指甲EPR测量方法

田 烨 吴 可

(军事科学院军事医学研究院辐射医学研究所， 北京， 100850)

0 引言

核与辐射事件往往会导致大量人员受到辐射损伤，救治的关键是对受照者进行快速剂量评估和早期分类，为临床治疗提供依据[1]。常见的辐照剂量估算方法主要包括物理方法、生物学方法和生物物理方法。

(1) 物理方法。

通过辐射场重建和数值模拟计算方法，结合人员在辐射场中的活动资料，获得有关吸收剂量的计算结果。该方法优势在于快速，易于获得宏观整体评价结果。但受限于源项和人员具体活动资料难以完整，因此，对个体情况评估时比较困难。

(2) 生物学方法。

包括染色体畸变、微核、血象变化、生物标志物和临床指征等，其中外周血淋巴细胞染色体突变率为生物学方法的典型代表。其优势在于结果准确、可针对个体，但是剂量范围较窄，实验室硬件条件要求较高，获得结果所需时间比较长。

(3) 生物物理方法。

利用物理方法对生物指标的特异性改变进行定量检测，如，利用电子顺磁共振(EPR)技术测量骨骼、牙齿、指甲等组织中的辐射诱发自由基[2]。此方法检测时间较短，剂量信息保存时间长，仪器操作相对简单，剂量范围宽，可重复测量，尤其适合于现场快速早期剂量评估和伤员分类。

近年来，基于采样可行性和剂量响应的考虑，在体的牙齿和指甲EPR检测技术成为生物物理方法研究的重点。与在体测量牙齿相比，指甲EPR测量具有以下优点：①指甲不断代谢更新，避免了过往受照史的影响；②测量过程更加简便，且无创；③测量技术上更容易实现。目前指甲EPR在体测量的剂量检测下限值约为1.4 Gy[3]，已接近伤员早期快速分类的需求。

本文介绍指甲EPR波谱信号特征，对比离体测量和在体测量指甲EPR方法特点，重点介绍在体测量方法及其在辐射剂量评估领域的应用优势。

1 指甲EPR波谱特征

指甲主要成分是α角螺旋蛋白，在电离辐射、机械力作用的应激条件下会产生新的自由基，通过EPR技术可以检测到指甲中自由基团的信号，形成多种EPR波谱信号。EPR波谱信号包括指甲本底信号(BKG)、剪切产生的机械诱发信号(MIS)、γ辐射诱发信号(RIS)。

γ辐射诱发信号可细分为5种不同组分，即RIS1、RIS2、RIS3、RIS4、RIS5。RIS1、RIS3、RIS4仅在大剂量(约1 000 Gy)下产生，对辐射事故人员分类不具有应用价值。低剂量下产生的RIS2、RIS5是指甲EPR测量的目标信号。RIS2具有更好的稳定性，即受时间、温度影响小，且水洗或浸泡不会消除该信号，是最具有应用价值的信号。由于MIS、BKG与RIS相互重叠，影响了剂量响应评估过程，因此将RIS2、RIS5从EPR波谱信号中分离是指甲EPR测量的重点[4]。

指甲剪切时机械力诱发产生了多种EPR信号，包括MIS1、MIS2、MIS3、MIS4。其中MIS2具有较好的稳定性，受时间、温度影响小且不受水洗或浸泡影响[4]，这种稳定性被认为源自指甲固有特性，称为背景信号[5]。BKG和MIS2均对辐射诱导信号RIS的信号分析与剂量重建有较大影响，影响了指甲EPR测量[6]。

指甲EPR波谱RIS、MIS、BKG的信号幅度随时间、储存湿度环境的差异出现不同的变化特性，而信号的稳定性对辐射事故后剂量重建过程十分重要。为此研究人员进行了大量实验，以探究测量时间、样品水分、周围气体环境以及个体差异等因素的影响[4，7～12]。

2 指甲EPR离体测量

Brady等[13]提出指甲作为生物物理剂量计应用的可能性。多次实验证实了指甲中的辐射诱发信号(RIS)与照射剂量间存在线性关系[14～20]。

指甲EPR离体测量方法是将剪切收集的指甲样品进行清洗、自然晾干(或烘干)、称重等工序后进行EPR波谱采集，通过获得其自由基信号重建样品受照剂量。离体的指甲样品通常在大气环境中常温保存，25 C°时RIS完全衰减需要100 d。为了保证测量结果的均一性，除了严格控制样品的储存环境、重量、处理流程外，指甲离体测量通常还使用加入自旋浓度确定的物质作为信号标准物的方法以归一化样品中自由基浓度的大小。

通过测量指甲的EPR信号评估剂量有一个关键问题，由于指甲被剪切产生的机械诱导信号MIS与γ照射产生的辐射诱导信号RIS重叠，严重影响了指甲EPR剂量测量的准确度。

