Milene Cristina dos Santos Ba¸c˜ao Lisboa 2011

(1)

Universidade de Nova de Lisboa Faculdade de Ciˆencias e Tecnologia

Departamento de F´ısica

Instituto Tecnol´ogico Nuclear

Avalia¸c˜

ao de um biodos´ımetro de radia¸c˜

ao

ionizante - Compara¸c˜

ao Dosim´etrica

Milene Cristina dos Santos Ba¸c˜ao

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Avalia¸c˜

ao de um biodos´ımetro de radia¸c˜

ao ionizante

-Compara¸c˜

ao Dosim´etrica

Orientador: Dra. Sandra Cabo Verde

Co-Orientador: Prof. Dr. Jo˜ao Cruz

Disserta¸c˜ao apresentada na Faculdade de Ciˆencias e Tecnologia da

Universidade de Nova de Lisboa para complementar os requerimentos

para a obten¸c˜ao do grau de Mestre em Engenharia Biom´edica.

Departamento de F´ısica

Faculdade de Ciˆencias e Tecnologia,

Universidade Nova de Lisboa

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Avalia¸c˜

ao de um biodos´ımetro de radia¸c˜

ao ionizante

-Compara¸c˜

ao Dosim´etrica

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Agradecimentos

A tese é um trabalho individual e de extrema importância pela finalidade académica. No entanto, a chegada a este momento deve-se pela presen¸ca ou passagem de im-portantes pessoas que fazem parte da nossa história, às quais não poderia deixar de expressar o meu sincero agradecimento.

`

A Dra. Sandra Cabo Verde, minha orientadora, pelos ensinamentos, disponibili-dade e generosidisponibili-dade demonstradas, cr´ıticas, sugest˜oes e sobretudo pela amizade.

Ao meu co-orientador, Dr. Jo˜ao Cruz, pelo conhecimento ao longo do curso, disponi-bilidade, cr´ıticas e exigˆencia.

`

A Dra. Luisa Botelho, que me deu a grande oportunidade de desenvolver o meu trabalho no ITN e que me recebeu de bra¸cos abertos no grupo.

`

As minhas babes pelo apoio incondicional, gargalhadas, confidências e pelo exce-lente ambiente que contribu´ıram para realizar este trabalho ainda com mais prazer :Joana Madureira, Inês Nunes, Rita Melo, Helena Marcos, Telma Silva, Marina, Vânia Dores. É uma honra ser uma ITN babe.

Ao Pedro e ao Amilcar que tamb´em fazem parte deste grande grupo.

Aos meus amigos, que estiveram sempre presentes ao longo destes anos e que muitas vezes acreditaram em mim, mais do que eu pr´opria.

Ao Rui, pelo amor, amizade, conﬁan¸ca e inesgot´avel apoio.

(9)

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Resumo

O correcto processamento por irradia¸cão, nas suas diversas aplica¸cões, depende da pre-cisão e reprodutibilidade da avalia¸cão da quantidade de radia¸cão ionizante. O objectivo desta disserta¸cão consistiu na avalia¸cão de um biodos´ımetro bacteriano na monito-riza¸cão de doses de radia¸cão ionizante, por compara¸cão com dosimetrias de referência Fricke, de rotina PMMA, e simula¸cão.

Um biodos´ımetro permite determinar a dose absorvida mediante uma resposta biológica. Esta resposta nos microrganismos pode expressar-se numa rela¸cão dose/efeito, que é representada através de curvas de sobrevivência. Na avalia¸cão da resposta mi-crobiológica à radia¸cão gama, recorreu-se à quantifica¸cão da viabilidade celular de suspensões aquosas de esporos de Bacillus pumilus e de duas estirpes ambientais de

Pseudomonas fluorescens e Stenotrophomonas maltophilia.

No desenvolvimento das metodologias foi utilizada a unidade de irradia¸cão experi-mental de60_Co_{, Precisa 22. O estudo de simula¸cão dosimétrica foi efectuado através da}

constru¸cão e implementa¸cão de um modelo computacional no software PENELOPE, permitindo estimar a dose absorvida numa suspensão aquosa celular. A irradia¸cão das suspensões celulares foi efectuada a doses sub-letais (≤10 kGy) a dois débitos de dose. A suspensão de B. pumilus demostrou para as condi¸cões estudadas, uma curva de in-activa¸cão exponencial. Contudo, para as suspensões de P. fluorescens e S. maltophilia

não foi obtida qualquer curva de sobrevivência, sugerindo que as estirpes utilizadas não possuem as caracter´ısticas adequadas para um biodos´ımetro.

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bacte-rianas, dada a sua pigmenta¸cão. Para a suspensão de S. maltophilia verificou-se uma correla¸cão exponencial entre o pico de absor¸cão e a dose absorvida. A utiliza¸cão de dos´ımetros biológicos é uma área pouco desenvolvida mas com potencial aplica¸cão em processos de esteriliza¸cão e preserva¸cão.

Palavras-chave: Inactiva¸c˜ao bacteriana, Biodos´ımetro, Fricke, radia¸c˜ao gama, PENE-LOPE

(12)

Abstract

The correct procedure for irradiation processing, in diﬀerent applications, depends on the accuracy and reproducibility in the evaluation of the amount of absorbed ioni-zing radiation. The main goal of this dissertation was the evaluation of a bacterial biodosimeter for monitoring ionizing radiation doses, by comparison with reference dosimetry (Fricke), routine dosimetry (PMMA) and simulation.

A biodosimeter allows to evaluate the absorbed dose based on a biological response. Microorganisms response can be expressed by a dose/response relationship, represented by survival curves. To evaluate the microbiological response to gamma irradiation it was used an aqueous suspension of Bacillus pumilus spores, as well as environmen-tal strains of Pseudomonas fluorescens and Stenotrophomonas maltophilia, in order to quantify the cellular viability.

The experimental methodologies were developed using a 60_Co _{experimental source,}

Precisa 22. A dosimetric simulation study was made by constructing and implementing a computational model on PENELOPE software, allowing the absorbed dose estima-tion on an aqueous cell suspension. The aqueous bacterial suspensions irradiaestima-tion were exposed to sub lethal doses (≤ 10 kGy) at two dose rates.

(13)

mal-tophilia suspension an exponential correlation between absorption peak and absorbed dose was veriﬁed.

The use of biological dosimeters is an undeveloped research ﬁeld with potential appli-cation on sterilization and preservation processes.

Keywords: Bacterial inactivation, Biodosimeter, Fricke, Gamma irradiation, PENE-LOPE

(14)

Conte´

udo

iii

Agradecimentos vi

Resumo viii

Abstract x

Lista de Figuras xx

Lista de Tabelas xxii

Acr´onimos e Defini¸c˜oes xxiv

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Motiva¸c˜ao . . . 1

1.2 Objectivos . . . 2

1.3 Tese-Vis˜ao Global . . . 3

2 Radia¸c˜ao 5 2.1 Radia¸c˜ao Ionizante . . . 6

2.2 Interaçcão da Radia¸cão Electromagnética com a Matéria . . . 7

2.2.1 Efeito Fotoel´ectrico . . . 8

2.2.2 Efeito de Compton . . . 9

2.2.3 Produ¸c˜ao de Pares . . . 10

2.2.4 Dispers˜ao de Rayleigh . . . 11

2.3 Coeﬁcientes de Atenua¸c˜ao . . . 12

(15)

3 Dosimetria - Conceitos Gerais 14

3.1 Grandezas F´ısicas . . . 14

3.1.1 Fluˆencia . . . 15

3.1.2 Kerma . . . 15

3.1.3 Dose Absorvida . . . 15

3.2 Actividade . . . 16

3.3 Dos´ımetros de Referˆencia . . . 16

3.3.1 Solu¸c˜ao de Fricke . . . 16

3.4 Dosimetria de Rotina . . . 19

3.4.1 Dos´ımetros de Polimetilmetacrilato . . . 20

4 Biodosimetria 21 4.1 Biodos´ımetro - Deﬁni¸c˜ao . . . 21

4.2 Interaçcão da Radia¸cão com a Matéria Viva . . . 22

4.3 Resposta dos Microorganismos `a Radia¸c˜ao Ionizante . . . 24

4.4 Bact´erias como Biodos´ımetros . . . 25

5 Simula¸c˜ao de um Dispositivo Experimental 27 5.1 Fonte de60_Co _{. . . .} ₂₇

5.2 A Unidade de Irradia¸c˜ao PRECISA 22 . . . 28

5.3 PENELOPE . . . 29

5.3.1 T´ecnicas de Monte Carlo . . . 30

5.3.2 Probabilidades de Interac¸c˜ao . . . 31

5.3.3 Gera¸cão de Números Aleatórios . . . 33

5.4 Parˆametros de simula¸c˜ao . . . 36

5.4.1 Geometria do Sistema . . . 36

5.4.2 Descri¸c˜ao da Fonte e Energia . . . 37

6 Materiais e M´etodos 39 6.1 Biodos´ımetros . . . 39

6.1.1 Identifica¸cão e Caracteriza¸cão de Estirpes . . . 39

6.1.2 Obten¸c˜ao das Suspens˜oes Bacterianas . . . 40

6.1.3 Determina¸cão da Concentra¸cão de Células . . . 41

(16)

