BIOLÓGIAI UV DOZIMETRIA URACIL VÉKONYRÉTEG DOZIMÉTERREL Készítette: Kerékgyártó Tibor Témavezető: Dr. Gróf Pál Egyetemi docens Programvezető: Dr. Rontó Györgyi Egyetemi tanár Készült: a Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében 2001 Budapest 1
Összefoglalás A magaslégköri ózonfogyás felhívta a figyelmet az UV sugárzás biológiai hatásainak kvantitatív jellemzésére. Ennek eredményeként a környezeti és mesterséges UV sugárzás mérésére a világ számos kutatólaboratóriumában fejlesztettek ki biológiai dózismérő eszközöket. Ezek általában egyszerű biológiai rendszerek, amelyeknek UV sérülése DNS-tartalmuk sérülését jelenti. A Semmelweis Egyetem Biofizikai és Sugárbiológiai Intézetében kifejlesztett és az EU IV. Keretprogramjának BIODOS projektjében finomított, illetve használt uracil doziméter is ezek közé tartozik, mint a DNS-sérülés egyik legegyszerűbb modellje. A doziméterben UV sugárzás (UVC) hatására lejátszódó alapjelenség viszonylag régen ismert. Tézisek 1.) Munkám során nagyszámú, stabil minőségű doziméter előállítására szolgáló eljárást dolgoztam ki, továbbá az elkészített dozimétereket jellemeztem a biológiai UV dózismérést befolyásolható szempontok alapján. Megállapítottam, hogy 2.) az uracil doziméter különösen alkalmas a rövidebbuvb-sugárzásban bekövetkező változások detektálására, 3.) a spektrum e tartományában bekövetkező változásokra sokkal érzékenyebben reagál, mint például az RB mérő; 4.) kísérletileg bizonyítottam, hogy az uracil vékonyréteg doziméter térszögtől függő érzékenysége cosinusos-függvény szerint változik. 5.) Kidolgoztam az uracil doziméter OWLS módszeren alapuló kiértékelését, és összevetettem a hagyományos, OD méréssel végzett kiértékeléssel, 6.) megállapítottam, hogy az OWLS módszer érzékenysége kb 10-szerese az OD mérésen alapuló kiértékelésnek. Ez az eljárás perspektívában a biológiai UV dózis on-line mérését teheti lehetővé. 2
7.) Az uracil doziméter széleskörű alkalmazhatóságát bizonyítottam a személyi dozimetria, a szabadtéri UV monitorozás, valamint a szoláriumcsövek és más mesterséges források minősítésére kidolgozott eljárásban. 8.) Kimutattam, hogy megfelelően megválasztott széles hullámhossztartományban integráló dozimétert választva az uracil vékonyréteg doziméter kiegészítő párjául nemcsak a mesterséges sugárforrások; hanem a nap sugárzási tere is jellemezhető a két különböző doziméterrel meghatározott biológiailag effektív dózis arányával. Summary The depletion of stratospheric ozone with the consequent expected increase in UVB radiation have promted efforts to characterize the biological effects of UV radiation. Biological dosimeters have been developed to mesure solar and artificial UV radiation in various research laboratories worldwide as a consequence of the increased UVB radiation. These dosimeters are simple biological systems, the majority of then detect DNA damage. Uracil dosimeter that was developed and tested in the frame of BIODOS project of EU IV. by the Institute of Biophysics and Radiobiology of Semmelweis University is also a simple model of DNA damage. The mechanism of the effect of UV (UVC) radiation in the uracil dosimeter is known for a relative long time. Thesis 1. I have developed a method to prepare good quality, stabile uracil dosimeters in large numbers and characterised them from point of wiew of the measurement of biological UV dose. 2. I have determined that the uracil dosimeter is especially suitable to detect changes in the short wavelength range of UVB radiation. 3
3. I have established that the response of uracil dosimeter to short wavelength UVB radiation is much more sensitive than the one of RB meter. 4. I have experimentally verified that the space angle dependent sensitivity of the uracil dosimeter varies according to cosine function. 5. I have developed the evaluation of uracil dosimeter based on OWLS method and compared with the conventional evaluation based on OD measurement. 6. I have veryfied that the OWLS method is 10 times more sensitive than the OD measurement, offering the possibility an on line biological UV dose measurement. 7. I have confirmed the applicability of uracil dosimeter in personal UV dosimetry, in environmental UV monitoring and in qualification of solaria lamps and other artificial UV sources. 8. I have demonstrated that using a proper broad band integrating dosimeter coupled to uracil dosimeter the radiation field of artificial UV sources and environmental radiation as well can be caracterised by the ratio of biological effective UV doses determined by the dosimeters. 4
TARTALOMJEGYZÉK 1. Bevezetés 7 2. Célkitűzések 9 3. Irodalmi háttér 10 3.1. A biológiai UV dozimetria 3.2. Dózisfogalmak, ajánlások 3.3. UV források 3.4. Fizikai és biológiai UV doziméterek alkalmazása 3.5. Biológiai UV dózismérők áttekintése 3.5.1 Az uracil vékonyréteg doziméter 3.5.2 Térszögtől függő érzékenység 3.6. Integrált optika és biofizikai alkalmazásai 3.6.1. Hullámvezetők általános tulajdonságai 3.6.2. Optikai bioszenzorok 4. Módszerek 38 4.1. Uracil vékonyréteg készítés 4.2. Uracil vékonyréteg doziméter kiértékelése spektrofotométerrel 4.3. OWLS módszer alkalmazása 4.4. A doziméter térszögtől függő érzékenysége 4.5. Modellszámítások 4.6. RB-mérő és uracil doziméter spektrális érzékenységének összevetése 4.7. Szoláriumcsövek és más UVB sugárzók minősítése 4.8. Személyi dózismérők, munkahelyi UV dozimetria 4.9. Uracil vékonyréteg doziméterrel végzett szabadtéri UV monitorozás 4.10. Sugárzási tér jellemzése 5 Eredmények, megbeszélés 60 5.1. Uracil doziméter térszögtől függő érzékenysége 5.2. A sugárforrás emissziós spektrumának változása 5.3. Uracil doziméter kiértékelése OWLS módszerrel 5.4. Személyi dozimetria 5
5.5. Szoláriumcsövek minősítése 5.6. Szabadtéri biológiai UV dozimetria 5.6. Szabadtéri UV dozimetria 5.7. Modellszámítások 6. Köszönetnyilvánítás 92 7. Rövidítések 93 8. Irodalomjegyzék 94 9. Saját közlemények jegyzéke 111 6
