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RADIOMODIFICADORES
Os radiomodificadores podem ser:
radioprotetores
radiossensibilizadores
RADIOPROTETORES
1. Desenvolvimento de drogas radioprotetoras.
2. Blindagens.
3. A prática tem demonstrado que eles são eficientes “antes da
exposição”.
4. Surgem ocasiões em que a “exposição” é inevitável
(descontaminações de fallout, limpeza de áreas com acidentes
radioativos
Características dos radioprotetores
1. Dar proteção reduzindo o efeito da radiação por um fator de 2 pelo
menos. Ser facilmente auto administrado, de preferência via oral.
2. Tempo de ação longa. Ex: em camundongos o WR - 2721 dura cerca
de 4 horas com uma única injeção.
3. Deve ser bem tolerado e não interferir com o comportamento.
4. A droga deve produzir um mínimo de efeitos secundários, não
acumular e produzir efeitos tóxicos irreversíveis.
5. Deve permitir o seu armazenamento durante 2 - 5 anos e serem
estáveis em condições adversas.
Perspetiva Histórica
1. Primeira experiência aconteceu na década de 50. Grandes doses de Cisteína, I.V. em
ratos; 15 min antes da dose letal de RX. Sobrevivência foi .
2. Época de grande investimento militar na área nuclear.
3. Após o 1o. Experiência organização de grupos para estudos.
4. Testou-se o MEA (B mercaptoetilamina) que foi efetivo em baixas doses.
5. A partir daí obtenção de novas drogas parecidas
6. 1950 surge a AIEA e surgem programas de estudo que levaram ao aparecimento
do AET S-(2 – aminoetil)-isotiouronium.
7. De 1957 1973 cerca de 4400 compostos foram desenvolvidos, a maioria
aminotióis e derivados.
8. Neste programa WR 2721 efetivo.
9. Outros estudos continuam sendo feitos
Mecanismo de ação da radiação
- direta
- indireta (radicais)
alvos: DNA, proteínas, membranas
Escala de tempo - pico segundos até horas
Os radioprotetores podem agir em qualquer evento, mas o tempo
mais curto de ação seria 10-9 s após irradiação.
Eles agem por competição
Mecanismo de Radioproteção
- Radioprotetores não podem prevenir os efeitos extremamente
rápidos da radiação.
- Mas devem agir na ação indireta da radiação separando os
defeitos agindo em três níveis:
- nível molecular
- nível fisiológico - bioquímico
- nível de órgão
MECANISMOS
Nível Molecular
- Scavenger radicais livres
- Doação de hidrogénio
- Ligação a alvos biológicos críticos
- Formação de pontes S mistas
Nível Bioquímico - Fisiológico
- Hipóxia : pode agir
Interfere na entrada de oxigênio por alterações cardiovasculares
Bloqueio da Hb
uso do O2 pelo tecido
Induz hipóxia local por reações bioquímicas
Deprime os centros respiratórios
-Sulfidril não protéico
Já existe na célula (endógeno) glutationa
- Choque Bioquímico
Usado para descrever mudanças bioquímicas que ocorrem quando a célula se adapta
ao aumento da concentração de tióis radioprotetores.
Pontes S-S entre radioprotetores e membranas alteração estrutural grande na
mitocôndria e outros organitos, seguida por alterações bioquímicas , que inclui:
glicogenólise no fígado
glicose, síntese protéica
síntese do DNA
divisão celular
A síntese do DNA e da divisão celular aparece com os radioprotetores tempo
para a célula se reparar.
- Hipotermia
T radioresistência
Nível de Órgão
Estímulo à recuperação da população celular. Renovação dos steam cell.
SCREENING DE RADIOPROTETORES
Letalidade de mamíferos em geral camundongos
Fatores que afetam:
- escolha do animal
- toxicidade e via de administração
- dose, taxa de dose
- qualidade da radiação
- tempo entre a droga e a radiação
Critérios de Avaliação
1. Redução de dose DrF
LD 50/30 animais protegidos
LD 50/30 animais não protegidos
Ex: DrF = 3,0 animais sobrevivem a doses 3 vezes maiores
2. Análise de Nódulos no Baço
Recuperação do irradiado é acompanhado por nódulos no baço.