为进行客观的剂量重建，离体指甲EPR测量剂量评估方法的关键在于将RIS从波谱信息中分离出来。为此研究人员进行了大量工作并结合了不同信号的稳定特性建立了三种离体测量方法，即水处理法、波谱分析法和辐射叠加法[11,21,22]。

2.1 水处理法

利用MIS、BKG信号幅度受水分影响明显，而RIS5信号幅度对水处理不敏感的特性去除干扰信号。

将指甲样品用清水浸泡10 min也可以很好的去除全部MIS及BKG，而RIS5浸泡无法消除[4]。清水浸泡虽然能暂时去除背景信号，但指甲晾干或烘干后，BKG幅度逐渐恢复，这一现象导致了使用该方法会出现BKG幅度不稳定的问题。张腾达等[22]认为在使用清水浸泡消除机械信号后，应对指甲进行烘干处理，使BKG幅度恢复最大值，进而稳定，以减小测量误差，他们对浸泡后的指甲在30 ℃、70 ℃、200 ℃下分别进行干燥，实验结果表明，70 ℃烘干3 h可使指甲完全干燥，BKG稳定，且避免高温影响RIS幅度。焦玲等推测水处理法可用于估测大于3 Gy的剂量值[10]。

2.2 波谱分析法

波谱分析法通过测量单峰幅度，从总单峰幅度中扣除MIS1信号幅度推算出的MIS2及样品照射前测量出的BKG，从而得到RIS5。

He等[11]在干燥氮气环境下，对指甲中MIS1、MIS2、MIS3进行7 d的幅度监测，发现宽频MIS1与单峰机械诱导信号MIS2幅度之间存在较稳定的比例关系(标准误差26%)，结论提出，可通过MIS1的测量，间接确定MIS2的幅度。随后他们对60位捐赠者的指甲测量结果中的MIS1、MIS2信号进行相关性分析，相关系数为0.68, Swartz等[21]认为这种不稳定是导致该方法剂量下限无法达到辐射事故伤员分类需求的主要原因。

对于波谱分析法，指甲剪切后EPR波谱信号的稳定性非常关键，从指甲收集与剪切到测量过程中MIS受到周围环境的影响而衰减可能破坏MIS1与MIS2之间的比例关系。根据指甲中EPR波谱信号稳定性特性，研究者在剪切收集后对指甲进行快速干燥并使用惰性气体(如CO2、N2)保存，显著减缓了指甲中信号的衰减，从而保持了MIS1与MIS2之间稳定的比例关系，使其相关系数由0.68增长到0.93。

2.3 辐射叠加法

对收集到的受辐射指甲进行至少两次重复照射，并对再照射后的EPR信号进行线性拟合，通过其幅度变化率进行事故剂量的刻度[21]。这种方法需要在叠加照射的过程中，指甲的水分保持稳定并尽可能接近指甲在体时的状态。

Marciniak等[7]在实验中指出，指甲在进行多次辐射叠加后可能出现幅度饱和现象，当照射总剂量达40～60 Gy时，重复照射不再使EPR信号幅度增长反而出现下降。辐射叠加法需要严格的实验室条件，无法实现现场检测，难以实现事故后人员早期快速分类。

3 指甲EPR在体测量

由于指甲剪切后测量的波谱信号组成复杂，受剪切以及储存环境的诸多因素影响大，样品处理方法复杂，所以离体测量不能完全满足核与辐射事件早期人员分类的需求。为彻底消除MIS影响，近年来研究人员对指甲在体EPR测量方法和技术展开了探索。

指甲在体EPR测量仍存在一些技术难点，如：专用微波谐振腔(器)的研制。与常规离体测量所使用的封闭式谐振腔不同，指甲在体EPR测量需要设计专用的谐振腔，通过微波泄露对在体样本进行局部检测，泄露的微波功率需足够强以获得足够的灵敏度，同时又需要尽可能地避免指甲临近的软组织对泄露微波的吸收。目前主要有两种指甲在体EPR测量专用谐振腔：探测口式谐振腔和表面谐振腔阵列。

