Seção Técnica de Proteção Radiológica CENA/USP & SESMT/USP · Curso de Atualização e...
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Seção Técnica de Proteção Radiológica CENA/USP & SESMT/USP
Curso de Atualização e Conhecimento em Proteção Radiológica
Liz Mary Bueno de Moraes
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Utilização da Espectrometria de Cintilação Líquida na Pesquisa
• O que é espectrometria?
• O que é cintilação?
• Cintilação Líquida na pesquisa.
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Espectrometria
• Praticamente tudo o que conhecemos sobre amatéria vem de sua interação com a radiaçãoeletromagnética. Em sua forma mais direta,tais interações definem o que conhecemoscomo o nome ESPECTROMETRIA.
• A espectrometria é um conjunto de recursosque nos permite identificar a estrutura daspartículas que constituem as substâncias.
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Espectrometria
• A espectrofotometria é o método de análisesóptico mais usado nas investigações biológicase fisico-químicas. O espectrômetro é uminstrumento que permite comparar a radiaçãoabsorvida ou transmitida por uma solução quecontém uma quantidade desconhecidade soluto, e uma quantidade conhecida damesma substância.
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O que é radiação?
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Fonte: Dreamstime - illustrations
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Researchgate: Representação de uma onda Eletromagnética composta por vetores elétrico e magnético, que são ortogonais entre si. As ondas deslocam-se da fonte à velocidade da luz (3.108 m.s-1 ). Fonte: Jensen (2000).
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Espectrometria
• Alguns termos básicos:
• Comprimento de onda (λ) – é a distância em metros, de um pico a outro da onda;
• Frequência (ν) – Número de ciclos por unidade de tempo.
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Cintilação
• É um termo genérico usado para descrever rápidas variações no brilho aparente ou cor de uma fonte de luz.
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CintilaçãoO termo pode referir-se a:• Cintilação (astronômica) - os efeitos atmosféricos que
influenciam as características ópticas dos objetos celestesobservados a partir da Terra;
• Cintilação interplanetária - flutuações das ondas de rádiocausadas pelo vento solar;
• Cintilação Física - o pulso de luz produzido por certosmateriais ao absorverem radiação ionizante;
• Cintilação (radar) - a rápida deslocação aparente de um alvonum monitor de radar;
• Cintilação (ilusão óptica) - uma imagem cuja composiçãocromática causa uma ilusão óptica.
• Contador de cintilação - um equipamento utilizado paradetectar radiação ionizante;
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Cintilação Líquida
• Amostra radioativa é incorporada à umasolução cintiladora.
• Solução cintiladora – propriedade de emitirfótons de luz como consequência da interaçãocom a radiação.
• Fótons capitados por válvulasfotomultiplicadoras e convertidos em pulsoselétricos
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Emissão beta
• Radiação beta (β) é o termo usado paradescrever elétrons (negatrons e pósitrons) deorigem nuclear, carregados positiva (β+) ounegativamente (β-). Sua emissão constitui umprocesso comum em núcleos de massapequena ou intermediária, que possuemexcesso de nêutrons ou de prótons em relaçãoà estrutura estável correspondente.
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Emissão β.
Fonte: Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Instituto de Radioproteção e Dosimetria - CNEN
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Emissores β puros
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DETECTORES À CINTILAÇÃO
• A utilização de materiais cintiladores paradetecção de radiação é muito antiga - osulfeto de zinco já era usado nas primeirasexperiências com partículas α - e continuasendo uma das técnicas mais úteis paradetecção e espectroscopia de radiações.
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Processo de Cintilação Líquida
Emissor Beta
SolventeSoluto
Primário
Soluto Secundário
Fotomultiplicadora
Transferência de Energia
Emissão de Luz
Emissão de Luz
Deslocamento Espectral
Pulso elétrico
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Processo de Cintilação Líquida
Emissor Beta
Durante o processo de decaimento radioativo, aenergia cinética das partículas emitidas étransferida para o solvente
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Processo de Cintilação Líquida
Solvente
• A transferência de energia pode causar aionização e a excitação das moléculas dosolvente.• A energia de excitação é rapidamentetransferida para as moléculas do solutoprimário
Transferência de Energia
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Processo de Cintilação Líquida
Soluto Primário
Transferência de Energia
Emissão de Luz
As moléculas do soluto primário retornam doestado excitado ao fundamental emitindo fótonsde luz ( t ≈ 10-9 segundos).Geralmente o λ emitido não corresponde àmelhor resposta da fotomultiplicadora (solutosecundário).