6.2.1 Dosimetria de Referˆencia - Solu¸c˜ao de Fricke . . . 43

6.3 Irradia¸c˜ao . . . 44

6.3.1 Defini¸cão de Doses e Tempos de Irradia¸cão . . . 44

6.3.2 Dos´ımetros de Rotina . . . 45

6.4 P´os Irradia¸c˜ao . . . 46

6.4.1 Quantiﬁca¸c˜ao da Viabilidade Celular . . . 46

6.5 Espectrofotometria . . . 47

7 Resultados e Discussão 49 7.1 Dosimetria de Referência - Solu¸cão de Fricke . . . 49

7.1.1 Posi¸c˜oes A, B, C e I . . . 50

7.2 Medi¸c˜ao dos Dos´ımetros de Rotina . . . 53

7.3 Avalia¸c˜ao de um Biodos´ımetro Bacteriano . . . 54

7.4 Espectrofotometria . . . 60

7.5 Simula¸c˜ao de um Dispositivo Experimental . . . 66

7.5.1 Distribui¸c˜ao da Dose em Profundidade . . . 66

7.5.2 Distribui¸c˜ao da Energia Depositada na ´Agua . . . 67

7.5.3 Distribui¸c˜ao da Dose 3D na ´agua . . . 67

8 Conclus˜oes 69 Bibliografia 75 A Anexos 77 A.1 Anexo A . . . 77

A.1.1 Prepara¸c˜ao do Dos´ımetro de Sulfato Ferroso . . . 77

A.2 Anexo B . . . 78

A.2.1 Leitura dos dos´ımetros de Polimetilmetacrilato . . . 78

A.3 Anexo C . . . 78

A.3.1 Contagem de c´elulas . . . 78

(17)

(18)

Lista de Figuras

1.1 Representa¸c˜ao esquem´atica da estrutura da tese. . . 3

2.1 Tipos de radia¸c˜ao. Adaptado de [9]. . . 6

2.2 Rela¸cão entre os mecanismos de interaçcão da radia¸cão com a matéria, de acordo com o número atómico Z do material em fun¸cão da energia. Adaptado de [9]. . . 8

2.3 Efeito fotoel´ectrico. Adaptado de [11]. . . 9

2.4 Efeito de Compton [11]. . . 10

2.5 Produ¸c˜ao de pares [11]. . . 11

2.6 Dispers˜ao de Rayleigh [11]. . . 12

2.7 Coeficiente de atenua¸cão mássico e a contribui¸cão dos diversos processos de interaçcão para a água. Adaptado de [11]. . . 13

4.1 Efeitos da radia¸c˜ao nas c´elulas. Adaptado de [32]. . . 23

4.2 a) Percentagem de células sobreviventes em fun¸cão da dose. b) Gráfico em escala logar´ıtmica com a fraçcão de células sobreviventes em fun¸cão da dose. Adaptado de [4]. . . 24

4.3 Três tipos de curvas de sobrevivência em bactérias. a) Curva exponen-cial. b) Curva de sobrevivência bifásica. c) Curva de sobrevivência de multi-eventos. Adaptado de [4]. . . 26

5.1 Esquema do decaimento do 60 27Co [13]. . . 28

5.2 Dimensões da câmara de irradia¸cão da unidade experimental de 60_Co _{[37]. 29} 5.3 Diagrama esquemático que representa a medi¸cão de uma DCS [11] . . . 31

(19)

5.5 Representa¸cão esquemática da gera¸cão de uma trajectória aleatória ao longo de diferentes materiais, por cálculo dos parâmetrosrn,En, ˆdn, s, θ,

φ [11] . . . 35

5.6 Visualiza¸cão da geometria da unidade de irradia¸cão definida pelo ficheiro.in pelo programagviewc. . . 36

6.1 Representa¸cão esquemática da câmara de Neubauer para contagem de colónias [42]. . . 41

6.2 O interior da unidade de irradia¸c˜ao [37]. . . 42

6.3 Representa¸cão do suporte metálico e dos n´ıveis de irradia¸cão. . . 43

6.4 Orienta¸c˜ao dos dos´ımetros de polimetimetacrilato. . . 45

6.5 Representa¸cão esquemática do procedimento efectuado nas dilui¸cões das amostras antes e após a irradia¸cão. . . 46

6.6 Esquema da técnica utilizada para quantifica¸cão da viabilidade celular das amostras não irradiadas e irradiadas. Adaptado de [4] . . . 47

7.1 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão A1 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 50

7.2 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão A2 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . 50

7.3 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão A3 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 50

7.4 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão B1 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 51

7.5 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão B2 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 51

(20)

7.6 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão B3 em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . 51 7.7 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão C1

em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 52 7.8 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão C2

em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . . 52 7.9 Dose média absorvida (kGy) estimada para a posi¸cão de irradia¸cão C3

em fun¸cão do tempo de irradia¸cão (h). Encontra-se representado grafi-camente o intervalo de confian¸ca para cada ponto (n=9;α=0,05). . . 52 7.10 Curva de inactiva¸cão obtida pela irradia¸cão da suspensão bacteriana de

Bacillus Pumilusirradiada a doses sub-letais na posi¸cão A. Encontram-se repreEncontram-sentados graficamente os intervalos de confian¸ca dos valores médios do número de sobreviventes (n≤6,α=0,05). A tracejado encontra-se a linha de tendência da regressão linear. . . 57 7.11 Curva de inactiva¸cão obtida pela irradia¸cão da suspensão bacteriana de

Bacillus Pumilusirradiada a doses sub-letais na posi¸cão I. Encontram-se representados graficamente os intervalos de confian¸ca dos valores médios do número de sobreviventes (n≤6, α=0,05). A tracejado encontra-se a linha de tendência da regressão linear. . . 57 7.12 Inactiva¸cão de Bacillus pumilus ao longo do tempo. . . 58 7.13 Curva de inactiva¸cão obtida após irradia¸cão da suspensão bacteriana de

Stenotrophomonas maltophiliaa doses sub-letais na posi¸cão A. Encontram-se repreEncontram-sentados graficamente os intervalos de confian¸ca dos valores médios do número de sobreviventes (n≤6,α=0,05). . . 59 7.14 Curva de inactiva¸cão obtida após irradia¸cão da suspensão bacteriana de

(21)

7.15 Espectros de absor¸c˜ao obtidos para as suspens˜oes irradiadas de

Pseu-domonas fluorescens no n´ıvel 2, posi¸c˜ao A. . . 61

7.16 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões irradiadas de Pseu-domonas fluorescens no n´ıvel 2, posi¸cão I. . . 61

7.17 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões não irradiadas de Pseudomonas fluorescens. . . 61

7.18 Picos de absor¸cão da suspensão de Pseudomonas fluorescens, para o comprimento de 401,5 nm, em fun¸cão da dose absorvida para as posi¸cões A e I, do n´ıvel 2. . . 62

7.19 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões irradiadas deStenotrophomonas maltophilia, com doses de 3,5 e 7 kGy, na posi¸cão 2A. . . 63

7.20 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões irradiadas deStenotrophomonas maltophilia, com doses de 3,5 e 7 kGy, na posi¸cão 2I. . . 63

7.21 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões não irradiadas de Stenotrophomonas maltophilia às 0, 24 e 48 horas. . . 63

