Altieri P. R., Mangiacotti M., Marchesani G., Chiaravalle A. E.
Centro di Referenza Nazionale per la Ricerca della Radioattività nel Settore Zootecnico-Veterinario, IZS Puglia e Basilicata, Foggia;
Key words: ESR Dosimetry, alanine, food irradiation.
ABSTRACT - Food irradiation is a technique based on the use of ionizing radiation (beams of electrons, X and γ rays) adopted to increase the microbiological safety and to extend the shelf life of a wide range of foods. Electron Spin Resonance (ESR) dosimetry with the amino acid alanine is the standard method used for both reference and transfer dosimetry. This study is aimed at characterizing a dosimetric system to control food irradiation process and to perform irradiation step required in analytical procedure such as thermoluminescence method.
INTRODUZIONE - La food irradiation rappresenta attualmente per l’industria alimentare un processo tecnologico in grado di soddisfare le esigenze di una adeguata conservazione degli alimenti elevando la fruibilità commerciale ed innalzando il livello della qualità igienico- sanitaria di quei prodotti trattati con radiazioni ionizzanti. Le normative europee vigenti in materia di food irradiaton prevedono che il limite massimo di dose assorbita, grandezza fisica che misura l’energia rilasciata dalla radiazione nella unità di massa, sia fissato a 10 kGy.
Attualmente sono a disposizione metodi di identificazione degli alimenti irraggiati di tipo chimico, fisico e biologico/ microbiologico sia di screening che di conferma in grado di stabilire se il campione sia stato sottoposto o meno al trattamento radiante. Tuttavia un limite è rappresentato dal fatto che tali metodologie non consentono, al momento, di rivelare la dose assorbita, e quindi una valutazione della conformità alla normativa vigente. Il rispetto di tale prescrizione è demandata alle verifiche effettuate direttamente negli impianti di trattamento da parte degli organi competenti (1).
A tal fine si stanno sviluppando metodi di identificazione quantitativi per la valutazione della dose erogata alle derrate alimentari durante il processo di trattamento. Elemento essenziale per lo sviluppo di tali metodi è la disponibilità di un sistema dosimetrico idoneo per il controllo del processo sperimentale della food irradiation, oltre che per l’effettuazione di una mappatura della dose all’interno del prodotto irradiato misurandone la distribuzione. Inoltre, per l’esecuzione corretta di alcuni metodi ufficiali per l’identificazione del trattamento radiante basati su tecniche di luminescenza quali la termoluminescenza e la luminescenza fotostimolata “calibrata” (2-3), è necessario ricorrere ad irraggiamenti a livelli di dose ben determinati con l’ausilio di sorgenti di radiazioni caratterizzate dal punto di vista dosimetrico (rateo di dose, profilo di dose, etc.). Fra i sistemi dosimetrici fisici esistenti (4) quello composto dalla combinazione spettrometro ESR ed alanina rappresenta, nel campo industriale delle alte dosi, un metodo di riferimento standard applicabile nel range energetico 0.1 – 28 MeV e range di dose da 1 a 105 Gy, ed è attualmente impiegato sia per la dosimetria nei processi industriali che in radioterapia. Il metodo si basa sulla misura della concentrazione dei
radicali liberi stabili prodotti in seguito alla esposizione del dosimetro (alanina) alle radiazioni ionizzanti, attraverso spettroscopia ESR. I vantaggi che risiedono nell’utilizzo di un sistema di questo tipo sono molteplici:
• robustezza;
• possibilità di realizzare dosimetri di piccole dimensioni e di diverse forme;
• proprietà equivalenti a quelle dei tessuti biologici; • lettura non distruttiva, pertanto si possono effettuare
misure ripetute;
• stabilità a lungo termine dei radicali liberi radio- indotti in determinate condizioni di conservazione (temperatura e umidità);
• buona risoluzione spaziale con sufficiente sensibilità e riproducibilità delle misure anche a livello di alcuni Gy.