3.1 探测口式谐振腔

Ikeya等[23]对矩形TE102谐振腔进行改造，在谐振腔腔壁开口，通过狭缝处泄漏微波对样品进行EPR测量。

Swartz等[21]提出，在半球形TE011谐振腔腔壁中部适当位置开口，可得到两倍于矩形TE102型谐振腔的微波功率，从而提高检测性能。

Grinberg等[24]通过在探测口式谐振腔内安装电介质，使微波的磁场分量与电场分量垂直分离以增强探测口处磁场强度，结果发现，TiO2、KTaO3、蓝宝石等电介质均可放置于TE102或TE011谐振腔探测口内增强谐振腔探测性能。将KTaO3电介板安装在TE102谐振腔矩形探测口内制作了KTaO3电介板DAR(KTaO3-DAR)。通过在X波段下对受137Cs照射的指甲样品进行测量，结果表明，与传统无电介板的探测口式谐振腔相比，KTaO3-DAR得到的相对信号强度显著增强约15～20倍。他们用改进后的X波段背衬电介质探测口式谐振腔(DAR)，以具有稳定EPR信号的Kapton25、Kapton35薄膜(等效RIS剂量分别为12.5、35 Gy)为样品，0.25 mm厚PC板为间隔物进行探测深度测量实验，确定了使信号最优化的KTaO3-DAR探测口的模型。而后，研究人员将Kapton25、Kapton35薄膜粘贴于健康志愿者指甲表面进行在体测试，志愿者在测量前10～15 min洗手，使指甲中的BKG的影响基本消除。测量结果显示，KTaO3-DAR探头的检测指甲的理论探测下限可达1.4 Gy。

3.2 表面谐振腔阵列

表面谐振腔阵列(SRA)是由多个相同共振元件通过CRC桥和脊骨连接构成的表面接触式谐振腔[25]，脊骨连接处为零电位，使该处电场最小而磁场最大。在体测量时指甲周围软组织引起的微波介电损耗降低了探测效率。为减少微波损耗，指甲在体剂量测量需将探测深度限定在指甲厚度内，SRA谐振腔包含的CRC模块目的在于通过改变CRC模块的尺寸参数以控制对指甲的探测深度，避免指甲下肌肉、结缔组织对微波的吸收。

He等[3]使用了阵列间距为1 mm的SRA谐振腔在X波段下进行了指甲在体EPR测量，但该实验并未能取得良好信号。原因在于使用的SRA谐振腔阵列间距过小，导致探测深度过浅。

Sidabras等[26]设计了分别含有7、11个共振元件的SAR，使用L-α-丙氨酸和聚苯乙烯混合物制作了1.5 mm厚的指甲模型，并对其进行137Cs照射，再将其粘贴于聚丙烯酰胺凝胶制作的手指体模上形成全指模型。在X波段下，采用0.2 mm厚的PC板作为间隔物，使用该模型对分别含有7、11个共振元件的SAR进行探测深度的测量。结果显示，对于含7、11个组件的SAR，90%的信号分别来自于0.75、0.5 mm以内。而后研究人员对指甲模型进行了7次不同累积剂量照射，使用SAR获得了较为良好线性剂量响应。模拟计算显示SAR谐振腔在负载丙氨酸-聚苯乙烯指甲模型的下，其质量因子(Q)约为200。研究人员认为SAR在X波段下探测下限低于2 Gy。

3.3 技术特点

指甲在体EPR测量方法有以下优势：(1) 避免了剪切收集指甲样品时MIS的产生，彻底避免了MIS2与目标信号RIS5重叠的问题；(2) 指甲中的水份含量较为稳定，避免了因样品储存和处理的不同导致的信号衰减、不稳定的问题；(3) 可以在现场快速给出检测结果，满足事故早期分类的要求，减少了指甲收集与储存等流程带来的误差。

指甲在体EPR测量从原理上彻底避免了MIS信号难以分离的问题，有望进一步提升指甲作为电离辐射剂量计的检测灵敏度，具有采样简单、现场快速、针对个体的优势。研究人员设计了多种可专用于指甲在体EPR测量的谐振腔，目前来看，DAR是在传统谐振腔基础上进行优化，通过安装电介板提高探测灵敏度，SAR使用了新颖的谐振阵列结构通过控制探测深度提高探测效率，二者都为在体EPR测量谐振腔的设计提供了新思路。指甲在体测量虽起步较晚，但模拟的在体测量实验均取得较好的结果，理论探测下限基本达到急性放射性损伤的分类需求，且具有样品前处理方法简单快速、测量流程易于操作的潜力，显示了在体指甲EPR测量方法良好的发展前景。

3.4 存在的问题

指甲EPR在体剂量测量目前仍然面临着较多挑战，多种相关研究工作正在展开，主要包括：

(1) 考察不同类型的照射下(如β及不同能量的γ、中子)，指甲剂量与全身剂量、人体各主要脏器有效剂量之间的转换系数[27]。

(2) 研究紫外线与指甲EPR信号之间的关系，探索紫外线诱导信号与γ诱导信号的区别与联系，以及紫外线诱导信号与指甲BKG之间的关系。

(3) 在W波段(94 GHz)下，使用脉冲EPR对经清水浸泡处理的指甲进行测量，利用高频场优良的灵敏度和分辨率，进一步阐明长寿命RIS(经水处理依然稳定存在的信号成分)的性质。

(4) 研究指甲硬/软化剂、染色剂对指甲EPR信号的影响。