1. Bevezetés A napsugárzás a földi élet kezdeteitől fogva hatással van az élővilágra, gyógyító hatását már az ősidőkben is használták, azonban a jótékony és káros hatások rendszeres kutatása csak néhány évtizedes múltra tekint vissza. A földre érkező napsugárzás fizikai, kémiai, biológiai hatásainak vizsgálatával összefüggésben újabban egyre többet foglalkozunk a légkör szennyeződése következtében a földfelszínre jutó napsugárzás spektrumában fellépő változással is. A földi légkör kialakulása, az oxigén tartalmú légkör megjelenése ugyanis maga után vonta az ózon, mint légköri komponens megjelenését is. A bioszférát az UVC, valamint jelentős részben az UVB tartomány károsító hatásától az ózonpajzs védi. Az ózon csak egészen kis mértékben, és csupán 280 nm hullámhossz felett engedi át az ultraibolya sugárzást. Ez a mennyiség elengedhetetlen az emberi bőrben a D-vitamin képződéséhez. A technika és a civilizáció fejlődésével együtt jelentős mértékben megnövekedett a légkörben az ózonréteget károsító anyagok mennyisége, ami az ózonpajzs vékonyodásával, az ózonkoncentráció csökkenésével, és ennek következtében a Föld felszínét érő napsugárzás összetételének megváltozásával jár együtt. Az ózonredukció következménye az UVB tartomány részarányának megnövekedése a korábban földre jutó napspektrumhoz képest, ami a bioszféra növekvő UV-expozícióját jelenti, ez pedig már káros lehet, azaz a biológiai kockázat növekedését vonja maga után. Mi, akik a fölfelszínen élünk, tevékenykedünk, a légkör paramétereinek változásából beleeértve az ózonpajzs vékonyodását is közvetlenül semmit sem érzékelünk. Saját bőrünkön tapasztaljuk viszont a földfelszínre érkező ultraibolya sugárzás erősségét, hasonlóan az egész földi bioszférához. Az ultraibolya sugárzás nagyobb dózisban bőrégést, bőrrákot okozhat, gyengíti az immunrendszert, kötőhártya- és szaruhártyagyulladást okoz. Meg kell tehát mérnünk, hogy mekkora dózis érkezik e hullámhossztartományban. Ennek detektálása a viszonylag kis energia következtében igen nehéz műszaki feladat, ez is oka lehet annak, hogy csak az utóbbi néhány évben kezd elterjedni a világon a biológiailag hatékony ultraibolya sugárzás folyamatos mérése, monitorozása. 280 nm 7
alatt gyakorlatilag nem érkezik mérhető sugárzás a földfelszínre, így a biológiailag hatékony UV tartományt általában az egyszerűség kedvéért azonosítjuk az UV-B tartománnyal, noha a bőr sokkal kisebb mértékben kb. 400 nm-ig érzékeny. Mesterséges UV sugárforrások környezetében e hosszabb hullámhossztartománynak is jelentős egészségkárosító hatása lehet. A biológiailag hatékony UV-sugárzás meghatározására két lehetőség kínálkozik. Az egyik: nagy pontosságú spektroradiométerrel hullámhossz szerinti felbontásban mérjük az UV sugárzás besugárzott teljesítményét, és ezt súlyozzuk a vizsgált biológiai hatás spektrális érzékenységével. Az eljárás hátránya, hogy a biológiai hatás összetettsége (pl. különböző hullámhosszúságú sugárzások közti kölcsönhatás) miatt az érzékenység meghatározása nem eléggé pontos, tehát a számított hatás többszörös mérési hibával terhelt. Ha a hiba-tényezőket sikerül is elhanyagolhatóvá tennünk, fennmarad a finanszírozás problémája: a megfelelő pontosságú spektroradiométerek rendkívül drágák, ezért még a legtöbb gazdag ország sem ilyen berendezésekkel szerelte föl UVB mérőhálózatát. A másik lehetőség: integráló műszerek alkalmazása. Ezek összegezve mérik a teljes UVB-intenzitást, és érzékenységük közel megegyezik az emberi bőr érzékenységével, ha a kalibrálásnak megfelelő spektrumú sugárzási térben történik a mérés. Ezek az eszközök az ún. Robertson-Berger típusú műszerek, amelyekre pl. a hazai UVBmérőhálózat is támaszkodik. Ha a sugárzási tér spektrális eloszlása jelentősen eltér az előbb idézett kalibrálás során alkalmazott értékektől, vagy ha a bőrpirosodást okozó hatástól eltérő biológiai reakciót kívánunk vizsgálni, akkor a biológiai UV dozimetria jelenti a megfelelő mérési lehetőséget. Az előbbi eset áll fenn akkor, ha a napsugárzás spektruma (pl. az ózonfogyás következtében) változik, míg a bőrpírt kiváltó biológiai hatáson kívül szóba jöhet számos más (pl. daganat-keltés, növények károsodása) biológiai hatás. A biológiai dozimetria egyik nagy előnye az eszközök olcsósága. Jelen dolgozatban a biológiai UV doziméterek fejlesztésével, finomításával kapcsolatos munkám eredményét foglalom össze, amiket részben az EU IV. Keretprogram BIODOS projektje keretében nyertem. 8
2. Célkitűzések Jelen munkámban a következő problémákra igyekeztem választ találni: uracil vékonyréteg doziméter alkalmazásával kapcsolatos elvi és gyakorlati alapok, lehetőségek jellemzése, mérési eljárások kidolgozása uracil doziméterrel a biológiailag hatásos UV dózis meghatározására szabadtéri és laboratóriumi körülmények között, az uracil doziméterre kidolgozott dózismérési eljárások alkalmazása hosszú idejű szabadtéri UV monitorozásban és laboratóriumi körülmények között különböző fényforrások használata esetén, az uracil doziméterrel összehasonlító mérések végzése biológiai (T7 bakteriofág,) és fizikai (Robertson-Berger méter) doziméterekkel, valamint spektroradiométerrel (Brewer #086, Optronic 754), modellszámítások végzése a mérési körülmények UV dózisra gyakorolt hatásának jellemzésére, eljárás kidolgozása az uracil vékonyréteg doziméterrel végzett dózismérés érzékenységének növelésére. 9
3. Irodalmi háttér 3.1. A biológiai UV dozimetria A környezet kémiai/fizikai jellegű szennyezése végső soron a bioszféra egyensúlyát, jelenlegi állapotát fenyegeti, ami az embert két szempontból is érinti. Egyrészt közvetlenül és károsan befolyásolja az ember egészségét, másrészt a jelenlegi egyensúlyi állapot helyett létrejövő új állapot fenyegetheti az egész bioszférát és a civilizáció létét is. Az egészségi kockázat becslésére szolgál a biológiai dozimetria. A földet körülvevő ózonpajzs vékonyodása miatt a földfelszínt elérő UV sugárzás spektrumában általános intenzitásnövekedés mellett a rövid hullámhosszúságú komponensek arányának növekedése figyelhető meg. A föld felszínén illetve a tengerekben és édesvizekben élő biológiai rendszerek UV sugárterhelése egyre növekszik. Így a növekvő környezetszennyezés miatt a különböző biológiai dozimetriai módszerek általában, a növekvö UV sugárzási szint miatt a biológiai dozimetriának a biológiai UV dozimetriai ága bír egyre növekvő fontossággal. Az UV sugárzás biológiai hatásai megfelelő biológiai doziméter használatával közvetlenül mérhetők. Számos esetben lehetőség van akár ugyanazon a biológiai rendszeren mint biológiai doziméteren eltérő típusú környezeti szennyezések kémiai vegyületek, sugárzások hatásainak mérésére, ami ezeknek a hatásoknak pontos és egyszerű összevetését teszi lehetővé. A BIODOS csoport szerint a biológiai UV doziméter [6, 8] : biológiailag releváns az UV által okozott sérülés statisztikailag kiértékelhető jól definiált nullpontja van a biológiai dózis számszerűen megadható és a doziméter válasza lineárisan függ a fizikai dózistól kielégíti a reciprocitási törvényt 10
