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Vorbereitende Messungen zur Bestimmung der Elektronenemission aus Goldnanopartikeln

12.12.2016

Bild 1: Simulierte Energiespektren aus einem Nanopartikel (Durchmesser 50 nm) emittierter Elektronen pro Photon einer Quelle mit einer maximalen Energie von 100 kVp.

Nanoskopische Strahlungsabsorber, wie beispielsweise Goldnanopartikel, versprechen durch Erhöhung der absorbierten Energiedosis Kontrast und Spezifität in medizinischer Diagnostik und Strahlentherapie zu verbessern. Es hat sich gezeigt, dass makroskopische Energiedosiswerte nicht die biologischen Effekte wiederspiegeln und eine Betrachtung der durch die Emission von Sekundärelektronen hervorgerufene, nanoskopische Dosisverteilung innerhalb einer Zelle notwendig ist [1].

Eine solche nanoskopische Verteilung kann mit Monte-Carlo basierten Simulationsrechnungen abgeschätzt werden. Die Rechnungen benötigen dabei einen umfangreichen Satz an Wechselwirkungsquerschnitten, der aber im unteren Energiebereich der emittierten Sekundärelektronen für die untersuchten Elemente noch sehr lückenhaft ist. Hierdurch ergeben sich große Diskrepanzen in den Ergebnissen verschiedener Simulationen. Zurzeit werden erste Vergleiche simulierter Dosisverstärkung und Elektronenspektren [2] innerhalb der EURADOS Arbeitsgruppen 6 („Computational dosimetry“) und 7 („Internal dosimetry“) systematisch durchgeführt. Bild 1 zeigt beispielhaft die emittierten Elektronenspektren nach Bestrahlung eines Goldnanopartikels mit einer elektronischen 100 kVp Brachytherapiequelle, die mit PENELOPE [3] und verschiedenen Optionen physikalischer Modelle in Geant4 Version 10.2p01 [4] berechnet wurden. Die bisher simulierten Spektren unterscheiden sich um mehr als eine Größenordnung im Energiebereich zwischen 20 eV und 2 keV (Reichweite bis zu 100 nm) und im Energiebereich zwischen 3 keV und 40 keV (Reichweiten 200 nm bis 30 μm) um mindestens einen Faktor 2. Die Unterschiede in den Spektren wirken sich direkt auf die berechnete radiale Dosisverstärkung aus und verhindern eine quantitative Bestimmung der radialen Dosis.

Um die Monte-Carlo Simulationen hinsichtlich der Genauigkeit für den Transport von Sekundärelektronen zu validieren und zu verbessern, werden die Elektronenemissionsspektren von Goldnanopartikeln für Elektronen-, Protonen- und Röntgenstrahlung gemessen. In Kollaboration mit dem Institut für Physikalische Chemie der Universität Hamburg und dem Universitätsklinikum Hamburg-Eppendorf wurden funktionalisierte Goldnanopartikel synthetisiert, im Elektronenmikroskop charakterisiert und auf wenige Nanometer dünne Kohlenstofffolien aufgebracht. Diese Folien wurden mit Elektronen der Energien von 0,1 bis 5 keV und mit Protonen der Energie 105 keV bestrahlt und die Emissionsspektren winkelabhängig aufgenommen. Die Messungen wurden mit Ergebnissen an Folien aus reinem Gold und reinem Kohlenstoff sowie mit Simulationsergebnissen verglichen.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Simulationen die Wechselwirkung der Elektronen in Kohlenstofffolien recht gut beschreiben. Der Elektronentransport in Gold und der Transport der niederenergetischen, aber biologisch wirksamen Protonen werden in allen untersuchten Folien allerdings ungenügend behandelt. Die gemessenen Emissionsspektren sollen dazu dienen, die Datenbasis der Monte-Carlo Simulationen für Berechnungen mit Goldnanopartikeln für klinische Photonenfelder und für biologisch hochwirksame Protonen zu validieren und zu verbessern.

Literatur

  1. S. J. McMahon, et al., Sci. Rep. 1, 18 (2011)
  2. W. B. Li, et al., Proc. SPIE 90331K (2014)
  3. F. Salvat, PENELOPE2014, NEA-1525, NEA/NSC/DOC(2015)3
  4. S. Incerti et al., Nucl. Instrum. Meth. B 372, 91 (2016)

Ansprechpartner
Opens window for sending emailB. Rudek, Fachbereich 6.5, Arbeitsgruppe 6.53,
Opens window for sending emailM. Bug, Fachbereich 6.5, Arbeitsgruppe 6.53