7.22 Picos de absor¸cão da suspensão de Stenotrophomonas maltophilia, para o comprimento de 286 nm, em fun¸cão da dose absorvida (0,3,5 e 7 kGy) para as posi¸cões A e I, do n´ıvel 2. A tracejado encontram-se as linhas de tendência. . . 64

7.23 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões irradiadas deStenotrophomonas maltophilia, com doses de 0,5, 1 e 1,5 kGy, na posi¸cão 2A. . . 64

7.24 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões irradiadas deStenotrophomonas maltophilia, com doses de 0,5, 1 e 1,5 kGy, na posi¸cão 2I. . . 65

7.25 Espectros de absor¸cão obtidos para as suspensões não irradiadas de Stenotrophomonas maltophilia às 0 e 24 h. . . 65

7.26 Picos de absor¸cão da suspensão de Stenotrophomonas maltophilia, para o comprimento de 286 nm, em fun¸cão da dose absorvida (0, 0,5, 1,1,5 kGy) para as posi¸cões A e I, do n´ıvel 2. . . 65

7.27 Distribui¸c˜ao da dose em profundidade . . . 66

7.28 Distribui¸c˜ao da energia depositada na ´agua. . . 67

7.29 Distribui¸c˜ao da Dose 3D na regi˜ao 1. . . 68

(22)

7.31 Distribui¸cão da Dose 3D na região 3. . . 68 A.1 Esquema do procedimento para contagem de células. . . 79 A.2 Materiais, fraçcões mássicas e números atómicos utilizados no

(23)

Lista de Tabelas

5.1 Coeficientes de atenua¸cão mássicos e fraçcões mássicas dos elementos constituintes do ácido inoxidável [38]. . . 38 6.1 Tempos de irradia¸cão, doses previstas para a suspensão de Bacillus

pumilus calculados com base nos d´ebitos de dose m´edios (DDm) da

dosimetria qu´ımica. . . 44 6.2 Tempos de irradia¸c˜ao, doses previstas para a suspens˜ao dePseudomonas

fluorescens calculados com base nos d´ebitos de dose m´edios (DDm) da

dosimetria qu´ımica. . . 44 6.3 Tempos de irradia¸c˜ao, doses previstas para a suspens˜ao deStenotrophomonas

maltophilia calculados com base nos d´ebitos de dose m´edios (DDm) da

dosimetria qu´ımica. . . 45 6.4 Coeficientes de calibra¸cão utilizados no cálculo da dose absorvida por

dos´ımetria de rotina. . . 46 7.1 Débitos de dose e os respectivos erros padrão associados às diferentes

posi¸cões de irradia¸cão. . . 53 7.2 Débitos de doses da posi¸cão I referente ao n´ıvel 2. . . 53 7.3 Tabela referente à dosimetria de rotina que apresenta as doses

deter-minadas, a Dose média, erros relativos e os Débitos de dose (D.Dose) calculados para o Bacillus pumilus com base nas absorvâncias e espes-suras dos dos´ımetros irradiados em diferentes posi¸cões. . . 54 7.4 Tabela referente à dosimetria de rotina que apresenta as doses

deter-minadas, a Dose média, erros relativos e os Débitos de dose (D.Dose) calculados para a Pseudomonas fluorescens com base nas absorvâncias e espessuras dos dos´ımetros irradiados em diferentes posi¸cões. . . 55

(24)

(25)

(26)

Acr´

onimos e Defini¸

c˜

oes

ADN Acido Desoxirribonucleico´

Bq Becquerel

Ci Curie

DCS Diﬀerential Cross Sections

eV Electr˜ao-Volt, unidade de medida de energia

FCUL Faculdade de Ciˆencias da Universidade de Lisboa

Gy Gray, unidade da dose absorvida

ITN Instituto Tecnol´ogico Nuclear

Kerma Kinetic Energy Released per Unit Mass

LET Linear Energy Transfer

LETAL Laboratório Ensaios Tecnológicos em Áreas Limpas

PDFs Probability Distribution Functions

PENELOPE Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons

PMMA Polimetimetacrilato

TSA Tryptic Soy Agar

ufc unidades formadoras de col´onias

(27)

(28)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

1.1 Motiva¸

c˜

ao

O estudo das interaçcões entre a radia¸cão e a matéria constitui uma das áreas da F´ısica mais exploradas. O desenvolvimento das diversas aplica¸cões com radia¸cão ioni-zante em medicina ou a n´ıvel industrial, na esteriliza¸cão e na preserva¸cão de alimentos, tem obtido resultados vantajosos e a sua eficácia tem sido amplamente reconhecida ( [1], [2]).

O correcto processamento por irradia¸cão, nas suas diversas aplica¸cões, depende da precisão e reprodutibilidade da avalia¸cão da quantidade de radia¸cão ionizante, desi-gnadamente da energia absorvida por um material num dado processo e a taxa a que esta é depositada. A elabora¸cão de testes dosimétricos, que permitem conhecer a dis-tribui¸cão de dose num volume espec´ıfico de um dado material, torna-se assim bastante ´

util.

O principal objectivo da dosimetria é determinar a quantidade de dose absorvida numa dada localiza¸cão de um material espec´ıfico [3]. Em estudos qu´ımicos e biológicos, as varia¸cões na dose, mesmo que m´ınimas, podem introduzir altera¸cões significativas. Essa quantifica¸cão é assim um elemento chave na caracteriza¸cão das instala¸cões e na valida¸cão de um processo.

(29)

CAPÍTULO 1. INTRODUÇ ÃO

induzir altera¸cões a n´ıvel f´ısico, quimico e morfológico, as quais podem variar con-soante a sensibilidade dos microorganismos. A rela¸cão entre a dose e os efeitos pode ser demonstrada, quantitativamente, através de curvas de sobrevivência ( [4], [7]).

O desenvolvimento de um processo de descontamina¸cão de um material por ra-dia¸cão pode ser efectuado por várias metodologias, devendo basear-se em estudos de inactiva¸cão microbiana, que são usualmente limitativos e morosos. A crescente uti-liza¸cão dos processos de radia¸cão como uma ferramenta de higiene e seguran¸ca tem levado ao desenvolvimento de técnicas rápidas, sens´ıveis e capazes de analisar os mi-croorganismos em amostras complexas. Estes métodos devem permitir uma avalia¸cão eficiente das caracter´ısticas de crescimento e inactiva¸cão da popula¸cão microbiana em estudo. Entre as metodologias correntemente utilizadas está a técnica de contagem de unidades formadoras de colónias, que embora garanta uma estimativa fiável do número de microorganismos viáveis, acaba por ser trabalhosa, demorada e subjectiva . Desta forma, verifica-se ainda a necessidade de técnicas rápidas e eficazes que monotorizem a resposta dos microorganismos à radia¸cão ionizante.

No desenvolvimento das metodologias foi utilizada a unidade de irradia¸c˜ao experi-mental PRECISA 22, quem tem quatro fontes de 60_Co_{, inclu´ıda no modelo}

computa-cional estudado no software PENELOPE. O estudo verifica como foi depositada a energia nos locais especificados da câmara de irradia¸cão.

1.2 Objectivos

O principal objectivo desta disserta¸cão consistiu na avalia¸cão de um biodos´ımetro bac-teriano na monotoriza¸cão de doses de radia¸cão ionizante, por compara¸cão com métodos de dosimetria de referência qu´ımica (solu¸cão de Fricke), dosimetria de rotina e sim-ula¸cão.

A resposta dos microorganismos à radia¸cão pode expressar-se numa rela¸cão dose/efeito, que é representada quantitativamente através de curvas de sobrevivência celular. Na avalia¸cão da resposta microbiológica à radia¸cão gama, recorreu-se como referência a es-poros deBacillus pumiluse posteriormente a duas estirpes ambientais dePseudomonas fluorescens e Stenotrophomonas maltophilia.

Os estudos de simula¸c˜ao dosim´etrica na fonte experimental de 60_Co _foram

(30)

1.3. TESE-VIS ˜AO GLOBAL

dos através da constru¸cão e implementa¸cão de um modelo computacional no software PENELOPE.

1.3 Tese-Vis˜

ao Global

A estrutura da tese est´a esquematicamente representada na Figura 1.1.

Nos primeiros dois tópicos (Figura 1.1) são expostos os detalhes básicos que supor-tam as pesquisas efectuadas e que fundamensupor-tam este trabalho, incluindo a motiva¸cão inicial, os principais objectivos e os conceitos teóricos que definem os processos aplica-dos.