nincs interakció a különböző hullámhosszak között stabil érzékenységgel rendelkezik. 3.2. Dózisfogalmak, ajánlások A biológiailag hatásos UV dózis (H) arányos a fizikai dózissal. Az arányosságot (súlyfaktort) az S() spektrális érzékenység jellemzi. E függvény a különféle biológiai hatások esetén különböző. Végeredményben a H-t a következő összefüggéssel definiáljuk: H t E S d, (3.1) ahol E() a spektrális irradiancia, S() pedig a fotokémiai, fotobiológiai folyamat spektrális érzékenysége, t a besugárzási idő. Sliney és Freasier 1973-ban 40 év összegyűjtött vizsgálatainak matematikai analízisével meg-adta az un. "UV veszélyesség burkoló görbét", ami azt a legnagyobb dózist jelenti hullámhosszanként az UV-C és UV-B tartományban (200-315 nm), aminek elszenvedése még nem okoz erythemát (bőrpírt) és keratokonjunktivitiszt (szaruhártya- és kötőhártyagyulladást). Eredményeit az USA illetékes egészségügyi szervezete (ACGIH) ajánlásként fogalmazta meg. Napi 8 órás munkavégzés esetén a szem és a bőr expozíciója nem haladhatja meg az effektív besugárzott teljesítmény 3 mj értékét. Ma is ez az ajánlás, amit a Nemzetközi Sugárvédelmi Szövetség (IRPA/INIRC) 1989- ben az UVA tartományra (315-400 nm) is kiterjesztett, megfelelő érzékenységi görbét konsruált [91, 129, 130]. Az ajánlás külön az UV-A tartományra is megadott egy veszélyességi görbét, amellyel a számított effektív besugárzott teljesítmény ugyancsak nem haladhatja meg a 3 mj értéket naponta, függetlenül az UV-B és UV-C expozíciótól. 11
Ezek az ajánlások Európában a Nemzetközi Sugárvédelmi Szövetség (IRPA/INIRC) révén terjedtek el. Monokromatikus fény esetén a napi megengedett dózis (Exposure Limit - EL) az érzékenység reciproka, míg a megengedett expozíciós idő a fényintenzitás és a monokromatikus fény hullámhosszához tartozó érzékenység szorzatának reciproka. A kaukázusi tipusú ember bőrének hullámhosszankénti érzékenységét és az EL hullámhosszankénti értékét tünteti fel a 3.1. ábra. Polikromatikus fény esetén az egyes hullámhosszaknál elszenvedett dózisok összegének figyelembe vételével számíthatjuk a megengedett maximális expozíciós időt (t max ): 1 t max. (3.2) E S 3.1. ábra. Biológiai érzékenységek, a napi megengedett dózisra vonatkoztatott EL érzékenység hullámhosszanként ( folyamatos görbe), a bőr érzékenysége a MED minimális megpirosodásra hullámhosszanként ( S szaggatott görbe) S Az előbbi példák jól szemléltetik, hogy ma még nincs jól definiált, nemzetközileg elfogadott biológiai dózismérő módszer, nincs egységes dózisfogalom sem a biológiailag hatásos dózis mérésére (többnyire BED-vel: Biologically Effective Dose, vagy H-val jelöljük). Eltérő a mért dózis számszerű értéke a különböző, doziméterként 12
használt, biológiai objektumok esetében, ezért (helyesen), az adott biológiai objektumot indexben jelölni szoktuk, pl.: BED T7 ill. BED U vagy H T7 ill. H U. Ha megfelelő pontossággal ismerjük a hozzájuk tartozó spektrális érzékenységeket, valamint a mért ultraibolya sugárzás spektrális összetételét, akkor a különböző BED értékek egymásba átszámolhatók. Amíg nincsenek precíz hatásspektrumaink valamennyi biológiai doziméterre, addig a dózisok egymásba átváltásában segítséget nyújt a különböző doziméterekkel egyidőben, azonos helyen megvalósított interkalibráció. 3.3. UV források A legfontosabb természetes UV forrásunk a Nap, amely mint egy 6000 K-en izzó abszolút fekete test sugározza ki energiáját. Színképének maximuma a látható tartományba esik, de a röntgen sugaraktól az ultrarövid rádióhullámokig a teljes elektromágneses spektrumot átöleli. A földfelszínen mérhető napsugárzás spektrális megoszlása 0.3%, 5.1%, 62.7% és 31.9% rendre UVB, UVA, látható és infravörös fényre vonatkozóan. Földünk légköri gázainak, főleg ózónrétegének szűrő hatása miatt az UVB tartományban (280-320 nm) a Nap földfelszínen mérhető spektruma meredeken csökken. Az ózonréteg csökkenése a napsugárzás intenzitásának növekedését, spektrális összetételének megváltozását okozza [12, 27, 39, 56, 93, 100, 96]. A spektrum megváltozása azt jelenti, hogy a rövidebb hullámhosszúságú (ibolyántúli) tartomány fokozottan jut be a légkörön keresztül a Föld felszínére. Az ózonréteg csökkenésével e tartományok közül az UVA-n kívül a rövidebb hullámhosszúságú UVB komponensek is eljutnak a Föld felszínére, sőt az elnyelő ózon mennyiségének fogyásával egyre fokozódó mértékben. Az UVB tartománynak a bioszférára, ezen belül az állat- és növényvilágra, valamint az emberre gyakorolt károsító hatásait számos kutatás és felmérés alapján egyre inkább ismerjük [14, 16, 32, 53, 56, 57]. A távlati hatások jobb megismeréséhez nemzetközi mérőhálózat szükséges, aminek kiépítéséhez minél több helyen, minél olcsóbb mérési módszereket kell bevezetni. 13
Az UV sugárzást tartják a leggyakoribb daganatok egyikének, a bőrrák keletkezésének elsődleges okozójának [2, 13, 18, 20, 46, 110, 116, 121]. A mesterséges UV források közül a szoláriumokat említjük. Egyre több epidemiológiai bizonyítékunk létezik arra nézve is, hogy e mesterséges barnító lámpák szintén kockázati tényezőként szerepelnek a bőr daganatos elváltozásainak, többek között a melanoma malignumnak a kialakulásában [3, 52, 68, 95, 120, 126, 127, 131]. Bár a szoláriumok egyéb kockázatos következményei is ismeretesek, mint a szemkárosodás [19, 102, 115, 116, 117, 133, 135], az immunszuppresszió vagy a ráncosodás [61, 66, 88, 101], népszerűségük mégis töretlen. Számtalan standard és ajánlás szól a környezeti és a mestreséges UV sugárzásról. A NIOSH (National Institute of Occupational Safety and Health) UV standardját EL-ben (Exposure Limit) fejezi ki [65], és a standard a már említett UV veszélyességi görbén alapul [91, 129]. A szoláriumok kozmetikai alkalmazásával kapcsolatban is készült néhány ajánlás [40, 130], a javasolt dózist MED-ben fejezik ki (Minimal Erythema Dose). Mostanáig