo da figura é apresentado
a região do visível (400 a 700 nm) do espectro eletromagnético para facilitar a identificação das regiões de absorção e emissão da molécula.
Na Figura 3.2, o MEH-PPV dissolvido em clorofórmio (50 µg/ml), apresenta máximos de absorção e fotoemissão, respectivamente, em 486 e 556 nm, ou seja, absorve radiação na região do azul (λmáx 480 nm) e emite na região vermelho-laranja (λmáx 570 nm) do espectro visível. O MEH-PPV utilizado apresenta massa molecular numérica média na faixa de 70000 g/mol - 100000 g/mol sendo, portanto polidisperso.
Muitos dos estudos como o MEH-PPV[49], têm como foco principal a compreensão dos efeitos de fotoxidação do MEH-PPV, que são a principal motivação para o desenvolvimento de sensores de acúmulo de radiação eficientes, uma vez que a mudança de cor e de fotoemissão desse polímero induzidos por radiação[10,47, 50] motiva a fabricação de dispositivos inteligentes que correlaciona dose-cor como seu princípio de operação[ 10, 38,50] .
É importante destacar que soluções de MEH-PPV foram preparadas em clorofórmio, uma vez que elas são armazenadas e dispostas em ampolas lacradas afoticamente. Tal procedimento é necessário para evitar possíveis mudanças em suas concentrações por evaporação do solvente durante a caracterização ótica e irradiação do sistema polimérico. Nesse caso, descartou-se, por exemplo, a possibilidade do uso de tolueno que é altamente inflamável e explosivo. Detalhes do procedimento de preparação e lacre das ampolas com soluções de MEH-PPV são apresentados no item 3.3.2 desse Capítulo.
300 400 500 600 700 800 900
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
max= 486 nm max= 556 nm
F o to e mi ssã o (u .a ) Ab so rçã o (u .a ) (nm)
300 400 500 600 700 800 900
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
max= 486 nm max= 556 nm
43
3.1.2 - Tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III) – Alq3
O Alq3, Figura 3.3, é um composto orgânico conjugado com fórmula molecular C27H18AlN3O3. É também conhecido como sal de alumínio Hidroxiquinolina, alumínio 8-hidroxiquinolinato ou alumínio oxinato. Possui peso molecular 459,43 g/mol, apresenta pureza de 99,995%, é um material emissor de luz verde, e muito usado em dispositivos eletroluminescentes[32]. É encontrado na forma de um pó amarelo e apresenta boa solubilidade em solventes orgânicos comuns, como o clorofórmio. Assim como o MEH-PPV, o Alq3 também foi adquirido da empresa Sigma-Aldrich. A Figura 3.3 apresenta uma foto do material adquirido dessa empresa. A fórmula estrutural, os espectros de absorção, fotoemissão e a foto do material quando excitado com Laser violeta (λ = 405 nm) são apresentados na Figura 3.4.
44 300 400 500 600 700 800 900
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 max= 515 nm
max= 380 nm
F o to e mi ssã o (u .a ) Ab so rçã o (u .a ) nm)
300 400 500 600 700 800 900 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 max= 515 nm
max= 380 nm
F o to e mi ssã o (u .a ) Ab so rçã o (u .a ) nm)
300 400 500 600 700 800 900 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 max= 515 nm
max= 380 nm
F o to e mi ssã o (u .a ) Ab so rçã o (u .a ) nm)
Figura 3.4: Fórmula estrutural do tris-(8-hidroxiquinolinolato) de alumínio (III), espectros de absorção e de emissão
de solução em clorofórmio do composto luminescente Alq3 e foto do material dissolvido em clorofórmio quando
excitado com um laser violeta (λ = 405 nm).
45 Figura 3.5: Espectros de MEH-PPV e de Alq3 em clorofórmio mostrando absorção do MEH-PPV e emissão do Alq3
antes da exposição à radiação.
46 Figura 3.6: Em vermelho, espectro de absorção do MEH-PPV e de fotoluminescência do Alq3 antes e depois de
expostos a 100 Gy de raios X de 6 MeV.
Com base nos resultados obtidos e apresentados na Figura 3.6, foi construído um sistema no qual à medida que o MEH-PPV é degradado, a fotoluminescência do sistema muda de cor e de tonalidade, o que da origem a um novo sistema com potencial para dosímetro para raios X de alta energia. Detalhes da resposta desses sistemas com a radiação e como isso leva e a fabricação do SOAD são apresentados no Cap 6.
3.1.3 – Acelerador e inibidor de radicais livres
47 resposta dose-cor do SOAD. Nesse trabalho é proposto o uso de dois compostos orgânicos, um inibidor e outro acelerador de radicais livres. Tais materiais são usados para alterar a taxa de degradação do MEH-PPV e, portanto, para controle e estudo das curvas dose-cor da mistura MEH-PPV/Alq3. Para tanto, foram utilizados dois compostos químicos, o Irganóx 1010® e Peróxido de Benzoila, como proposta de controle da taxa de degradação do MEH-PPV/Alq3 via possíveis radicais livres (Cl-) provenientes da interação da radiação com o clorofórmio (CHCl3). As estruturas químicas desses dois compostos são mostradas na Figura 3.7.