O número é inversamente proporcional à dose
3. Cultura de Tecidos
Atividade das células de se reproduzirem
DrF =
Toxicidade Dose de
DL 50 Proteção
Composto (mg/kg) (mg/kg) DRF
Cisteína 1700 1200 1,7
MEA B mercaptoetilamina 200 150 1,7
Cistamina 220 150 1,7
AET S-(2 – aminoetil)-isotiouronium 480 400 2,1
WR 638 1120 500 2,0
WR 2721 950 500 2,7
WR 3689 1120 450 2,2
WR 77913 3574 2200 2,0
WR 151327a 785 315 1,9
Mercaptopropionilglicinab 2100 20 1,4
Glutationa 4000 4000 1,3
Dados obtidos pela exposição de camundongos expostos a radiação gama ou X.
Composto injetado i.p.,com exceção da cisteína – i.v.aPromove substancial proteção para irradiação por neutrões.bPromove significativa proteção quando tomado após exposição.
Radioprotetores aminotióis
COMPOSTO FÓMULA ESTRUTURAL
NH2CHCH2SH
COOH
NH2CH2CH2SH
NH2CH2CH2SSCH2CH2NH2
NH2CH2CH2SC
NH2
N
HNH2CH2CH2CH2NHCH2CH2SPO3H2
CH3NHCH2CH2CH2NHCH2CH2SPO3H2
CH3NHCH2CH2CH2NHCH2CH2CH2SPO3H2
Cisteína
MEA
Cistamina
AET
WR 2721
WR 3689
WR 151327
1. Cisteína
DrF = 1,7 – i.v.
1200 mg/kg camundongo
efeito i.p.
sem efeito oral
2. MEA - Mercaptoetilamino (-CO2 da Cys)
DrF = 1,7 – i.v.
150 mg/kg camundongo
melhor que Cys quando i.p.
tem proteção oral
3. AET
DrF = 2,1 – i.v.
400 mg/kg camundongo
1 dose proteção de 6 horas
baixa proteção oral
4. WR 2721 – Ácido S-2-(3-aminopropilamino/etilfosforotioco)
DrF = 2,7 – i.p. camundongo
Duração aprox. 3 horas
Farmacocinética
Metabolismo - NH2CH2-CH2-CH2NHCH2-CH2S-PO3H2 WR 2721
Ação de fosfatases NH2CH2CH2CH2NHCH2CH2S WR 1065
NH2CH2CH2CH2NHCH2CH2S WR 32278
T1/2 = 10 min - parte CLEARANCE
T1/2 = 1 hora - outra parte WR 2721 marcado
2
Biodistribuição
- Fígado, rim, glândulas salivares
- Intestino delgado, baço
- Cérebro, coluna, tumores sólidos
Máxima concentração : 15 min
Permanece constante de 60 – 90 min
Proteção não correlacionada com a concentração
TECIDOS PROTEGIDOS OU NÃO PELO WR 2721
PROTEGIDOS NÃO PROTEGIDOS
Sistema imunológico cérebro
Medula óssea espinha
Fígado
Pele
Testículos
Glândulas salivares
Intestino delgado
Cólon
Pulmão
Rim
Esófago
Mucosa oral
o WR 2721 não
atravessa a barreira hematoencefálica
O WR 2721 não protege células tumorais em ratos ou camundongos.
804020
1200
fígado
soro
tumor
WR 2721
conc. mM
A eficiência dos radioprotetores rapidamente com o do LET
LET = ação direta ação indireta
Cys = Drf = 1,1 para neutrões
1,7 para g
WR 2721 = Drf = 1,41 para neutrões LD 50/30
1,32 para neutrões LD 50/7
Outros RadioprotetoresComposto Efeito Provável mecanismo de ação
protetor
Composto contendo enxôfre Mecanismo de radicais livres
Dimetiltiocarbamato (DDC) 3 Complexo
Dimetilsulfóxido (DMSO) 2
Tiouréia 1
Derivados de cianetos Hipóxia
Cianeto 2
Hidroxiacetonitrila 3
Manolonitrila 2
Agentes quelantes Desconhecido
EDTA 1
Metabolitos Captura de radicais livres
Glicose 1
Frutose 2
a-cetoglutarato 1
Indutores de hipóxia Hipóxia
Paraminopropiofenona 3 Mudanças na hemoglobina
Monóxido de carbono 2
Etanol 2 Depressor do centro respiratório
Morfina 2
Reserpina 2
Serotonina 3 Alterações hemodinâmicas
Histamina 2
Imunomoduladores Recobrimento do sistema hemopoiético
Glucan 1
Endotoxina 1
Azimexon 1
Levamisol 1 Complexo
Antioxidantes Mecanismos de radiacis livres e
Vitamina E 1 metabolismo do oxigênio
Vitamina A (b-caroteno) 1
Superóxido dismutase 3
Selênio 1
Imuno - moduladores
1. Naturais
- Interferon, BCG, C. Pavrom, Glucan, Endotoxina bacteriana,
Interleuquinas
DrF 1,4
2. Sintéticos
Azimexon % sobrevida 56 % camundongos
Levamisole antioxidante, com S
Proteção Endógena
Radicais livres aparecem in vivo
processos metabólicos normais, respiração aeróbica. Inflamação,
metabolismo de drogas, detoxificação.