még nem tervezték a szoláriumcsövek korlátozását emissziós spektrumuk alapján; néhány forgalomban levő szoláriumcső azonban igen nagy UVB dózist bocsát ki a szolárium normál használata mellett is. Ennek következtében a csövek használatának korlátozása szükséges mind az UVA, mind az UVB tartományban. A nemzetközi ajánlásoknak megfelelően a szoláriumban a bőrt érő ultraibolya sugárzás napi dózisa nem haladhatja meg az 1 MED-et sem az UVA, sem az UVB tartományban [40]. A káros hatások teljeskörű kiküszöbölése azonban az érvényben lévő ajánlások betartásával sem biztosítható, a kockázat csökkentésének szempontjából mégis jó támpontot nyújthatnak. A szoláriumok megfelelő alkalmazásának ellenőrzése az UV dozimetria egyik bonyolult feladata. A szoláriumok spektrális eloszlását nagy precizitással spektroradiométerrel lehet mérni, a detektort a besugárzás területére helyezve. Mindazonáltal az ilyen mérések a mindennapi használatra nagyon költségesek, stabil mérési körülményeket kívánnak, így a szoláriumok kiterjedt ellenőrzésére nem alkalmasak. Lehetséges eljárás a különféle barnulásmérők (általában valamilyen kémiai reakción alapuló film-doziméter) alkalmazása, ezek előnye olcsóságuk és egyszerű használatuk. Spektrális érzékenységük nem nagyon hasonlít az olyan biológiai 14
válaszokhoz, mint az UV besugárzás által okozott erythema indukció (bőrpír-keltés). Ez az oka annak, hogy a barnulásmérőkkel kapott eredmények nem megfelelőek a biológiai következmények előrejelzésére. A környezeti UV-sugárzás mérésére kifejlesztett szélessávú fizikai doziméterek, például Robertson-Berger típusú UV-mérők, spektrális érzékenysége közel van a DNS károsodás hatásspektrumához vagy az erythema-keltés spektrumához. Kimenő jelük általában feszültség érték, ami megfelelő faktorokkal bármely biológiailag effektív dózisra konvertálható, ha az UV forrás spektrális eloszlása kielégítő pontossággal ismert. Az RB-mérők azonban környezeti használatra kalibráltak [9, 21], így ilyen eszközök a különböző mesterséges UV források mindennapi ellenőrzésére csak megfelelő feltételek között alkalmazhatók. Az RB-mérők érzékenysége ugyan megfelelő lenne a szoláriumok ellenőrzésére, azonban áruk és az említett megfelelő mérési eljáráshoz szükséges követelmények legalábbis jelenleg nem teszik lehetővé mindennapi használatukat. A szoláriumok ellenőrzésére alkalmas doziméterekkel szembeni követelmények a következők: a.) egyszerű használat, b.) kumulatív dozimetria az egyéni expozíciós periódusok során, c.) relatív olcsó eszköz, d.) információ szolgáltatás az UVB/UVA tartomány részesedéséről a biológiai effektivitásban. 3.4. Fizikai és biológiai UV doziméterek alkalmazása A biológiai doziméterek az UV sugárzás mérésére szolgáló eszközök egyik családját alkotják. Alternatíváik lehetnek bizonyos körülmények között a fizikai elveken alapuló eszközök, spektroradiométerek, broad band radiométerek, amelyeknek érzékenysége gyakran közelíti valamely biológiai hatás hatásspektrumát (pl. erythema). Az első esetben a becsülni kívánt hatás nagyságát a hullámhosszak/tartományok megfelelő súlyozása után összegzéssel, az utóbbi esetben integráló eszközről lévén szó közvetlenül kaphatjuk. 15
Mind a biológiai mind a fizikai eljárásnak vannak előnyei és hátrányai. UV dozimetriai feladat megoldásakor mindezeket mérlegelni kell, és alapos vizsgálat után dönthető el, hogy az adott méréshez milyen típusú eszköz a legmegfelelőbb. A detektor kiválasztásának fontosabb szempontjai a következők: a tervezett mérési helyek/doziméterek száma elhelyezésük spektrális felbontás és/vagy spektrális érzékenység szükséges a detektor orientációja/ látószöge (field of wiew) mintavételi gyakoriság szükségessége mintavételi periódus hossza a mérés hossza a mérési helyek elérhetősége áramellátás szállítási lehetőségek költségek mérések száma a mérési eredmények későbbi felhasználása, összevetése más eredményekkel A szóba jöhető detektorok közül az az optimális, amely az UV méréssel szemben támasztott követelményeket a lehetőségekhez képest legjobban megközelíti. Bár a számos ismert biológiai doziméter jelentős különbségeket mutat felépítésben, érzékenységben és egyéb paraméterekben, mégis számos közös tulajdonsággal rendelkeznek. Általában nem túl nagyok, széles tartományban ellenállnak fizikai és más környezeti hatásoknak (páratartalom, hőmérséklet, stb.), olcsók, nem igényelnek áramellátást, stabilitásukat a tárolás során besugárzás előtt és után egyaránt megőrzik. Az ózon redukció miatt az UVB sugárzás mérése különösen szükséges. Az UVB sugárzás a szomszédos UVA tartományhoz képest kis intenzitást képvisel, éppen ezért mérése az UVA rész elkülönítése miatt nehéz méréstechnikai probléma. A biológiailag hatásos UV sugárzás mérésére ma még nincs általánosan elfogadott, standard eljárás, ehelyett az eszközök és detektorok számos csoportja létezik, amelyek mindegyike egymástól eltérő felépítéssel, megközelítéssel próbálja megoldani a felmerülő méréstechnikai problémákat. 16
A beeső sugárzásról a spektroradiometerek családja adja a legrészletesebb információt, diszkrét, meghatározott hullámhosszaknál és hullámhossz-intervallumokban végzett mérési sorozatokból állítja elő a sugárzás spektrumát. Ezek az eszközök általában nagyok, drágák, sérülékenyek, nagy érzékenységgel rendelkeznek, stabil áramellátásra és stabilizált környezeti feltételekre (pl. hőmérséklet, páratartalom) van szükségük, nagyfokú felügyeletet és speciálisan képzett kezelő személyzetet igényelnek. Leginkább rögzített pozícióban használhatók, szállításuk nehézkes, nagy körültekintést, elővigyázatosságot kíván. Többnyire sík felületre beeső sugárzást mérnek koszinuszostörvény szerint. A radiométerek (széles vagy keskenysávú) egy hullámhossz-tartományon belül integrális mérést valósítanak meg. A szélessávú radiométerek a legáltalánosabban elterjedt mérőműszerek, amelyek egy adott tartományban érzékenységüknek megfelelő súlyozású totális besugárzott teljesítményt mérnek. Az érzékenység vagy egy hullámhossz-tartomány (pl. UVA, UVB) kiválasztását teszi lehetővé, vagy valamely biológiai hatáshoz hasonló spektrális érzékenységgel rendelkeznek, és ezzel az érzékenységgel súlyozott összes besugárzott teljesítményt mérnek. Ilyen például az RB-mérő, amivel az erythema érzékenységnek megfelelő dózis mérhető. A keskenysávú radiométerek egy adott hullámhossztartományon belül néhány kiválasztott hullámhossznál, szűk tartományban, meghatározott érzékenységgel (szűrőkarakterisztikával) végzett mérésből elég durva közelítéssel határozzák meg a sugárforrás spektrumát. Mind a széles mind a keskenysávú radiométerek kisebbek a spektroradiométernél, kevésbé sérülékenyek, jobban alkalmazhatók akár hosszabb távon is felügyelet nélküli mérésre. Az újabb radiométerek hőmérsékletszabályozóval ellátottak: ezzel biztosítják a mérési körülmények állandóságát, így az üzemi hőmérsékletet túllépő, illetve azt el nem érő hőmérsékletű elektromos alkatrészek által okozott hiba csökkenthető. 17