Figura 3.7: (a) representação da estrutura química do irganóx 1010 (inibidor) e em (b), representação química do Peróxido de Benzoila (acelerador).
48
3.2 - Preparação das amostras e dispositivos orgânicos
Para a confecção das amostras e dos sensores orgânicos, foram preparadas soluções de Alq3, MEH-PPV e MEH-PPV/Alq3 com diferentes concentrações de Alq3 em clorofórmio mantendo-se, para tanto, concentração de MEH-PPV igual a 50mg/ml[26], de acordo com resultados prévios disponíveis na literatura[10, 47]. As soluções contendo MEH-PPV/Alq3 foram estudadas sem e com a adição de acelerador e inibidor de radicais livres. A construção do sensor se faz colocando os materiais em solução dentro de ampolas de vidro que são tratadas no escuro, cujas pontas capilares são lacradas afoticamente com maçarico e um equipamento de apoio desenvolvido no LAPPEM.
3.2.1 - Tratamento do solvente
O clorofórmio comercializado pela empresa Vetec com pureza de 99,8% foi utilizado como solvente dos materiais orgânicos neste trabalho. A presença de água e outras impurezas no solvente interferem na degradação dos materiais e, portanto, devem ser minimizadas ou eliminadas, sabe-se, por exemplo, que o Alq3 reage com água sofrendo hidrólise[32]. Visando a purificação do solvente adicionou-se peneira molecular ao solvente antes da dissolução do polímero, deixando-a no frasco até seu escurecimento. O enriquecimento com nitrogênio foi realizado com objetivo de estudar o comportamento da solução com a mínima quantidade de oxigênio, ou seja, em meio inerte na presença de radiação. Para o enriquecimento do clorofórmio borbulhou-se esse solvente em N2 durante 20 min, com o auxilio de uma mangueira e de uma pipeta, forçando assim a dissolução do mesmo no solvente.
3.2.1.1 - Preparo das soluções de Alq3
49 com clorofórmio. As demais soluções foram preparadas por meio da diluição da solução de 500 µg/ml.
Estudos de diferentes concentrações dos materiais solubilizados em clorofórmio variando a quantidade de Alq3, acelerador e inibidor são importantes, pois seu estudo possibilitará o ajuste da resposta dose-cor requerida pelo dosímetro em diferentes aplicações. Por exemplo, no caso do dosímetro proposto neste trabalho, a dose máxima de exposição dos pacientes à radiação está em torno de 20 Gy. Já no caso de esterilização de bolsas de sangue, a dose utilizada é de 40 Gy[52]. No entanto, se for possível controlar a velocidade de degradação o leque de aplicações desse sistema se amplia, pois, alguns tratamentos em radioterapia atingem doses de no máximo entre 10 e 15 Gy, enquanto que na conserva de alimentos as doses podem variar de 500 Gy a 3000 Gy[3]. Logo, do ponto de vista dos objetivos desse trabalho, as soluções usadas nos dosímetros devem apresentar alterações em sua absorção e fotoluminescência para diferentes doses e parâmetros ampliando, no futuro, o potencial tecnológico desses materiais.
3.2.1.2 - Preparo das soluções de MEH-PPV
Soluções de MEH-PPV foram preparadas em clorofórmio com concentração de 150 μg/ml. Para tanto, foi pesada a quantidade de MEH-PPV necessária para obter o lote de amostras que depois foi transferido para um balão volumétrico e completado com clorofórmio. Em seguida, a solução foi agitada com ajuda de um agitador magnético e depois levada ao ultrasom por 1 h. Este processo foi realizado diversas vezes até que todo o MEH-PPV fosse dissolvido em CHCl3.
3.2.1.3 - Preparo da solução de MEH-PPV/Alq3, MEH-PPV/Alq3 + Irganox e
MEH-PPV/Alq3 + Peróxido de Benzoila
50 uso do MEH-PPV para detecção de radiação azul [38]. A proporção 1/2 deste sistema foi feita com a presença de Irganox1010® e outra solução com a presença do Peróxido de Benzoila. O Irganox 1010® e o Peróxido de Benzoila foram adicionados no momento da adição do MEH-PPV e do Alq3. Estes materiais também são facilmente dissolvidos em clorofórmio, obtendo assim uma solução homogênea.
3.3.1 - Armazenamento das soluções e recobrimento das ampolas
As soluções de MEH-PPV, de Alq3 e de MEH-PPV/Alq3 com acelerador e inibidor em clorofórmio foram armazenadas em ampolas de vidro com capacidade de 1 ml. As ampolas foram recobertas com papel alumínio, de modo a evitar o contato com a luz, e colocadas em um suporte de madeira conforme a Figura 3.8.