radioatividade natural mecanismos de defesa contra radicais livres
Compostos de M.M.
Vitaminas Vit. E protege membranas
Vit. A scavenger de O2
Vit. C solúvel em H2O e sacavenger em comp/ com H2O
Glutationa (GSH) – glutamato – Cys – Gly é radioprotetor
sol. em água
RADICAL LIVRE LIPÍDEOS, PROTEÍNAS
REAÇÕES NO DNA
REAÇÕES DE ABSORÇÃO
TOCOFEROL
ASCORBATO
BETACAROTENO
GLUTATIONA
DEFESA
ENZIMÁTICA
Enzimas
GSH co-fator de Glutationa peroxidase [H2O2]
Catalase idem
SOD – Superóxido dismutase
20% 1 H2O2 + O2
SOD em ratos DrF = 1,56
Vit. E na dieta sobrevivência
Selénio ratos 30 dias sobrevivência
O-2 CELULAR
SUPERÓXIDO
DISMUTASE
Cu
Zn
O2 + H2O2
H2O + O2
CATALASE
GLUTATIONA
PEROXIDASE
SELÉNIO
GLUTATIONA
REDUTASE
GSH GSSG
TRATAMENTOS SIMULTÂNEOS
1. Efeitos cinergéticos tem sido observado 5-metoxitriptamina
(MOT-DrF = 1,6) + AET (DrF = 1,65)
LD50/30 camundongos = 500 10,25 Gy DrF = 2.05
2. Cys (Drf = 1,35) + AET (DrF= 1,65) DrF = 2,15
3. AET + glutationa + serotonina + MEA + Cys DrF= 2,8
4. MPG – 2-mercaptopropriorilglicina
MPG + camundongo após 4h 9Gy (DL 500%) 58% sobrevida
MPG + camundongo após 24h idem 17% sobrevida
FATORES QUE DEVEM SER CONSIDERADOS
1. Modelo animal
A resposta à irradiação depende do animal. O camundongo é o mais usado.
Outros fatores: estirpe, sexo, idade, saúde geral.
2. Toxicidade da droga
É necessário conhecer a toxicidade da droga usada. Após obter DL10 ou DL50, usa-
se 1/2 ou 2/3 da dose
A via + usada i.p.
A via i.v. é usada toxicidade
A via oral não deve ser usada
3. Radiação
A dose e taxa de dose devem ser conhecidas
Calcula-se DL50/30 ou DL100/30
Taxa de dose 0,4 – 2 Gy/min
Radiação de LET são as mais usadas
4. Tempo de Pré – Exposição
O intervalo entre a administração e a irradiação é variável.
Para a maioria – tempo de melhor resposta 15 a 60 min antes da irradiação
5. Tempo Pós – Irradiação
Em geral 30 dias
Para a síndrome gastrointestinal usa-se 10 Gy 6 dias
30 Gy 2 dias
RADIOSSENSIBILIZADORES
Células hipóxias são importantes para a radioterapia
Desde 1920: tecidos irradiados na ausência de O2 são 2,5 a 3,0 vezes mais
resistentes
1953 / 55: Gray e col. Mostraram o “modelo de hipóxia em tumores”
100 – 150mm células hipóxicas viáveis do vaso sanguíneo)
São células cronicamente hipóxicas diferentes das “células agudas hipóxicas”
decréscimo de sangue temporário
Experimentação com células hipóxicas
a) Interrupção dos vasos que irrigam o tumor
b) Morte de animais antes da irradiação
10,5
1,0
Fra
ção
de
sore
vid
a
3000 dose rad
aeróbicaanimal respirando
hipóxia
Em células humanas tem-se a experiência em HBO (hiperbaric oxigen
therapy) – cancro de útero.