3.5. Biológiai UV dózismérőkről általában A földi és vízi ökoszisztémák UV károsodása esetén a DNS sérülés központi szerepet játszik az okozott hatások kialakulásában [19, 102, 118]. Az UV-fény által okozott DNS kársodás a kezdő lépése többek között humán vonatkozásban az immunszuppressziónak, a tumor képződésnek, a vírusindukciónak és a fotokarcinogenezisnek [116, 117, 133, 135]. Az UVA tartomány esetén annyival bonyolultabb a helyzet, hogy itt a sérülés kialakulásában további endogén kromoforok is szerepet játszanak [19, 115, 125]. A DNS károsodás a pirimidin-bázisok sérülésén (adduktum-képződés) alapul, ennek a fotoproduktumnak az indukciója domináns az UVB tartományban [17, 44, 50, 81, 86, 87, 110-112, 134]. Bármely módszer, amely közvetlenül az UV sugárzás DNS-t károsító hatását kapcsolja össze az UV sugárzással, alkalmazható a biológiailag hatásos UV dózis (BED) mérésére. Ezeket az eszközöket összefoglaló néven DNS alapú biológiai dozimétereknek nevezzük. Az utóbbi évtizedben több DNS alapú biológiai dozimétert fejlesztettek ki [29, 30, 34, 39, 70, 78, 79, 109, 114] amelyek a földfelszínen, valamint természetes vizekben egyaránt alkalmasak dózismérésre. Ezek a doziméterek a fizikai UV dózis biológiai hatását érzékelik, azaz a fizikai dózist a biológiai reakció spektrális érzékenységével súlyozzák. A BIODOS kutatási konzorciumban (EU IV. keretprogram) a partner kutatócsoportok által alkalmazott biológiai doziméterek alapja B. subtilis spóra [63, 64, 94, 113], ill. az ebből kifejlesztett DLR-biofilm [36, 37, 70]. Kézenfekvő lehetőségnek látszott DNS preparátumok alkalmazása, amelyeknél az UV sugárzás által okozott dimer képződés mértéke lehet a biológiai dózis mértéke [78]. Ezen kívül felhasználnak dózismérésre izolált sejteket is, pl. magasabb rendű sejteket, baktériumokat, baktérium spórákat, vagy még egyszerűbb rendszereket: bakterio-fágokat [29, 84, 84]. A fenti módszerek egyik hátránya, hogy kiértékelésükhöz többnyire specifikus laboratóriumi (mikrobiológiai) technikát igényelnek. 18
A BIODOS projekt keretében kifejlesztettük és tökéletesítettük az uracil vékonyréteg biológiai dozimétert [31, 34, 39, 82]. Ez a doziméter is a DNS fotosérülésének modellezésén és mérésén alapul. Külön kell említeni a T7 bakteriofág dozimétert, amit ugyancsak az az MTA-SE Biofizikai Kutatócsoportban fejlesztettek ki. A T7 fág stabil, régóta (1973) teljesen ismert DNS bázissorrenddel (40 000 bázispár) rendelkező DNS fehérje komplex. Életjelenséget csak saját gazdabaktériumán fejt ki, ezáltal ellenőrizhető életképessége. Ultraibolya fény hatására a vírus örökítő anyagában, a DNS-ben fotosérülések keletkezhetnek. A fág-populációban az UV által okozott DNS sérülések Poissoneloszlás szerint oszlanak meg, igazolható, hogy a DNS-ben egyetlen fotosérülés teljes fágpusztulást okoz [23]. Kimutatható, hogy a fág túlélési hányadosának természetes logaritmusa, pontosabban annak abszolút értéke a fágonkénti sérülések átlagos számát adja. Ez a T7 dózis mértéke, ami H T7 egységekben fejezhető ki. A biológiailag hatásos dózis meghatározásának módszere a besugárzott fágoldatból vett minta biológiai titrálásán alapul. Az intézetünkben kifejlesztett módszer szerint homogén baktérium-pázsiton keletkező tarfoltok számlálásával meghatározott aktív fágok száma alapján számítható a (fáginaktiváció szempontjából) biológiailag hatásos dózis. A T7 fág doziméter biológiai érzékenysége genetikailag determinált, ezért minden utólagos érzékenység-kontroll nélkül alkalmazható monitorozásra [37, 83], főként rövidtávú dózismérés, pl. napi profil, kumulált dózis mérésére [6, 7]. 3.5.1 Uracil vékonyréteg doziméter A T7 fágban a DNS pirimidin-bázisainak sérülése (adduktum-képződés: rendszerint ciklobután dimér keletkezés) okozza a fág pusztulását. A polikristályos uracilt az UV sérülés szempontjából a DNS-sérülés modelljeként alkalmaztuk: az uracil vékonyréteg esetében ugyanis az ultraibolya fény hatására ugyancsak dimérképződés jön létre. Ez a reakciótermék jelenik meg UV besugárzás hatására in situ a kromoszómákban, mint pl. emberi bőrsejtek vagy lóhere-csíra esetén [69], továbbá ez a vezető fotoproduktum a kromoszóma-modellként tekintett T7 fág nukleinsavának sérülésében is [23, 83]. 19
A dimerizációs reakciót sematikusan a 3.2 ábrán mutatom be. Összehasonlításul a különféle konformációba rendezett pirimidin-bázisok polikristályos vékonyrétegeiben, az UV fény hatására keletkező fotoproduktumok hatáskeresztmetszetei láthatók a 3.3 ábrán [26]. Itt ugyancsak feltüntettük a különböző konformációjú nukleinsavakban a bázissíkok közti távolságokat is. H O N O N H CH 3 H + H O N O N H CH 3 H h h O CH CH 3 3 O N N N O N O 3.2 ábra. Timin-molekulák fotodimerizációs reakciója. Az 5-6 kettőskötések felhasadásával keletkezett produktum ciklobután típusú pirimidin-adduktum (dimér) A 3.3. ábrából látható, hogy a bemutatott kristályos szerkezetekben a pirimidin bázisok síkjainak egymástól való távolsága, ami a cikloaddiciós reakció szempontjából fontos, közel egyforma. Ezt jelzik az egyes strukturákra vonatkozó d értékek. A fotoreakcióban résztvevő 5-6 kettőskötések az uracil kristály esetében egymás fölött helyezkednek el, míg a különféle DNS-, RNS-strukturákban egymáshoz képest elcsavarodtak, így a polikristályos uracil szerkezete különösen kedvez a fotodimerizációs reakciónak. Az uracil UV-dimerizációs hatáskeresztmetszete ugyanis kb. két nagyságrenddel nagyobb, mint az optimálistól eltérő konformációjú szerkezetekben lévő pirimidinek hatáskeresztmetszete [26]. 20