Va precisato che la correlazione tra la concentrazione dei radicali liberi e la dose assorbita dipende, a parità di qualità del fascio, dalla configurazione dello spettrometro, dal tipo di dosimetro e dalla funzione dose-risposta dell’alanina. Secondo la procedura standard ISO/ASTM 51607-2004(5) i valori di dose assorbiti devono essere calcolati a partire da una curva di taratura, ossia dalla rappresentazione grafica della relazione matematica tra l’ampiezza del segnale ESR e la dose assorbita, ottenuta empiricamente per una data configurazione dello strumento, per un fissato set di parametri dell’ESR e per un dato tipo e lotto di dosimetri. Considerata la crescente diffusione di sorgenti di irradiazione ad azionamento elettrico (acceleratori di particelle e tubi radiogeni con energie < 300 keV) in alternativa ai tradizionali sistemi con radioisotopi (Cs-137 e Co-60), e l’incremento del numero di applicazione biomediche di fasci di radiazione, fotoni ed elettroni, di bassa energia, è quanto mai necessario ed urgente implementare e caratterizzare idonei sistemi dosimetrici nei suddetti range energetici. In tale lavoro vengono quindi presentati i dati preliminari relativi alla caratterizzazione di un sistema ESR-alanina nel campo di raggi X (d.d.p. < 150 kV) unitamente alle principali caratteristiche dosimetriche.
MATERIALI E METODI – L’apparato sperimentale utilizzato consta dei seguenti elementi: un lotto di dosimetri, un irraggiatore a raggi X ed uno spettrometro ESR.
I dosimetri utilizzati sono costituiti da pellet di alanina forniti dalla Gamma-Service Produktbestrahlung GmbH (lotto numero T020604) con le seguenti caratteristiche: diametro 4 mm; massa 65 ± 0.5 mg; altezza 3.0 mm. I pellet sono stati esposti a fasci di fotoni prodotti da un irraggiatore a raggi X della ditta RAD SOURCE Inc. Mod RS 2400. La lettura dell’ampiezza dello spettro è stata eseguita mediante uno spettrometro ESR modello EMX 113 della ditta Bruker, dotato di cavità risonante cilindrica ed operante in banda X. Come prima operazione tre pellet di alanina sono stati estratti dal lotto ed opportunamente identificati.
Successivamente sono stati posizionati all’interno di un portacampioni in alluminio di forma geometrica rettangolare da introdurre nell’irraggiatore in posizione fissa. I dosimetri, a loro volta, sono stati alloggiati in linea orizzontale rispettando la numerazione assegnata, per poter essere irraggiati al livello di dose previsto in maniera riproducibile. Dopo il trattamento i pellet sono stati conservati al buio per preservarli dalla luce. La lettura del segnale è stata sempre eseguita 24 ore dopo l’esposizione alla radiazione per consentire la stabilizzazione del segnale stesso: i dosimetri sono stati introdotti in tubi di quarzo suprasil di diametro interno 5 mm, puliti esternamente con salviette tipo “kimwipes”, per essere poi sottoposti a lettura con ESR. La fase di lettura strumentale ha previsto il posizionamento del tubo al centro della cavità e l’acquisizione dello spettro ESR adottando i parametri di registrazione riportati in tabella 1. Tabella 1 - Parametri di acquisizione dello spettro ESR
Potenza a microonde 5.33 mW Ampiezza di modulazione 1 G Campo di scansione 200 G Numero di scansioni 4 Costante di tempo 40.96 µs Risoluzione 1024
Gli stessi sono stati ottimizzati effettuando studi dell’intensità del segnale ESR variando sia la potenza a microonde che successivamente l’ampiezza di modulazione.
Per la misura della dose relativamente ad ogni singolo pellet, è stato scelto come parametro dosimetrico la misura dell’ampiezza picco-picco del segnale centrale (figura 1) dello spettro di alanina, essendo questa proporzionale alla concentrazione di radicali liberi presenti. Le misure sono state effettuate considerando otto valori di dose erogata (0.05, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 1, 2 kGy). Durante la procedura di irraggiamento, conservazione e lettura si è operato in condizioni di temperatura ed umidità il più possibile stabili (36,1% e 26,5 °C rispettivamente) dato che, l’ampiezza dello spettro può essere condizionata da tali fattori che costituiscono così una fonte di incertezza. Tutti i dati ottenuti sono stati registrati in un foglio di lavoro ed elaborati. In figura 2 è riportata, a titolo di esempio, la retta di taratura ottenuta per un dosimetro del set. E’ opportuno sottolineare che preliminarmente alla lettura dei dosimetri irraggiati è stata effettuata la lettura di un pellet del lotto non irraggiato (anche detto “bianco”). Infatti è possibile la produzione di radicali liberi in seguito a stress fisici durante il processo di lavorazione o ad azioni meccaniche esterne. L’ampiezza del segnale è risultata compatibile con il valore nullo atteso.