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Processo de Cintilação Líquida
Soluto Secundário
Emissão de Luz
Emissão de Luz
Deslocamento Espectral
• Reemite os fótons de luz num novo λ, melhorando a eficiência do sistema de detecção.• λ mais apropriado a faixa espectral de resposta da fotomultiplicadora.
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Processo de Cintilação Líquida
Fotomultiplicadora
Emissão de LuzPulso elétrico
• Fótons de luz captados pelas fotomultiplicadorasliberam elétrons no fotocatodo.• São multiplicados em dinodos, produzindo o pulsoelétrico na saída.• A altura do pulso é proporcional a energiatransferida das partículas β para o solvente.
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DETECTORES À CINTILAÇÃO LÍQUIDA
A solução cintiladora
• Uma solução cintiladora, ou coquetel decintilação, é constituído por duas ou maissubstâncias que possuem a função de produzirfótons, com comprimentos de ondaadequados à máxima sensibilização do tubofotomultiplicador utilizado, e ao mesmotempo servir de suporte de fonte para aamostra radioativa que se deseja medir.
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Constituintes de um coquetel de cintilação
• Frasco de cintilação: possui a função de conter a solução cintiladora assegurando-lhe estabilidade durante o tempo que for necessário, devendo ser mantido hermeticamente fechado.
Fonte: www.perkimelmer.com
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• Solvente: normalmente são hidrocarbonetosaromáticos com a finalidade de absorver a energialiberada pelas partículas, transferindo-a paraoutras moléculas existentes no coquetel decintilação, que emitirão os fótons desejados. Entreas substâncias mais utilizadas encontra-se otolueno, que apresenta as seguintescaracterísticas: baixo ponto de solidificação; custoreduzido; fácil disponibilidade no mercado; eelevado rendimento luminoso.
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• Cintilador primário: possui a função principalde absorver a excitação das moléculas dosolvente e emitir esta energia absorvida emforma de luz.
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• PPO (Fenil-Fenil-Oxazol) - É um dos cintiladoresprimários mais utilizados, apresentando boasolubilidade na presença de soluções aquosas eem baixas temperaturas. Possui uma emissãomáxima de 3800 Å e deve vir acompanhado deum cintilador secundário, para que a sua faixa deresposta máxima seja aproximada da faixa desensibilidade das fotomultiplicadoras, entre 4200Å a 4400 Å, dos antigos sistemas de cintilaçãolíquida;
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• p-terfenil - Foi o mais utilizado nos primeirostrabalhos com cintilação líquida, mas teve queser abandonado por apresentar poucasolubilidade em baixas temperaturas, mesmosendo quimicamente estável e também maiseconômico e eficaz que o PPO;
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• PBD (Fenil-Bifenil-Oxidiazol) - É um excelentecintilador, tanto em relação a sua eficiêncialuminosa como pelo comprimento de ondaque emite, porém possui baixa solubilidade e émais caro que o PPO;
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• Cintilador secundário: o primeiro motivo paraa adição dos cintiladores secundários aoscoquetéis de cintilação foi para queabsorvessem os fótons emitidos peloscintiladores primários e emitissem outros emuma faixa de frequência menor, adequando-osà faixa de sensibilidade máxima dasfotomultiplicadoras usadas nos primeirossistemas de detecção.
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• Entre os cintiladores secundários maisutilizados estão o dimetil-POPOP e o POPOP,sendo que este último vem perdendopopularidade por causa de sua baixasolubilidade.