O O O N N 6 5 6 5 N 5 CH 3 O N O uracil d~0.332 nm ~10-17 cm 2 /photon O N O O N N 6 6 N N 5 O CH 3 O CH 3 5 N N O N 6 O 5 6 N O thymin anhydrate d ~ 0.336 nm ~10-19 cm 2 / photon O N 5 6 O N O N uracil in RNA d ~ 0.317 nm ~10-19 cm 2 /photon N 6 5 N NH 2 CH 3 6 O O N N 5 O O N 6 N 5 6 CH 3 thymin in DNA-B d ~ 0.347 nm ~10-19 cm 2 /photon O N 5 NH 2 cytosin anhydrate d ~ 0.336 nm ~10-20 cm 2 / photon N 5 6 CH 3 thymin in DNA-A d ~ 0.345 nm not measured N O CH 3 5 6 N 3.3 ábra. Kristály és nukleinsav konformációk, d a molekulasíkok távolsága, a dimerizációs hatáskeresztmetszet [26] 21
A 3.4a ábrán germicid lámpával (=254 nm ) végzett besugárzás után az uracil vékonyréteg abszorpciós spektrumában bekövetkező csökkenés követhető nyomon. Az abszorpció-csökkenés a dimerizációs fotoreakció jele, és ez képezi az uracil vékonyrétegekkel végzett biológiai UV dozimetria kiértékelésének alapját. A 3.4b ábra az OD csökkenés kinetikáját mutatja az alkalmazott UV-dózis függvényében, ahol az OD-változás mértékét az abszorpciós spektrumok 275 nm-nél meghatározott változásával jellemezzük [34]. 0 J/m2 OD1 100 J/m2 0.8 200 J/m2 0.6 400 J/m2 0.4 800 J/m2 0.2 0 250 275 300 325 nm 350 a OD1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 200 400 600 J/m800 2 b 3.4 ábra. Az abszorpciós spektrum, illetve a 275 nm-es hullámhosszhoz tartozó értékének változása germicid lámpával történő besugárzás esetén Kromatográfiás eredményekből kitűnt, hogy az oldatból beszárított, illetve a vákuumeljárással készített és vízgőzben öregített uracil rétegekben 254 nm-es UV fény hatására létrejövő dimérek száma eltérő: a párologtatással készített rétegben 22
lejátszódó dimerizáció hatáskeresztmetszete jóval nagyobb. Ez a szárítással készült réteg esetén fellépő nagymértékű fényszórással, illetve a réteg önabszorpciójával magyarázható [25]. E vizsgálatok is rámutatnak arra, hogy az uracil réteg későbbi viselkedése és a reprodukálhatóság igénye miatt fontos a precízen megtervezett, jól kivitelezett vákuumpárologtatási és átkristályosítási módszer, valamint szükséges a vékonyrétegek elkészülte után a minőség ellenőrzése. Megjegyzendő, hogy az önabszorpció jelensége bizonyos vastagság fölött ( kb. 200 nm felett) a rétegben már nem elhanyagolható mértékű, és ezzel csökken az uracil vékonyréteg doziméter érzékenysége. A DNS alapú doziméterekre vonatkozó legfontosabb kritériumokat a BIODOS csoport foglalta össze [6, 8, 38]. Az uracil vékonyréteg dozimétert e kritériumok szerint megvizsgálva az alábbiakat állapítottuk meg. Az uracil dimerizáció spektrális érzékenységét a 3.5. ábrán vetettük egybe a T7 fág, a CIE szerint megadott bőrpír (MED) és DNS-sérülés hatásspektrumaival. Az összehasonlítás érdekében minden adatot relatív egységekben adtunk meg olymódon, hogy a spektrumokat a 280-320 nm tartományban illesztettük egymáshoz. Az ábrából kitűnik, hogy 300 és 320 nm között a T7 és a CIE szerinti [15] MED érzékenység teljesen együtt halad, az uracil érzékenysége ebben a tartományban kisebb, míg 280 és 300 nm között a T7 és az uracil érzékenység kb 1 nagyságrenddel nagyobb. Úgy véljük, hogy a bemutatott egybeesések alátámasztják az uracil doziméter biológiai relevanciáját. A biológiai doziméterek fontos kritériuma, hogy a doziméter által detektált biológiai hatás statisztikailag kiértékelhető legyen. Az uracil vékonyrétegben a molekulák száma nagyon nagy: 10 17 bázis/cm 2 (100 nm vastagságú rétegben). Így az uracil monomérek UV sugárzás hatására bekövetkező fotodimerizációja statisztikai eseményként tárgyalható. 23
relativ érzékenység 1E+00 1E-01 1E-02 1E-03 1E-04 1E-05 1E-06 280 300 320 340 360 Hullámhossz [nm] 3.5. ábra. Uracil dimerizáció (vastag), T7 fág inaktiváció (vékony), bőrpír (pontozott) és a DNS standard dimerizációs (szaggatott) spektrális érzékenységek összehasonlítása A biológiai doziméterek egyik jelentős előnye, hogy a besugárzott teljesítmény közvetlen súlyozását valósítják meg, így a dózismérés pontosságát nem befolyásolja az a pontosság, amivel a doziméter spektrális érzékenységét meghatároztuk. A spektrális érzékenység pontos ismerete azonban a biológiai dozimétereknek és a spektroradiométerek súlyozott adatainak összehasonlításánál elengedhetetlen. Uracil doziméter esetében a biológiailag hatásos dózist a (3.3) adja [34]: H U OD0 OD ln. (3.3) OD() t OD Az egységnyi uracil dózis tehát a vékonyréteg abszorpcióját az eredeti e-ed részére csökkenti. A (3.3) lineáris H U dózisskálát definiál, legalábbis a vékonyréteg telítési, OD értékéig. A skála nullpontjához ebben az esetben OD 0 tartozik, amit besugárzás előtt spektrofotométerrel minden egyes esetben meghatározunk. Bunsen és Roscoe reciprocitási törvénye kimondja, hogy a fotokémiai hatás mértéke csupán a sugárintenzitás és a besugárzás időtartamának szorzatától függ. A törvény valójában a primér fotokémiai hatásra érvényes és nem alkalmazható a másodlagos reakciókra. Eredményeink alapján az uracil vékonyréteg doziméter mind természetes, mind mesterséges UV források esetén egy 100-szoros intenzitástartományban teljesíti a reciprocitási törvény követelményét. Ez a 24
tulajdonság ami lehetővé teszi a racionális és gazdaságos kísérlettervezést, amit a terepen végzendő mérések igényelnek. Ugyanakkor alkalmassá teszi uracil dózismérőnket hosszútávú, nagyon távoli (55N 37S) földrajzi szélességeknél is monitorozásra. A DNS-alapú doziméterek spektrális érzékenysége hasonló a DNS sérülés hatásspektrumához, az eltérések részben a DNS szerkezetétől, részben a DNS-t körülvevő molekuláktól függenek. A DNS sérülése alapvetően két folyamat eredménye lehet, a fotonenergia vagy közvetlen módon a DNS-ben nyelődik el, vagy az UV fotont elnyelő molekula és a DNS között zajlik le a fotokémiai reakció. A lehetséges különböző primer folyamatok ellenére a hatásspektrumok 310 nm környékén egyaránt: 3-4 nagyságrendet változnak. Az uracil doziméter hatásspektrumát egy 2.5 kw teljesítményű Xenon-lámpából és Jobin-Yvon monochromátorból konstruált UV forrás segítségével határoztuk meg. A nyert eredményt a 3.6 ábrán az uracil doziméter spektrális érzékenységeként mutatom be. 3.6. ábra. Uracil vékonyréteg spektrális érzékenysége, a sraffozott területek mérési hibákat jelölnek [34] A hatásspektrumok meghatározása ill. a doziméterek hitelesítése monokromatikus fényforrás segítségével történik, ami felveti a különböző UV hullámhosszak hatásának függetlenségét és additivitását. 25