Seguidamente são especificados os métodos aplicados na avalia¸cão de um biodos´ımetro de radia¸cão ionizante e apresentados os resultados obtidos no âmbito do desenvolvi-mento dos trabalhos prático e de simula¸cão, para uma posterior valida¸cão.

Figura 1.1: Representa¸c˜ao esquem´atica da estrutura da tese.

(31)

(32)

Cap´ıtulo 2

Radia¸

c˜

ao

A Radia¸cão caracteriza-se pela transferência de energia que provém de uma fonte, natural ou por um dispositivo constru´ıdo pelo Homem, que se propaga e que pode ter a capacidade de penetrar em diversos materiais [8]. Pode ser classificada em duas categorias: não ionizante eionizante.

A sua classifica¸cão (Figura 2.1) depende da capacidade de ioniza¸cão da matéria. O potencial de ioniza¸cão de um átomo, isto é, a energia m´ınima necessária para remover um electrão de um átomo ou molécula (ião), pode variar entre poucos eV para elementos alcalinos até 24,6 eV para o hélio (gás nobre) [9].

Com base no que foi referido, a radia¸c˜ao divide-se em :

• A radia¸cão não ionizante não ioniza a matéria porque a sua energia é mais baixa que o potencial de ioniza¸cão dos átomos ou moléculas do material absorvedor. O termo “não ionizante” refere-se a todos os tipos de radia¸cão electromagnética que não possuem energia suficiente para ionizar átomos ou moléculas. A luz vis´ıvel, os infravermelhos, as microondas, as ondas rádio são exemplos de radia¸cões não ionizantes [9].

(33)

CAPÍTULO 2. RADIAÇ ÃO

excede o potencial dos ´atomos ou mol´eculas do material absorvedor [9].

Figura 2.1: Tipos de radia¸c˜ao. Adaptado de [9].

2.1 Radia¸

c˜

ao Ionizante

A radia¸cão ionizante é classificada de acordo com a forma como ocorre a ioniza¸cão e com a densidade de ioniza¸cão produzida no material absorvedor [9]. A forma como ocorre a ioniza¸cão, subdivide-se em :

• Radia¸cão ionizante directa: compreende part´ıculas carregadas (electrões, protões, part´ıculas alfa, iões pesados) que depositam directamente a sua energia, en-volvendo interaçcões colombianas entre part´ıculas ionizadas e as orbitais dos electrões do material [9].

• Radia¸cão ionizante indirecta: compreende part´ıculas neutras (fotões, neutrões) que depositam a sua energia num processo que envolve dois passos. Em primeiro lugar a deposi¸cão de energia provoca a liberta¸cão de part´ıculas carregadas no material absorvedor (os fotões incidentes provocam a liberta¸cão de electrões ou pares positrão/electrão e os neutrões libertam protões ou iões pesados). Em segundo lugar, as part´ıculas carregadas geradas depositam directamente a sua energia através de interaçcões colombianas com os electrões do material [9].

(34)

2.2. INTERACÇ ÃO DA RADIAÇ ÃO ELECTROMAGNÉTICA COM A MATÉRIA

A densidade de ioniza¸cão produzida pela radia¸cão ionizante está relacionada com a transferência linear de energia (LET). O LET é definido como a energia média perdida pela part´ıcula devido a colisões por unidade de distância percorrida no material. Para áreas como a radiobiologia e a proteçcão radiológica foi necessário uma especifica¸cão da qualidade da radia¸cão ionizante, conhecido como LET [9].

O LET ´e expresso em keV/µm e classiﬁca-se em [7]: • Baixo LET : associado a raios X e raios γ.

• Elevado LET : geralmente em part´ıculas carregadas.

2.2 Interac¸

c˜

ao da Radia¸

c˜

ao Electromagn´

etica com

a Mat´

eria

Contrariamente às part´ıculas carregadas, os fotões são part´ıculas electricamente neutras com grande poder de penetra¸cão e em geral bastante energéticos. Não têm massa e podem percorrer grandes distâncias antes de interagirem com a matéria [10].

Quando o fotão sofre uma interaçcão, este pode ser absorvido ou pode ser desviado da sua trajectória, implicando em geral perda de energia [8]. Consoante a energia do fotão e do número atómico do material absorvedor, os fotões podem interagir com o átomo como um todo, apenas com o núcleo do átomo ou com o electrão de uma orbital desse átomo [9]. A probabilidade de ocorrer uma determinada interaçcão é expressa em termos de seçcão eficaz [8]. A seçcão eficaz é proporcional à probabilidade de uma part´ıcula interagir por um determinado processo [11].

Os principais mecanismos de interaçcão dos fotões com a matéria são:

• Efeito fotoeléctrico • Efeito de Compton • Produ¸cão de Pares • Dispersão de Rayleigh

(35)

Figura 2.2: Rela¸cão entre os mecanismos de interaçcão da radia¸cão com a matéria, de acordo com o número atómico Z do material em fun¸cão da energia. Adaptado de [9].

Através da análise da Figura 2.2 é poss´ıvel verificar que o efeito fotoeléctrico é dominante a baixas energias, o efeito de Compton a energias médias e a produ¸cão de pares a altas energias. Seguidamente, detalha-se o comportamento dos fotões quando sofrem as interaçcões anteriormente referidas.

2.2.1 Efeito Fotoel´

ectrico

O efeito fotoeléctrico (Figura 2.3) caracteriza-se pela absor¸cão de um fotão pelo átomo originando que um electrão desse mesmo átomo seja ejectado, com uma determinada energia cinética. O electrão ejectado é também denominado de fotoelectrão [3]. A energia cinética desse electrão (T) é dada pela seguinte expressão:

T =hν−Ee (2.1)

Onde hν é a energia do fotão incidente eEe a energia de liga¸cão do electrão.

Esta interaçcão deve ser visualizada entre um fotão e um átomo (e não entre um fotão e um electrão) pois uma absor¸cão completa não pode ocorrer entre um fotão e um electrão livre, senão não haveria conserva¸cão do momento linear [13].

Como o efeito fotoeléctrico é dominante para fotões de baixas energias, a energia de liga¸cão dos electrões não pode ser ignorada. Em geral, devido às energias de liga¸cão serem pequenas, o electrão é libertado deixando o átomo ionizado. O átomo em seguida regressa ao estado fundamental através da emissão de fotões de fluorescência e electrões de Auger [11]. Devido à dificuldade de calcular teoricamente a seçcão eficaz associada

(36)

Figura 2.3: Efeito fotoel´ectrico. Adaptado de [11].

a este efeito, são conhecidas, através de medi¸cões experimentais, algumas das suas propriedades mais importantes, nomeadamente [7]:

• Efeito dominante a baixas energias (≈ 100 keV). • Aumenta rapidamente com Z (∝ Z4_).

• Diminui rapidamente com a subida da energia dos fot˜oes (∝ E−3_).

• Apresenta descontinuidades nas energias correspondentes às energias de liga¸cão das orbitais electrónicas.

2.2.2 Efeito de Compton

O efeito de Compton (Figura 2.4), descoberto e estudado por Arthur Compton em 1923, caracteriza-se pela colisão do fotão com um dos electrões do átomo, transferindo parte da sua energia. Quando a energia adquirida pelo electrão é suficiente, este pode ser ejectado do átomo ou excitado para um n´ıvel atómico não ocupado.

Se a energia é muito pequena para qualquer uma destas possibilidades, então o electrão permanece na sua orbital e o átomo reage como um todo.

Contrariamente ao efeito fotoeléctrico, a probabilidade de ocorrência do efeito de Compton é independente do número atómico do material e decresce com a energia dos fotões [7]. A seçcão eficaz do material por electrão é independente do número atómico. Após a colisão, o electrão é ejectado com um determinado ângulo θe, com energia

cinética T e momento linear p. Os fotões sofrem dispersão segundo um determinado ânguloθ, com energiahν′

e momento linear hν′

(37)

Figura 2.4: Efeito de Compton [11].

energia cinética do electrão (T) seja igual à energia inicial do fotãohν menos a energia do fotão disperso hν′:

T =hν−hν′ (2.2) As leis de conserva¸cão, de energia e do momento linear, são necessárias para deduzir a rela¸cão entre os comprimentos de onda, do fotão incidente (λ0) e do fotão disperso

(λ):

λ=λ0+ h m0c

[1−cosθ], (2.3) onde m0 é a massa do electrão em repouso e θ o ângulo que o fotão disperso faz com

a direçcão do fotão incidente [8].