Dimetil-POPOP
POPOP
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Solutos
Nome
comercial
Produto Tipo de
Cintilador
Solubilidade
em tolueno
a 25°C (g/L)
Pico de
fluorescência
(nm)
PPO 2,5-difeniloxazol Primário 400 375
Butil-PBD 2-(4’-t-butilfenil)-5-
(4”-difenil-1,3,4-
oxadiazol)
Primário 130 385
p-terfenil p-terfenil Primário 5 342
POPOP 1,4-di[2-(5-
feniloxazolil)]-
benzeno
Secundário 0,95 415
Dimetil-POPOP 1,4-di[2-(4-Metil-5-
feniloxazolil)]-
benzeno
Secundário 3,1 427
Bis-MSB p-di-(0-metilestiril)-
benzeno
Secundário - 425
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Processo quantitativo de detecção com cintilação líquida
Fonte: Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Instituto de Radioproteção e Dosimetria - CNEN
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Processo de formação do sinal no cintilador líquido.
Fonte: Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Instituto de Radioproteção e Dosimetria - CNEN
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Estimativa do número de fotoelétrons formados a partir da interação de um elétron de 5 keV com o cintilador líquido.Fonte: Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Instituto de Radioproteção e Dosimetria - CNEN
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Eficiência de cintilação
• A eficiência de cintilação para um cintilador édefinida como a fração da energia de todas aspartículas incidentes que é transformada emluz visível.
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Espectrômetro de Cintilação Líquida
• Fotomultiplicadora
Esquema de uma fotomultiplicadora acoplada a um cintilador. Fonte: lookfordiagnosis.com
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Fonte: Original uploader was KieranMaher at en.wikibooksPor KieranMaher em Wikilivros em inglês - Transferido de en.wikibooks para a wiki Commons por Adrignola utilizando CommonsHelper., Domínio público, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=8677937
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Quenching
• Supressão de fótons – processo que interfere na transferência de energia, produz um decréscimo na eficiência de detecção.
• Quenching – maior responsável pelas diferenças de eficiência na medição de diversas formas.
• Pode ocorrer de 2 formas:
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• Supressão por coloração da amostra: absorção de fótons devido à presença de certos constituintes coloridos na amostra e no coquetel de cintilação.
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• Supressão química: algumas impurezas que podem estar presentes na amostra competem com o solvente no processo de transferência de energia.
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DIAGRAMA DE BLOCOS DE UM CINTILADOR LÍQUIDO
Fonte: Radioproteção e Dosimetria: Fundamentos. Instituto de Radioproteção e Dosimetria - CNEN
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Pesquisa
• Os isótopos mais usados como traçadores são:P-32, S-35, Ca-45, Fe-59, Cu-64, Zn-65, C-14,H-3, N-15 e O-18, sendo os dois últimosisótopos estáveis.
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Carbono 14
• O carbono possui vários isótopos. Osprincipais são o C-12 (98,89 %) e C-13 (1,11%)estáveis, e o C-14 instável, encontrado naatmosfera na proporção de um átomo a cada1012 átomos de C-12.
• O C-14 é um radionuclídeo produzidocontinuamente através de reações nucleares apartir de interações entre as partículasenergéticas (raios-cósmicos) e nuclídeosatmosféricos.
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• O 14C formado (tanto natural quantoantropogênico) sofre oxidação, é transformandoem 14CO2, depois mistura-se rapidamente naatmosfera e é, então, incorporado ao ciclo decarbono e cadeia alimentar (fotossíntese).
• O decaimento ocorre com emissão de partícula β
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• Para a obtenção de 14C várias produçõespodem ocorrer (ex.: 14N + n →1H + 14C)
14N + n →1H + 14C
• Quase a totalidade do 14C é formada a partirde 14N devido a sua abundância (99,63%).Uma vez produzido o 14C decai para 14Nestável, através de uma emissão β-.
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Datação
C(AMOSTRA) + O2 CO2
2 CO2 + 2 Li Li2C2 + 2 O2
Li2C2 + 2 H2O C2H2 + 2 LiOH
3 C2H2 C6H6
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Amostras - Orgânicas
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Amostras Inorgânicas
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Há uma força motriz mais
poderosa que o vapor, a
eletricidade e a energia
atômica: a Vontade!!
Albert Einstein
Obrigada
pela
atenção!