Mivel az uracil kristályban a besugárzás alatt nem mennek végbe anyagcserefolyamatok, a hullámhosszak kölcsönhatása (szinergisztikus vagy antagonisztikus) kizárható. Megállapítottuk, hogy a kísérletileg, több különböző polikromatikus UV sugárforrással, valamint a monokromatikus fénnyel meghatározott hatásspektrumok egymásnak megfelelnek [60]. Uracil vékonyréteget vákuumtechnikával állítunk elő, amit ellenőrzött páratartalom mellett egy átkristályosítási folyamat követ. Az uracil doziméter vastagságát a vákuumpárologtatás alatt, a spektrális jellemzőket az előállítási folyamat végén ellenőrizzük. Ezzel a kontroll eljárással az uracil vékonyréteg doziméter spektrális érzékenysége kézben tartható. Végső, átkristályosított alakban a doziméter hosszú ideig tárolható, spektrális jellemzőit korlátlan ideig stabilan megőrzi, hőmérsékleti stabilitása korlátozott: doziméterként 10és +70 C között használható [42, 43]. 3.5.2 Térszögtől függő érzékenység Számos in vivo és in vitro rendszerben vizsgálták az UV sugárzás hatására bekövetkező biológiai reakciókat. Ezekben a vizsgálatokban sugárforrásként a természetes UVsugárforráson kívül nagyszámú mesterséges UVA, UVB, UVC sugárforrást illetve ezek különböző kombinációit használták [28, 37, 47, 62, 67, 87, 97, 98, 119]. Általánosan elfogadott, hogy az UV dózist (J/m 2 ) effektív alakban fejezik ki, ami azt jelenti, hogy a besugárzott teljesítményt az éppen használt detektor/műszer egy adott hullámhosszra normált érzékenységével súlyozzák [56, 114]. A különböző dózismérők által meghatározott dózisértékek azonban egyébként azonos geometriai elrendezés és sugárforrás esetén is jelentősen különbözhetnek egymástól. Ezek a különbségek a különböző kísérleti/mérési körülmények, paraméterek kombinációival magyarázhatók. A doziméterekkel meghatározott értékeket ( a doziméterek kimenő jelét ) befolyásoló tényezők: a fényforrás emissziós spektruma (mind mesterséges fényforrás, mind napsugárzás esetén); a dózismérő spektrális érzékenysége; 26
a dózismérő térszögtől függő érzékenysége; a mérési összeállítás térbeli elhelyezkedése; A felsorolt tényezők miatt két különböző laboratóriumban a vizsgált biológiai rendszerek válaszai teljesen eltérhetnek egymástól még akkor is, ha bár azonos (J/m 2 ) effektív dózist mutatnak ki de különböző mérőberendezésekkel. A felsorolt befolyásoló tényezők ismeretében bizonyos, hogy a megfelelően megválasztott, alkalmas UV dózismérőn kívül a fényforrások és a kísérleti elrendezés is jelentősen befolyásolja a mérési eredményt. Bármely UV mérő kimenő jele u.i. a spektrális érzékenységnek a spektrális irradianciával súlyozott összege, tehát két különböző UV mérő kimenő jelének aránya egyrészt az eszközök spektrális érzékenységétől, másrészt a fényforrás spektrális irradianciájától függ. Két kimenő jel aránya tehát csak egy adott spektrális irradiancia mellett konstans [92]. Ez a megállapítás nemcsak a különböző mesterséges sugárforrások, hanem az egyetlen nap alatt is változó spektrumú napsugárzás esetére is igaz. A biológiailag hatásos UV dózis számolható a spektroradiométerek által szolgáltatott spektrális teljesítménysűrűségekből akkor, ha a vizsgált biológiai rendszer spektrális, valamint térszögtől függő érzékenysége ismert [51, 58]. Ekkor a biológiailag hatásos dózis számítási hibája több komponensből tevődik össze: a fizikai mérés hibájából, továbbá a biológiai rendszer spektrális és térszögtől függő érzékenységéből adódik. Az utóbbiakat kísérletileg határozzák meg, ennélfogva ezeket kísérleti hibák is terhelik. A kísérleti hiba csökkenthető akkor, ha biológiai doziméterként a vizsgálni kívánt biológiai reakciónak megfelelő biológiai rendszert, vagy annak modelljét használják [70, 83], ami a biológiai reakció és a doziméter spektrális és geometriai érzékenységének hasonlóságát biztosítja. Megjegyzendő, hogy a sugárzás térbeli eloszlása és a detektor térszögtől függő érzékenységének együttes hatása is nagymértékben befolyásolja a mért dózist [10, 11]. 27
3.6. Integrált optika és biofizikai alkalmazásai Az integrált optika a 60 -as és 70-es évek intenzív kutatásainak eredménye. Az optikai rendszerek tervezése évszázadokon keresztül nem változott abban a tekintetben, hogy nagy és nehéz komponenseket használt, amely gondos beállítást, rezgésmentesítést stb. igényelt. A modern (elektronikai) technológia igényei és eredményei hozták létre az integrált optikát. A vékonyréteg technológia, amely már uralta az elektronikát, lehetővé tette optikai eszközök és,,áramkörök kifejlesztését. Érdekesnek bizonyult ebből a szempontból, hogy valamely nagy törésmutatójú szigetelő réteg egyúttal ideális optikai hullámvezető is. Ez a körülmény lehetővé tette különböző optikai komponensek, például lézer, modulátor, detektor, prizma, lencse, csatolók stb. integrálását a rendszerbe [106]. Az integrált optika eredményei más területeken is alkalmazásra találtak. W. Lukosz és K. Tiefenthaler vizsgálatai kimutatták, hogy üveghordozóra felvitt hullámvezető film rácsos becsatoló helyének felhasználásával igen érzékeny nedvességadszorpciós, illetve molekulaadszorpciós integrált optikai detektor készíthető [54, 55, 103, 104]. A hullámvezető filmekben a fény a határfeltételek által megszabott, véges számú hullámvezető módusokban terjedhet. Egy adott módust polarizációja és effektív törésmutatója egyértelműen jellemez. A hullámvezető felszínén található molekulák a fizikai peremfeltételeket megváltoztatják, és ezáltal eltolják a hullámvezető módus effektív törésmutatóját. Az effektív törésmutató változása azt eredményezi, hogy a kérdéses módus gerjesztéséhez a film rácsos becsatoló helyét más szöggel kell megvilágítani. A szükséges szög pontos mérésével tehát a film egyik oldali határoló rétegéről nyerhetünk információt (törésmutató, adszorbeált réteg vastagsága stb.). Ma már ezen az elven több, igen érzékeny, molekuláris kölcsönhatások vizsgálatára is alkalmas biodetektor működik. 28