Figura 1 Spettro ESR di un dosimetro irraggiato a 0.5 kGy.
RISULTATI E DISCUSSIONE – Il lavoro presenta la metodologia ed i risultati per la caratterizzazione di un sistema dosimetrico alanina-ESR. Dal fit dei dati raccolti è possibile evincere un andamento lineare della relazione dose-risposta nell’intervallo di dose preso in esame (0.05÷2 kGy) per i dosimetri del lotto (figura 2). L’analisi dei dati relativamente alla variabilità dell’ampiezza del segnale ESR fornisce un valore medio di CV% di circa l’1 %, mentre il valore della riproducibilità delle misure è risultato pari a 2,3 %. In figura 3 viene riportato il confronto tra la curva di taratura di pellet irraggiati in laboratorio e quella ottenuta a partire dal set di pellet in dotazione, muniti di certificato di taratura ed irradiati a differenti dosi con una sorgente di Co-60. Tra le due curve è evidente una differente pendenza delle rette di taratura dovuta alla dipendenza della risposta in energia del segnale ESR dell’alanina ai due differenti valori delle sorgenti di radiazioni: Co-60 (1,25 MeV) e fascio di raggi X (< 150 keV). Per questo è opportuno effettuare una correzione del dato in funzione dell’energia. La stima del “fattore di correzione” risulta essere pari a 1,41 ± 0,04 nel range di dose assorbita studiato.
Figura 2 Retta di taratura di un pellet di alanina nel range (0.05÷2) kGy.
I risultati sperimentali confermano l’applicabilità del sistema dosimetrico ad alanina per studi nel settore della food irradiation, previa applicazione di opportuni fattori di correzione in funzione dell’energia del fascio di raggi X. Lo studio, inoltre, estende il campo di utilizzo dei dosimetri ad alanina a fasci di fotoni con energia inferiore a quelle riportate nei metodi standard (5), risultando in linea con quanto riportato in letteratura da altri autori (6-7). I risultati
preliminari sono incoraggianti e confermano l’opportunità di effettuare una caratterizzazione delle sorgenti di irradiazione al fine di assicurare la corretta esecuzione del processo di irraggiamento.
Figura 3 Curve di taratura di pellet di alanina irraggiati con sorgenti di C0-60 (linea continua) e RX (linea tratteggiata).
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
1) Decreto Legislativo n° 94 del 30 gennaio 2001, G.U. n° 79 del 4 aprile 2001.
2) UNI EN 1788, 2001 “Thermoluminescence detection of iradiated food from which silicate minerals can be isolated”. European Committee of Standardizzation,, Brussels.
3) Brussels.UNI EN 13751, 2009 - “Foodstuffs - Detection of irradiated food using photostimulated luminescence” European Committee of Standardizzation, Brussels.
4) Journal of the ICRU Vol 8 No 2, 2008, Report 80. Oxford University Press.
5) ISO/ASTM 51607-2004: Standard Practise for Use of an Alanine-ESR Dosimetry System.
6) A. Wieser and R. Girzikowsky, 1996. A Unique Calibration Curve for Alanine EPR Dosimetry System. Appl. Radiat. Isot. No. 11/12, pp. 1269-1275.
7) Robert B. Hayes, Edwin H. Haskell, Albrecht Wieser, Alexander A. Romanyukha, Byron L. Hardy, Jeffrey K. Barrus, 2000. Assessment of an alanine EPR dosimetry technique with enhanced precision and accuracy. Nuclear Instrument and methods in Physics Research A 440, pp. 453-461.