SOBREVIDA DE
FRAÇÕES HBO (%) AR (%)
06 frações 42
46
25 frações 50
30 frações 39
HBO é cara e difícil de usar. Daí a necessidade de radiossensibilizadores
1974 – ADAMS e col. - Nitroimidasois
MIS – Misonidazol é o melhor
- Funciona bem em animais e parece ativo em humanos
- Tem efeito secundário – neurológico
- Conc. no tumor é aprox. 20 mg/g muito baixo
- DEF (Dose Enhancement Factor) aprox. 1,1 a 1,3.
O ideal seria
- DEF aprox. 2,5
- Toxicidade 10x menor
- Ou 10 vezes mais eficiente com a mesma toxicidade
MELHORA DO MISONIDAZOL
- Fator eletroafinidade
- Substituição na posição 5 do MIS – tem sido promissor
- SR 2537 e SR 2553 são 10X menos tóxico com mesma radiossensibilidade
NO2
N
N
CH2CHOHCH2OCH3
MIS – eletroafinidade radiossensibilidade
Lipofilicidade
Farmacocinética
toxicidade
DL 50/8
17 mg/g
Lipofilicidade
Penetração noturna
Eliminação da droga
Neurotoxicidade
(DL 50/2 = 4,9) SR 2508 = CH2CONHCH2OH
(DL 50/2 = 8,9) SR 2555 = CH2CON(CH2CH2OH)2
T após adm.
Tum
or
em T
6
Co
nc.
mM
120 min
SR 2508
SR 2555
OUTROS QUIMIOSSENSIBILIZADORES
- Ciclofosfamida
- Melphalan (L-PAM)
- Benzonidazole
MECANISMOS DE QUIMIOSSENSIBILIZAÇÃO
1. da GSH (glutationa intracelular)
2. intracelular de “uptake” de L-PAM
3. ligação cruzada (cross – link) do DNA
MORTE
IRRADIAÇÃO: 20 Gy vários tempos após a droga com RX
CÉLULAS: CHO
DROGAS: 2 mmol / kg de DEM (dietilmaleato) e GSH (glutationa)
5 10 15 20 25 30
10-4
10-2
10
GSH
GSH2
N2 + 2x10-4 DEM
N2 + 2x10-7 DEM
Dose (Gy)
Fra
ção
so
bre
vid
a
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
Exemplos de materiais radioativos:
• Fontes Seladas (não há possibilidade de
contacto com o material radioativo):
- Fontes de calibração:
- Detetores de radiação
- Agricultura:
- Estudos de densidade e humidade do solo
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
Exemplos de materiais radioativos:
• Fontes Não Seladas (há possibilidade de contacto
com o material radiativo):
- Traçadores e marcadores:
- Atividade metabólica
- Marcação de DNA
- Fluxo de fluidos
Uso de marcadores no estudo do comportamento de insectos:
A marcação de insetos com radioisótopos é também útil para a
eliminação de pragas, identificando qual predador se alimenta
de determinado inseto indesejável. Neste caso, o predador é
usado em vez inseticidas nocivos à saúde.
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
Exemplos de materiais radioativos:
• Fontes Não Seladas (há possibilidade de contacto
com o material radioativo):
- Medicina Nuclear:
- Diagnóstico e terapia
- Naturais:
- Análises ambientais
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
MODOS DE EXPOSIÇÃO:
Irradiação Externa:
• Exposição à radiação emitida pela fonte.
- Estar próximo à fonte, considerando a energia de
emissão e o tipo de radiação
- Equipamentos emissores de radiação ionizante
- Fontes seladas
- Fontes não-seladas.
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
MODOS DE EXPOSIÇÃO:
Contaminação:
• Presença indesejável de material radioativo.
Contaminação Interna
• Incorporação de material radioativo por ingestão,
inalação ou absorção por contacto direto com a pele.
- Fontes não seladas
- Fontes seladas (pouco provável).