2.2.3 Produ¸

c˜

ao de Pares

A produ¸cão de pares (Figura 2.5) ocorre quando existe uma interaçcão coulombiana entre um fotão e um núcleo atómico da qual resulta a forma¸cão de um par electrão-positrão [10]. Quando os fotões são altamente energéticos, estes podem interagir di-rectamente com o núcleo do átomo e não com os electrões. Os fotões interagem com o campo eléctrico do núcleo atómico, sendo a energia convertida para a forma¸cão de duas part´ıculas, uma positiva (positrão) e outra negativa (electrão). O positrão embora seja uma part´ıcula estável, tem uma existência muito curta devido à grande abundância de electrões à sua volta. Com a aniquila¸cão do positrão, a energia total do par positrão-electrão extinto é libertada do átomo sob a forma de fotões altamente energéticos [14].

(38)

A produ¸cão de pares não ocorre se a energia do fotão for menor do que a massa das duas part´ıculas formadas ( 2×0,511M eV = 1,022M eV ). Se a energia do fotão for superior a 1,022 MeV, esta vai ser distribu´ıda pelos electrões em forma de energia cinética [7].

Figura 2.5: Produ¸c˜ao de pares [11].

Este processo pode ser representado pela seguinte reac¸c˜ao:

γ+X −→e+e++X∗ _(2.4)

Em que X representa o núcleo no estado normal e X∗ _{o n´}_{ucleo após a reaçcão, que}

pode estar num estado excitado [8].

2.2.4 Dispers˜

ao de Rayleigh

A dispersão de Rayleigh (Figura 2.6) caracteriza-se pela absor¸cão de um fotão por um electrão pouco ligado que passa para uma orbital mais energética. O electrão regressa ao seu estado inicial emitindo um fotão com a energia do fotão incidente, não se tratando portanto de uma excita¸cão [11]. Para a maioria dos raios X e para raios gama de baixas energias, a dispersão de Rayleigh é um processo predominantemente elástico, isto é, não ocorre transferência de energia e o átomo movimenta-se de forma a ocorrer a conserva¸cão do momento linear ( [3], [8]).

(39)

Figura 2.6: Dispers˜ao de Rayleigh [11].

2.3 Coeficientes de Atenua¸

c˜

ao

Como já foi descrito anteriormente, quando um fotão atravessa um determinado ma-terial, pode interagir com o mesmo de diferentes formas: efeito fotoeléctrico, efeito de compton, produ¸cão de pares, dispersão de rayleigh. Existem outras interaçcões que não são mencionadas dado não serem relevantes para a deteçcão de raios gama [10].

O coeficiente linear de atenua¸cão total indica a probabilidade, por unidade de com-primento, de um fotão interagir quando atravessa um material com determinada es-pessura [11].

µtotal =µF o+µCo+µP P +µRa (2.5)

Onde µF o, µCo, µP P e µRa são os coeficientes de atenua¸cão associados às diversas

interaçcões e µtotal é a probabilidade de interaçcão por unidade de distância (m−1)

( [3], [10]).

2.3.1 Coeficiente de Atenua¸

c˜

ao M´

assica

Quando um feixe de fotões monoenergéticos é atenuado de uma intensidade I0 para

uma intensidade I, atravessando uma camada de material de espessura x é necessário quantificar a contribui¸cão de um material na atenua¸cão do feixe [15]. O coeficiente linear de atenua¸cão mássico parcial para uma das interaçcões anteriormente descritas é dado pela seguinte expressão:

µF o=ℵσF o (2.6)

(40)

2.3. COEFICIENTES DE ATENUAC¸ ˜AO

Onde ℵ= NAρ

AM é o número de átomos ou moléculas por unidade de volume e σF o a

seçcão eficaz atómica ou molecular [11]. O coeficiente de atenua¸cão mássico total é:

µtotal

ρ =

µF o

ρ + µCo

ρ + µP P

ρ +

µRa

ρ [m

2_kg−1_] _(2.7)

Figura 2.7: Coeficiente de atenua¸cão mássico e a contribui¸cão dos diversos processos de interaçcão para a água. Adaptado de [11].

Pela análise da figura 2.7, o coeficiente de atenua¸cão mássico é elevado para fotões pouco energéticos devido à predominância do efeito fotoeléctrico. É importante salien-tar que para fotões de baixa energia, µF o_ρ é mais elevado devido à dependência com

E−3_.

Para altas energias existe uma predominˆancia do efeito de produ¸c˜ao de pares. Para os valores das energias emitidas pelo 60_Co _{(1,173 MeV e 1,332 MeV) o mecanismo}

(41)

Cap´ıtulo 3

Dosimetria - Conceitos Gerais

O correcto processamento por irradia¸cão depende da precisão e reprodutibilidade da avalia¸cão da quantidade de radia¸cão ionizante, designadamente da energia absorvida nos produtos e ambiente circundante durante o processo e a taxa a que esta energia é depositada. A dosimetria quantifica a dose absorvida por um dado material, resultante da interaçcão com a radia¸cão ionizante. Desta forma, para determinar quantitativa-mente a radia¸cão ionizante é importante definir algumas grandezas dosimétricas [3].

Hoje em dia são bem conhecidos os efeitos da radia¸cão, quer benéficos quer preju-diciais. A exposi¸cão à radia¸cão pode resultar em morte para um ser vivo, bem como pode ser utilizada beneficamente na esteriliza¸cão de produtos [13]. O dano causado depende de vários factores como a energia ou o tipo de material [8].

Assim a dosimetria torna-se essencial na quantifica¸cão da radia¸cão e tem como objectivo relacionar a sua incidência com os efeitos f´ısicos, qu´ımicos e biológicos [13].

Este cap´ıtulo visa deﬁnir alguns desses conceitos e explicar os sistemas dosim´etricos aplicados ao longo deste trabalho.

3.1 Grandezas F´ısicas

Neste subcap´ıtulo são definidas algumas das grandezas f´ısicas úteis para descrever,em termos quantitativos, as interaçcões da radia¸cão com a matéria [3]. Essas grandezas são a fluência (φ), kerma (K) e dose absorvida (D).

(42)

3.1. GRANDEZAS F´ISICAS

3.1.1 Fluˆ

encia

Considere-se um feixe monoenergético de part´ıculas incidente numa determinada área de um material. A grandeza dosimétrica fluência é definida, como o número de part´ıculas dN incidentes na área dA [3]:

φ = dN

dA (m

−2₎ _(3.1)

3.1.2 Kerma

Kerma (um acrónimo para Kinetic Energy Released per unit Mass) é uma grandeza dosimétrica aplicável a radia¸cões ionizantes indirectas (fotões e neutrões) [13]. E´ definida como a energia cinética total de todas as part´ıculas carregadas, libertadas pelas part´ıculas neutras, por unidade de massa do material alvo [8]:

K = dEc

dm (3.2)

A unidade de medida desta grandeza é a mesma da dose absorvida, J/kg ou Gray [3]. Note-se que dEc é a soma das energias cinéticas iniciais das part´ıculas libertadas por

part´ıculas não carregadas numa quantidade de massa dm como resultado da interaçcão com a radia¸cão [8].

O kerma pode ser radiativo (Krad) ou de colis˜ao (Kcol) correspondendo `as perdas

radiativas ou colisionais, respectivamente. Assim o kerma total dever´a ser [8] :

K =Krad+Kcol (3.3)

onde o kerma de colisão quantifica a energia que é dissipada pelos electrões ao colidirem com outros electrões, através de ioniza¸cões e excita¸cões ao longo do seu percurso. O kerma radiativo está relacionado com os electrões libertados que perdem a sua energia por emissão de bremsstrahlung [13].

3.1.3 Dose Absorvida

(43)

CAP´ITULO 3. DOSIMETRIA - CONCEITOS GERAIS

D= ∂E

∂m (3.4)

A unidade da dose absorvida ´e o Gray (J

kg). O termo dose absorvida ´e usado para

descrever a energia depositada num determinado ponto [9].

3.2 Actividade

A taxa de decaimento de um radionúclido é descrito como a sua actividade. A activi-dade designa o número de átomos que decaem por unidade de tempo [13].