Figura 3. 8: Suporte de madeira com as ampolas devidamente tampadas para não incidir luz nas soluções.
3.3.2 - Armazenamento das soluções e lacre das ampolas
51 colocadas em uma base giratória (Fig 3.9), uma a uma. E com o auxílio de um maçarico, as ampolas eram lacradas e armazenadas no escuro.
O desenvolvimento da base giratória para auxilio no fechamento das ampolas permitiu que as ampolas fossem lacradas rapidamente e que as pontas das ampolas não quebrassem facilmente. Destaca-se ainda que foi evitado o contato da solução com o gargalo da ampola, por meio da inserção do material com uma agulha, para evitar efeitos de degradação do polímero com fonte de calor oriunda do maçarico. Outros métodos de evitar a evaporação do solvente como, por exemplo, a utilização de septos não foi suficientemente eficiente, pois sua matéria prima, geralmente siliconadas, é permeável ao clorofórmio. O vidro foi resfriado no escuro e tanto o gargalo quanto o corpo da ampola foram revestidos com papel alumínio. A Figura 3.10 mostra o esquema simplificado referente ao processo de preparo das soluções poliméricas e preparo das ampolas.
Figura 3.9: Equipamentos utilizados para lacrar as ampolas contendo um maçarico e uma base giratória com suporte de amostra.
52 Figura 3.10: Representação esquemática do procedimento experimental para a confecção das soluções em ampolas
A Figura 3.10 mostra as etapas nos quais as soluções em ampolas são submetida antes de serem irradiadas e caracterizadas. Na primeira etapa (1), tem-se a preparação da solução luminescente. Já as etapas (2) e (3), são as etapas de preparação das soluções com os inibidores e aceleradores de radicais livres, bem como da preparação das ampolas, respectivamente. Detalhes de preparação das etapas de preenchimentos das ampolas são mostrado na Figura 3.11.
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CAPITULO IV
EQUIPAMENTOS E MÉTODOS
Neste capítulo são apresentadas breves descrições dos equipamentos e dos métodos de irradiação e de caracterização dos compostos luminescentes e dos sensores de radiação fabricados nesse trabalho. Para tanto, foram realizadas medidas de cromaticidade, para determinação de cor (escala XYZ), e medidas de espectroscopias de fotoemissão e absorção na região do visível, para obtenção dos espectros eletrônicos dos sistemas orgânicos preparados. Também são apresentados os detalhes dos equipamentos e das condições das amostras empregadas em ambientes hospitalares.
4.1 – Medidas Óticas
Para a caracterização ótica dos materiais foi utilizado o equipamento SHIMADZU série 1650 e o espectrofotômetro Ocean Optics USB 2000. As amostras, uma vez preparadas, foram irradiadas por um Acelerador Linear modelo Varian Clinac 600C (6 MeV), disponível na Fundação Cristiano Varella, Hospital do Câncer de Muriaé - MG. Os detalhes dos equipamentos e os procedimentos adotados são apresentados a seguir.
4.1.1 – Espectrofotômetro UV-VIS SHIMADZU série 1650
54 ampolas cilíndricas, facilitando, portanto, o encaixe do sistema (ampola e suporte de alumino) no espectrofotômetro como a foto apresentada na Fig. 4.1. Este acessório, com medidas externas idênticas às medidas das cubetas tradicionais de espectroscopia, possui espaço interno que possibilita o encaixe ideal das ampolas cilíndricas. Todas as ampolas foram manuseadas no escuro e à temperatura ambiente para evitar a degradação dos sistemas orgânicos por radiação visível (fotoxidação).
Figura 4.1: (a) Acessório confeccionado em alumínio para adaptação da ampola cilíndricas e de vidro para realização de medidas óticas das soluções orgânicas, (b) suporte onde é colocado a ampola com o suporte das ampolas para ser realizada a leitura no espectrômetro, (c).Espectrômetro UV-VIS SHIMADZU série 1650 utilizado.
4.1.2 – Espectrofotômetro Ocean Optics USB 2000
55 Figura 4.2: Aparato experimental projetado e fabricado no LAPPEM usado para excitação e aquisição dos espectros de fotoluminescência das amostras (ampolas + soluções orgânicas) utilizadas neste trabalho. (a) aparato experimental projetado usado para excitação e aquisição dos espectros de fotoluminescência (b) Componentes elétricos óticos e mecânicos internos, (c) espectro de emissão do LED utilizado para excitação das amostras.
4.1.3 - Acelerador Linear Clinac 600C/Varian
O acelerador Linear Clinac 600C/Varian (Fig 4.3), foi utilizado para irradiação dos sistemas fabricados nesse trabalho. Nessa figura observa-se a foto do LINAC disponível no Hospital com uma caixa de vidro com pequeno volume de água que foi o local das amostras luminescentes (Figura 4.3a). A Figura também mostra detalhes da cabeça do acelerador com a representação dos espectros óticos do feixe emergente (Figura 4.3b).
(a)