3.6.1. Hullámvezetők általános tulajdonságai Optikai hullámvezetőnek azokat a különböző anyagokból álló elrendezéseket nevezzük, amelyekben az egyik anyag törésmutatója nagyobb, mint a környező közegé, és ennek a nagyobb törésmutatójú anyagnak a mérete egy olyan tartományban helyezkedik el, ami összemérhető a fény hullámhosszával. (a) (b) (c) 3.7. ábra. Optikai hullámvezetők főbb típusai, (a) sík, (b) szalag, (c) szál A 3.7. ábra az optikai hullámvezetők leggyakrabban előforduló típusait mutatja, a nagyobb törésmutatójú anyagot feketével jelöltem. A hullámvezetőt alkotó anyagok általában dielektrikumok, de lehetnek fémek is. Ha egy p-n átmenetre záróirányú feszültséget kapcsolunk, akkor az elektronkoncentráció a kiürítési tartományban lecsökken, és ezáltal létrehoz egy potenciális hullámvezető réteget, tehát akár egy záró irányban előfeszített p-n átmenet is lehet optikai hullámvezető [106]. Bármely optikai hullámvezetőben a fény normál módusokban terjed. A normál módusok a differenciális Maxwell egyenletek megoldásai a megfelelő peremfeltételek 29
mellett. Az optikai hullámvezetőkben főként a nagyobb törésmutatójú közegben lehetőség van arra, hogy a fényenergia kis veszteséggel terjedjen. Ekkor a fény a hullámvezetőben csak véges számú módusban terjedhet. Ezeket nevezzük hullámvezető módusoknak, és m -el indexeljük, ahol m 0,1,2... értékeket vehet fel. A hullámvezető módus csupán a normál módusok egyik típusa [106]. Általános esetben a hullámvezető normál módusait elméletileg a következőképpen határozhatjuk meg. A különböző térrészekben megkeressük áram- és töltésmentes esetben a Maxwell egyenleteket kielégítő térerősség-eloszlásokat, majd a peremfeltételek által előírt módon a tereket illesztjük a térrészek határain. A Maxwell egyenletek direkt alkalmazása a legtöbb esetben kényelmetlen a szimultán megoldandó egyenletek nagy száma miatt. A megoldás lehet numerikus módszerek alkalmazása is, de főleg a hullámvezető optika fejlődésének kezdeti időszakában igen sok, a problémát egyszerűsítő modellt dolgoztak ki. Az optikai hullámvezető lineáris rendszer. Így mint minden más lineáris rendszer egyértelműen jellemezhető sajátfüggvényei és az ezekhez tartozó sajátértékek segítségével. A sajátfüggvények egymásra ortogonálisak, és teljes rendszert alkotnak. Hullámvezetők esetében a sajátfüggvények a normál módusok térerősségeloszlásai, a sajátértékek pedig az exp(i m x) fázisfaktorok, a sajátértékek nem elfajultak. Ezek szerint az optikai hullámvezetőben tehát a Maxwell egyenleteket és a határfeltételeket kielégítő tetszőleges megoldás a normál módusok szerint kifejthető. Az irodalomban gyakran a m mennyiséget nevezik az m-edik módushoz tartozó sajátértéknek [4, 106]. Ha -val jelöljük a fény körfrekvenciáját, akkor az kifejezés adja a fény fázissebességét a hullámvezetőben. Vákuumban terjedő síkhullám esetében c = 2/ a síkhullám vákuumbeli hullámszáma, ezt k-val jelöljük, /k pedig a síkhullám fázissebessége a vákuumbeli terjedés irányában. Ha körfrekvenciájú síkhullám n törésmutatójú dielektrikumban terjed, akkor hullámszáma nk, terjedés irányú fázissebessége pedig (nk). A fázissebességek hányadosa n. A hullámvezető optikában fontos mennyiség az m-edik módus effektív törésmutatója N m, ami definíció szerint: N m m (3.4) k 30
A (3.4) szemléletesen az frekvenciájú fény vákuumban és hullámvezetőben mért fázissebességének hányadosát jelenti. Az optikai hullámvezetők egyik legismertebb formája az optikai szál, itt az információtovábbítás egy csatornájának egy hullámvezető módus felel meg. A kábeltelevíziós és számítógép hálózatokat szerte a világon optikai szálak felhasználásával építik ki. Alkalmazásuk az optikai hírközlés és az optikai adattárolók robbanásszerű elterjedésével mindennapossá vált [1, 132]. A 3.8. ábra a hullámvezetők alkalmazási területeit foglalja össze. hullámvezető alkalmazások optikai információtovábbítás integrált optikai alkalmazások magnetooptikai akusztooptikai chipek elektrooptikai chipek chipek (bio)detektor chipek 3.8. ábra. Hullámvezetők legfontosabb alkalmazási területei Az optikai hullámvezetők fejlesztésének egyik célja a vezetett jelek csatolása, modulálása, kiosztása. A fejlesztés másik iránya olyan egyetlen kisméretű hordozóra (szubsztrátra) felvitt komplett hullámvezető rendszer kialakítása, amely alkalmas valamely jelfeldolgozási feladat elvégzésére. Mivel a hordozó általában sík lap, és a fenti elrendezésekben a fény a planáris hullámvezető síkjában terjed, ezeket az 31
elrendezéseket planáris integrált optikai (IO) rendszereknek nevezzük. (Röviden: integrált optikai rendszerek.) A továbbiakban ezekkel foglalkozom részletesebben. 3.6.2. Optikai bioszenzorok Az integrált optika kialakulása az 1970es évek elejére tehető, ami megalapozta az optikai bioszenzorok kifejlesztését. Az integrált optikai elrendezésekben egy kisméretű sík lapra (szubsztrátra) optikai elemeket visznek fel, és a különböző optikai komponenseket hullámvezető filmekkel kapcsolják össze. Ezáltal biztosítják a fény folytonos terjedését egyik optikai elemből a másikba. Ma már szinte minden három dimenziós, más szóval tömbi optikai elemnek létezik integrált optikai megfelelője. A hullámvezető filmekből kialakított lencsék, prizmák, rácsok stb. az integrált optikai elrendezések passzív komponensei. Az integrált optikai elrendezésekben a tömbi optikától eltérően a fény csak a planáris hullámvezető síkjában terjed. Élve az integrált optika és az integrált elektronika közti nagyfokú analógiával, ezeket az elrendezéseket gyakran chip -ként emlegetik. Az integrált optika által adott egyik fontos lehetőség a miniatürizálás, ami által optikai eszközeink a modern technikával kompatibilissé válnak. Az akuszto-, magneto-, elektrooptikai kristályok, p-n átmenetek, heterostruktúrák alkalmazásával készített integrált optikai elemek sokkal hatékonyabbak, mint tömbi megfelelőik. Ennélfogva bizonyos alkalmazásokban az optikai hullámvezetők szinte teljesen kiszorították a hagyományos optikai elemeket [106]. Az integrált optikai chipeknek számos típusa létezik, ilyenek például az akusztooptikai chip, amit főként spektrumanalízisre használnak, a különféle biodetektorok, amelyek a biológiai szelektivitást és érzékenységet a modern technológia eredményeivel kombinálják, és így sokoldalú, hatékony eszközként szolgálnak a biológiai kutatásokban, valamint a mindennapos analitikai vizsgálatokban [108]. Az optikai biodetektorok a különböző közegek határfelületein létrejövő fényvisszaverődésen alapulnak. Optikai biodetektorokkal végzendő mérések többféle 32