A= −dN

dt (3.5)

A unidade é o becquerel (Bq) definido como uma desintegra¸cão por segundo. A unidade curie (Ci) também pode ser usada : 1 Ci =3,7×1010 _Bq.

3.3 Dos´ımetros de Referˆ

encia

Os dos´ımetros de referência são dos´ımetros de elevada qualidade que se caracterizam pela precisão, exactidão e reprodutibilidade e que podem ser utilizados na calibra¸cão de outros dos´ımetros [16]. Um exemplo de dos´ımetro de referência é a solu¸cão de sulfato ferroso (solu¸cão de Fricke) [17]. Esta é frequentemente usada como dos´ımetro de referência devido ao profundo conhecimento sobre as suas altera¸cões qu´ımicas [18].

´

E um dos´ımetro qu´ımico, isto é, as altera¸cões qu´ımicas que ocorrem na solu¸cão devido à radia¸cão podem ser medidas com o objectivo de determinar a dose absorvida [3].

No desenvolvimento deste trabalho foi utilizado este sistema dosimétrico pela facil-idade e relevância na medi¸cão de dose absorvida em tecidos ou material biológico [3].

3.3.1 Solu¸

c˜

ao de Fricke

Desenvolvido por Fricke e Morse em 1972, a solu¸cão de Fricke é baseada na oxida¸cão da solu¸cão de sulfato ferroso após irradia¸cão, tendo como objectivo determinar a dose ab-sorvida. A dose absorvida é proporcional à concentra¸cão do ião férrico (F e3+_{) formado}

por oxida¸cão (F e2+_{), após a solu¸cão ser irradiada [16].}

(44)

3.3. DOS´IMETROS DE REFERˆENCIA

F e2+ −→F e3+ (3.6) A gama de utiliza¸cão deste dos´ımetro, em termos de dose absorvida, encontra-se entre os 40 e 400 Gy [3]. Este método é usado para determinar a doencontra-se absorvida através da medi¸cão por espectrofotometria do pico de absor¸cão do ião férrico, na região do ultravioleta a 305 nm [19].

Este sistema dosim´etrico permite determinar a dose absorvida com uma precis˜ao de±1 % [16].

Mecanismo de Reac¸c˜ao

A solu¸cão de Fricke, sendo uma solu¸cão aquosa, é considerado um sistema equivalente à água. A interaçcão da água com a radia¸cão ionizante desencadeira uma modifica¸cão estrutural na molécula de água, denominada radiólise da água. Pode ocorrer a excita¸cão da molécula deH2Oou a sua ioniza¸cão originando a forma¸cão de radicais do tipoH3O+, H2O+, H2O− [20].

Estes radicais, por serem instáveis, podem levar a forma¸cão de radicais livres do tipo •H (átomo de hidrogénio) e •OH (radical hidroxilo) que se caracterizam por serem muito reactivos. Assim a associa¸cão dos radicais provoca a oxida¸cão do ião ferroso (F e2+_{). Cada radical hidroxilo oxida um ião ferroso [20]:}

F e2+₊_•_OH _−→_{F e}3+₊_OH− _(3.7)

Um radical hidroperóxido (•HO2) oxida três iões ferroso de acordo com as seguintes

reac¸c˜oes:

H+O2 −→HO2 (3.8) F e2++HO2+H+−→F e3++H2O2 (3.9)

Por último, cada molécula de peróxido de hidrogénio oxida dois iões ferroso:

2F e2++H2O2 −→2F e3++OH +OH− (3.10)

(45)

formadas, destru´ıdas ou alteradas por cada 100 eV de energia [3]. Assim o rendimento qu´ımico G(F e3+_{) ´e dado pela equa¸c˜ao:}

G(F e3+) = GOH + 3GH + 2GH2O2 (3.11)

O rendimento qu´ımico G(F e3+_{) tem o valor m´edio de 15,6.}

Vantagens e Limita¸c˜oes

A escolha da solu¸cão de Fricke como sistema dosimétrico teve como base as seguintes razões [21]:

• Conhecimento dos mecanismos de reaçcão da solu¸cão;

• A sua equivalência a tecidos biológicos, nomeadamente nas propriedades de ab-sor¸cão por irradia¸cão com fotões e electrões;

• A determina¸c˜ao com precis˜ao da dose absorvida;

No entanto, este dos´ımetro possui tamb´em limita¸c˜oes [21]:

• A gama de leitura da dose absorvida encontra-se limitado entre os 40 e 400 Gy.

• A solu¸cão de Fricke é extremamente sens´ıvel a impurezas, particularmente im-purezas orgânicas, podendo causar altera¸cões significativas na resposta.

• ´E sens´ıvel `a luz, por isso deve ser guardado num local escuro.

• Ocorre a oxida¸cão da solu¸cão quando decorre muito tempo entre a sua prepara¸cão e a medi¸cão da absorvância, alterando os resultados.

Determina¸c˜ao da Dose Absorvida

Como já foi mencionado anteriormente, após a irradia¸cão é medida a absorvância da solu¸cão de Fricke no comprimento de onda de 305 nm. O cálculo da dose absorvida é dado pela seguinte expressão [21] :

D= N ×∆OD×100

ε×ρ×103_×_G₍_{F e}3+₎ (3.12)

(46)

3.4. DOSIMETRIA DE ROTINA

onde N é o número de avogadro (6,02×1023 _{moléculas/mole); ∆OD a densidade}

óptica a 25◦_{C para o comprimento de onda de 305 nm;} _ε_{o coeficiente de extin¸cão molar}

(2197 M−1_g−1 _{a 25}◦_C); _ρ _{a massa vol´}_{umica (1,024 g/}_cm3_{); G(}_{F e}3+_{) o rendimento}

qu´ımico para 100 eV (15,6 para o dos´ımetro standard).

A densidade óptica corresponde à absorvância e é determinada pela expressão ∆OD = logI0

I, onde I0 ´e a intensidade da luz incidente e I a intensidade da luz

transmitida. O coeficiente de extin¸cão molarε, mede a absorvância de uma substância de concentra¸cão 1 mole medida num tubo com uma espessura de 1 cm.

No entanto, a temperatura a que se encontra a solu¸cão de Fricke após irradia¸cão pode ser diferente de 25◦_{C. Desta forma, para o cálculo da dose absorvida é utilizado}

um factor de correc¸c˜ao da temperatura [21]:

D= 279,08×∆OD

(1 + 0,007×(25−tl))×(1 + 0,0015×(25−ti))

(3.13) Em que tl ´e a temperatura de leitura e ti a temperatura de irradia¸c˜ao (em ◦C). O

rendimento qu´ımico G(F e3+_{), pode sofrer altera¸c˜oes signiﬁcativas que podem}

reflectir-se em erros superiores a 0,5% devido à altera¸cão da temperatura [22].

3.4 Dosimetria de Rotina

Um dos´ımetro de rotina é calibrado por um dosimetro de referência com o intuito de ser utilizado para medida dosimétricas frequentes. Estes dos´ımetros apresentam uma menor exactidão comparativamente a um dos´ımetro de referência, em parte devido à complexidade decorrente da utiliza¸cão de factores de correçcão para reduzir os efeitos dos parâmetros que caracterizam o ambiente de irradia¸cão [23].

Como dos´ımetros de rotina são usualmente utilizados os dos´ımetros de polimetil-metacrilato (PMMA) e os filmes radiográficos que possuem gamas variáveis de dose absorvida:

• PMMA Harwell P erspex® para as gamas : 1 a 30 kGy (Amber Perspex) 5 a 50 kGy (Red Perspex);

(47)

3.4.1 Dos´ımetros de Polimetilmetacrilato

Os dos´ımetros de polimetilmetacrilato (PMMA) são frequentemente usados como dos´ımetros de altas doses, no âmbito de aplica¸cões industriais, tendo sido utilizados no decurso do presente trabalho. As vantagens destes dos´ımetros residem ao n´ıvel da robustez, estabilidade, simplicidade e baixo custo. Adicionalmente, possuem as seguintes carac-ter´ısticas ( [23], [24]):

• Altera¸c˜ao da cor: Vermelho −→ Bordeaux (Red Perspex) ˆ

Ambar−→ Castanho (Amber Perspex) • Espessura nominal: 3± 0,55 mm • Tamanho: 30 × 11 mm

• Comprimento de onda de leitura: 640 nm (Red Perspex) 603 nm≤ 10 kGy ; 651 nm ≥ 10 kGy (Amber Perspex) • Reprodutibilidade:≤ 2%

• Dura¸c˜ao: 10 anos

Determina¸c˜ao da Dose Absorvida

A interaçcão da radia¸cão ionizante produz radicais livres que afectam a densidade óptica, em determinados comprimentos de onda. A radia¸cão também induz altera¸cões ao n´ıvel da colora¸cão, ou seja, quanto maior a dose mais escuro é o dos´ımetro [24]. A sua espessura é utilizada como factor de correçcão no cálculo da dose. O cálculo da dose é dado pela expressão 3.14:

D=A+B1x+B2x2+B3x3 +B4x4 (kGy) (3.14)

Onde A,B1,B2,B3 eB4 são coeficientes obtidos na calibra¸cão dos dos´ımetros, para

os respectivos comprimentos de onda, exo quociente entre a absorvˆancia e a espessura (em cm−1_).

(48)

Cap´ıtulo 4

Biodosimetria

A dosimetria biológica define-se como o método de medi¸cão da quantidade de radia¸cão ionizante absorvida por material biológico. As doses de radia¸cão a que os microorganis-mos são expostos, podem ser avaliados através da popula¸cão microbiana sobrevivente e a resposta à radia¸cão representada através de curvas de sobrevivência ( [4], [25]).

Microorganismos como bactérias [25] ou mesmo estruturas celulares [26] podem ser utilizados como biodos´ımetros. Ao longo deste cap´ıtulo apenas se fará referência a bactérias, pois foram os microorganismos de elei¸cão no desenvolvimento deste trabalho. O presente cap´ıtulo tem como objectivo definir conceitos associados à biodosimetria, detalhar os efeitos da radia¸cão na matéria viva, explicar o conceito de curva de sobre-vivência e avaliar os parâmetros de um bom biodos´ımetro.

4.1 Biodos´ımetro - Defini¸

c˜

ao

Uma das abordagens para quantificar biologicamente os efeitos da radia¸cão é a uti-liza¸cão de um dos´ımetro biológico [5]. Um biodos´ımetro é um indicador da dose ab-sorvida, mediante uma determinada resposta biológica, reflectindo a influência da ra-dia¸cão no ambiente circundante [27]. A vantagem no seu uso prende-se na linearidade da sua resposta quando exposto a determinada dose [28].

(49)

CAP´ITULO 4. BIODOSIMETRIA

numa suspensão celular ou a resposta de bactérias quando em contacto com a radia¸cão ionizante, são exemplos de biodos´ımetros [29].

Como já foi documentado, é utilizada a radia¸cão ionizante como método de esterili-za¸cão e preserva¸cão de alimentos [30]. Assim o uso de microorganismos como dos´ımetro pode providenciar um sistema rápido, reprodut´ıvel, simples e de baixo custo [27]. Para a aplicabilidade de um dos´ımetro biológico são definidos os seguintes critérios [5]:

• Reprodutibilidade • Processo standardizado • Identifica¸cão da curva • Linearidade da resposta • Rela¸cão dose/efeito

4.2 Interac¸

c˜

ao da Radia¸

c˜

ao com a Mat´

eria Viva

A açcão da radia¸cão ionizante na matéria biológica pode induzir altera¸cões fisiológicas, bioqu´ımicas e morfológicas [4]. A sensibilidade dos microorganismos varia, entre ou-tros factores, com a energia e o tempo a que são expostos (diferentes espécies exibem diferentes sensibilidades) [31]. Como já foi referido no Cap´ıtulo 3, a energia a que estão expostos é quantificada através da dose absorvida. Assim, quando uma célula é exposta a radia¸cão ionizante, a deposi¸cão de energia pode resultar em (Figura 4.1) :

• Efeitos Directos: compreendem todas as interaçcões f´ısicas entre a radia¸cão e os sistemas biológicos, resultando na ioniza¸cão ou excita¸cão dos átomos, o que leva à forma¸cão de electrões secundários e consequentemente à perda e transferência de energia [9]. A radia¸cão interage directamente com as moléculas, da qual a mais importante é o ADN, conduzindo a cadeia de eventos f´ısicos e qu´ımicos que eventualmente produzem danos biológicos [28].

• Efeitos Indirectos: ocorre a forma¸cão de radicais livres produzidos pelas in-teraçcões, f´ısicas e qu´ımicas, com as estruturas biológicas [9]. Os efeitos qu´ımicos são induzidos pelos radicais livres, formados pela açcão da radia¸cão ionizante.

(50)

4.2. INTERACÇ ÃO DA RADIAÇ ÃO COM A MATÉRIA VIVA

Em meio biológico, um dos radicais livres que se forma com maior frequência é o radical hidroxilo, •OH, uma espécie muito reactiva que resulta do processo da radiólise da água. Os radicais formados pela radiólise da água são altamente re-activos, e quando entram em contacto com os sistemas biológicos podem provocar danos irrevers´ıveis [28].

Figura 4.1: Efeitos da radia¸c˜ao nas c´elulas. Adaptado de [32].

(51)

4.3 Resposta dos Microorganismos `

a Radia¸

c˜

ao

Io-nizante

A rela¸cão dose/efeito pode ser demonstrada por diferentes respostas dos microorganis-mos à radia¸cão ionizante [31]. As curvas de sobrevivência são utilizadas para descrever matematicamente a rela¸cão entre a dose absorvida e o número de células sobreviventes ( [4], [7]). Estas resultam da fraçcão de células sobreviventes consoante a dose a que as mesmas foram expostas. Graficamente são tra¸cadas numa escala logar´ıtmica, pois exibem maioritariamente um comportamento exponencial (Figura 4.2).

Figura 4.2: a) Percentagem de células sobreviventes em fun¸cão da dose. b) Gráfico em escala logar´ıtmica com a fraçcão de células sobreviventes em fun¸cão da dose. Adaptado de [4].

No entanto, as altera¸cões na forma das curvas de sobrevivência são indicadores das diferen¸cas ao n´ıvel da constitui¸cão genética dos microorganismos (Figura 4.3) [33]. Seguidamente vão ser detalhados três tipos de curvas de sobrevivência:

• Gráfico (a): Representa uma rela¸cão exponencial simples que indica um decréscimo exponencial do número de sobreviventes em fun¸cão da dose absorvida ( [31], [33]):

N =N0e

−D

D10 (4.1)

OndeN0 indica o número inicial de células;N o número de células sobreviventes

à dose D. O D10 é definido como a dose necessária para inactivar 90% de uma

(52)

4.4. BACT´ERIAS COMO BIODOS´IMETROS

popula¸cão microbiana e pode ser estimado pelo inverso do declive da curva de inactiva¸cão exponencial [4]. A determina¸cão do parâmetro D10 permite avaliar

a resposta espec´ıfica dos microorganismos à radia¸cão, ou seja, a sua radiore-sistência.

• Gráfico (b): Representa uma curva de sobrevivência bifásica, ou seja, resulta da resposta à radia¸cão de duas popula¸cões que possuem diferentes radiosensi-bilidades. Uma curva bifásica pode resultar no facto das células estarem em diferentes fases do ciclo celular e por essa razão, possuem sensibilidades distin-tas [4]:

A corresponde `a popula¸c˜ao radiosens´ıvel (Figura 4.3 b)).

B corresponde à popula¸cão resistente (Figura 4.3 b)). A seguinte equa¸cão descreve este tipo de curva [31]:

N =ae−DaD10 +be

−bD

D10 (4.2)

Em que a e b s˜ao as duas popula¸c˜oes.

• Gráfico (c): Descreve uma curva côncava que indica que as células têm mais do que um alvo para serem inactivadas ( [31], [4]):

N = 1−(1−e−DnD10 ) (4.3)

Em que n representa o n´umero de alvos.

4.4 Bact´

erias como Biodos´ımetros

(53)

Figura 4.3: Três tipos de curvas de sobrevivência em bactérias. a) Curva exponencial. b) Curva de sobrevivência bifásica. c) Curva de sobrevivência de multi-eventos. Adaptado de [4].

A aplica¸cão de biodos´ımetros para a radia¸cão ultravioleta foi descrita por diversos autores ( [27], [34]). No entanto, a utiliza¸cão de dos´ımetros biológicos para a radia¸cão ionizante ainda é um tema pouco desenvolvido e que tem grande aplicabilidade ao n´ıvel da esteriliza¸cão e preserva¸cão. De uma forma generalizada recorre-se aos endosporos como biodos´ımetro por serem as formas mais resistentes das bactérias. Os endosporos formam-se em situa¸cões de stress, têm a capacidade de sobreviver sem nutrientes, são resistentes à radia¸cão ultravioleta e a temperaturas elevadas [34].

(54)

Cap´ıtulo 5

Simula¸

c˜

ao de um Dispositivo

Experimental

No presente cap´ıtulo é descrita a unidade de irradia¸cão usada no desenvolvimento do trabalho experimental. Esta unidade de irradia¸cão está inclu´ıda no modelo teórico desenvolvido, que tem como objectivo o acompanhamento da parte experimental para posterior valida¸cão. A simula¸cão requer a constru¸cão e implementa¸cão de um modelo computacional que corresponda o mais fielmente poss´ıvel à situa¸cão real.

No âmbito deste trabalho foi desenvolvido um modelo computacional com o software PENELOPE que permite simular o transporte de fotões primários emitidos por cada uma das fontes de60_Co_{, bem como das part´ıculas secundárias emitidas (fotões, electrões}

e positrões). O principal objectivo consiste na determina¸cão da taxa de dose depositada em diversos locais no interior da câmara de irradia¸cão e posterior valida¸cão através das medi¸cões experimentais por métodos de dosimetria qu´ımica.

5.1 Fonte de

60

Co

A unidade de irradia¸c˜ao utilizada no trabalho experimental cont´em quatro fontes de

60_Co_{. Este é produzido artificialmente num reactor nuclear por activa¸cão de neutrões}

(55)

CAPÍTULO 5. SIMULAÇ ÃO DE UM DISPOSITIVO EXPERIMENTAL

radionúclido excitado, o 60_{N i} _{e a emissão de um electrão e de um antineutrino.}

60

27Co −→6028 N i+e−+ ¯νe (5.1)

Como consequência do decaimento do60_{N i}_{são emitidos dois fotões, com energias de}

1,173 MeV e 1,332 MeV [11]. O esquema de decaimento de Cobalto 60 est´a representado na ﬁgura 5.1.

Figura 5.1: Esquema do decaimento do60₂₇Co[13].

O Cobalto 60 tem diversas aplica¸cões nomeadamente na calibra¸cão de detectores, na esteriliza¸cão de produtos ou em radioterapia [35].

5.2 A Unidade de Irradia¸

c˜

ao PRECISA 22

A PRECISA 22 ´e um equipamento experimental com quatro fontes de60_Co_{com cerca}

de 20 toneladas. É formado no exterior por uma estrutura de a¸co inoxidável onde se insere um painel de controlo que funciona em modo automático. O irradiador é composto pela câmara de irradia¸cão, revestida de a¸co inoxidável, com as dimensões de

(56)

5.3. PENELOPE

65 cm de altura, 20 cm de largura e com a profundidade de 50 cm. Lateralmente tem duas pe¸cas de alum´ınio fixas à barreira de proteçcão e que ficam ao n´ıvel da fonte de

60_Co_{, aquando da posi¸c˜ao de irradia¸c˜ao [36].}

As quatro fontes de 60_Co _{estão colocadas em canais de a¸co inoxidável soldados às}

paredes laterais da câmara de irradia¸cão [36]. Um dispositivo automático opera a sua desloca¸cão, numa distância de 50 cm, ao longo destes canais. Vários cent´ımetros de a¸co e chumbo separam as fontes da câmara de irradia¸cão. Existem dois orif´ıcios entre o canal onde se deslocam as fontes e a câmara de irradia¸cão [37]. A dose é m´ınima no interior da cama de irradia¸cão quando ocorre o recuo máximo das fontes, e máxima quando estas estão avan¸cadas. Em 1971, este dispositivo possu´ıa apenas 2 fontes de

60_Co_{com uma actividade de 10 kCi que foram recarregadas em Novembro de 2009 [37].}

Na figura 5.2 estão apresentadas as dimensões reais da câmara de irradia¸cão.

Figura 5.2: Dimensões da câmara de irradia¸cão da unidade experimental de 60Co[37].

5.3 PENELOPE

(57)

CAPÍTULO 5. SIMULAÇ ÃO DE UM DISPOSITIVO EXPERIMENTAL

GeV. O historial do transporte de electrões e positrões é gerado tendo por base um processo aleatório, que combina detalhes da simula¸cão dos fenómenos mais energéticos juntamente com as simula¸cões de interaçcões menos energéticas [11].

O algoritmo de simula¸cão é baseado num modelo de dispersão, que correlaciona bases de dados numéricas com modelos anal´ıticos para seçcões eficazes dos diferentes mecanismos de interaçcão de electrões, positrões e fotões e energias correspondentes [11].

5.3.1 T´

ecnicas de Monte Carlo

O método de simula¸cão de Monte Carlo designa um conjunto de algoritmos computa-cionais baseados no uso de números aleatórios, com aplica¸cão na resolu¸cão de proble-mas f´ısicos e matemáticos, nomeadamente os que incluem variáveis cuja complexidade iria implicar a utiliza¸cão de uma grande quantidade de memória e tempo de proces-samento computacional caso fossem utilizados métodos numéricos convencionais. As simula¸cões são feitas com base numa amostragem numérica de variáveis aleatórias, com-parando a probabilidade de ocorrência desse acontecimento com um número aleatório. Na aplica¸cão espec´ıfica da simula¸cão do transporte de radia¸cão, o percurso de uma part´ıcula é aproximado a uma sequência de voos livres cuja direçcão não é aleatória, contudo existem probabilidades de ocorrência associadas a diversas direçcões. Assim cada interaçcão que a part´ıcula sofre determina a interrup¸cão do voo, podendo a mesma resultar na altera¸cão da direçcão do seu movimento ou na perda de parte ou da total-idade da sua energia; dependendo do tipo de part´ıcula, da sua energia e do meio onde viaja, pode ainda ocorrer a forma¸cão de espécies secundárias.

As variáveis aleatórias que caracterizam uma trajectória de uma part´ıcula são o percurso livre entre duas interaçcões sucessivas, o tipo de interaçcão que ocorre e a perda de energia e deflexão angular que esta sofre. As fun¸cões densidade de probabi-lidade ( PDFs-probability distribution functions) são determinadas através das seçcões eficazes diferenciais (DCS-differential cross sections) para os mecanismos de interaçcão relevantes. Quando as PDFs são conhecidas pode então ser gerado o historial individual de cada part´ıcula, isto é, um modelo da trajectória [11].

(58)

5.3. PENELOPE

5.3.2 Probabilidades de Interac¸

c˜

ao

Na simula¸cão de transporte de radia¸cão com Monte Carlo supõe-se que o meio f´ısico onde se dá a interaçcão entre as part´ıculas é homogéneo e isotrópico (considerando-se ga(considerando-ses, l´ıquidos e sólidos amorfos); a densidade dos materiais que o compõe, bem como a sua composi¸cão qu´ımica (especificada pela sua fórmula estequiométrica) de-verão também ser conhecidas. A interaçcão das part´ıculas com os átomos ou moléculas do meio ocorre através de vários mecanismos competitivos, estando a cada um as-sociada uma seçcão eficaz diferencial caracter´ıstica. Esta seçcão eficaz é considerada duplamente diferencial, na medida em que além da dependência angular também se considera a dependência da energia a que se dá a interaçcão entre o projéctil e o alvo. Assume portanto a forma:

d2_σ

dW dΩ (5.2)

d2_σ _{representa ent˜ao a ´area da superf´ıcie plana posicionada perpendicularmente a}

um feixe de part´ıculas incidentes (com energia E ) que é atingida pela quantidade de projécteis que são dispersos na direçcão ˆdno interior do ângulo sólido dΩ e com perda de energia entre W e E-W (Figura 5.3). As DCS têm portanto dimensões de Área/ ( Ângulo sólido × Energia).

Figura 5.3: Diagrama esquem´atico que representa a medi¸c˜ao de uma DCS [11]

Outro conceito importante é o do livre percurso médio λ, ou seja, o valor médio do espa¸co percorrido por uma part´ıcula entre duas colisões sucessivas, definido por:

1