TIPOS DE FONTES E MODOS DE
EXPOSIÇÃO
EXEMPLO: CÉSIO-137
Características Gerais
• Fonte selada usada em radioterapia
• Cerca de 3000 Ci de atividade
• Envolucro de chumbo abandonada
• Cápsula que continha o Césio aberta
• Propagação da contaminação
• 6000 toneladas de lixo radioativo.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
FILOSOFIA DA PROTEÇÃO RADIOLÓGICA
Protecção dos indivíduos, de seus
descendentes, da humanidade como um
todo e do meio ambiente contra os
possíveis danos provocados pelo uso da
radiação ionizante.
FILOSOFIA DA PROTEÇÃO RADIOLÓGICA
• Estabelecimento de três princípios
básicos:
- Princípio da justificação
- Princípio da optimização
- Princípio da limitação de doses.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
JUSTIFICAÇÃO
Qualquer técnica que faça uso da radiação
ionizante tem que ser justificada em
relação a outras técnicas de modo a
produzir um benefício líquido positivo.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
JUSTIFICAÇÃO - EXEMPLOS
• Emprego de material radioactivo
luminescente em mostradores de relógio
• Uso de tomógrafo computadorizado (emissão
de raios X) ou de equipamento de ressonância
magnética para obter a mesma informação
diagnóstica.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
OPTIMIZAÇÃO
As exposições à radiação ionizante devem
ser mantidas “tão baixas quanto
razoavelmente exequível” (Princípio ALARA -
As Low As Reasonably Achievable),
levando-se em consideração fatores
económicos e sociais.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
LIMITAÇÃO DAS DOSES
Os limites de dose, tanto para
trabalhadores com radiação quanto para
indivíduos do público, devem ser
respeitados.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
LIMITAÇÃO DAS DOSES - FILOSOFIA
Os limites de dose foram estabelecidos para
evitar a ocorrência de efeitos determinísticos
(abaixo dos limiares) e minimizar as
probabilidades de ocorrência de efeitos
estocásticos a níveis considerados seguros.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
LIMITAÇÃO DAS DOSES - FILOSOFIA
• Indústria que não faz uso da radiação ionizante:
- Índices seguros: 1 morte para cada 10000
trabalhadores por ano.
• Uso da radiação ionizante:
- Dose cuja probabilidade de levar à morte
respeite os mesmos índices
- Fator adicional de segurança.
PRINCÍPIOS BÁSICOS DE
RADIOPROTEÇÃO
FATORES DE PROTEÇÃO
RADIOLÓGICA
• Tempo
- Exposição é instantânea
• O mito do “rapidinho” - caso do acidente
numa instalação de esterilização
- Quanto menor o tempo de exposição, menor a
dose.
• Blindagem
- Adequada ao tipo de radiação:
• Chumbo para Gama
• Acrílico para Beta
• Materiais hidrogenados para neutrões.
- A eficiência da blindagem depende da energia
da radiação incidente.
FATORES DE PROTEÇÃO
RADIOLÓGICA
Detetores de Radiação
Emissão de radiação g
Observar emissão de raios gamas
Identificar Fontes de raios gama
Detectar raios gamas
Observar espectro
Fontes de radiação gama
Cobalto 60Co
Césio 137Cs
Sódio 22Na
Interação Radiação-Matéria
Raios gama
átomo
Efeito Compton
Produção de Pares
A energia mínima para que ocorra a
formação de um par eletrão-positrão
é igual a soma das massas de
repouso de ambas as partículas
mec2 = 0.511 MeV. O positrão assim
formado geralmente aniquila-se
com um dos outros eletrões do meio
dando lugar a dois fotões de 0.511
MeV cada um.
2
02 cmh
Aniquilação do positrão
Detectores de raios-gama
•
Contador Geiger-Mueller (Detetor a gas)
Cintilador de Iodeto de Sódio NaI(Tl)
Germânio Ge
Contador Geiger-Müller
Cintiladores
Foto
multiplicadora
Cintilador de NaI(Tl)
Banda de condução
Banda de Valência
Fotomultiplicadoras
Espectros
Aquisição de sinal
Espectro g do 137Cs
0 100 200 300 400 500
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Cs 137
Co
nta
ge
ns
Canais
Espectro g do 60Co
100 200 300 400 500 600 700 800
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
Co 60
Co
nta
ge
ns
Canais
Espectro g do 22Na
Radiação de Fundo
0 250 500 750 1000
0
250
500
750
1000
1250
1500
1750
2000
2250
2500
FundoC
on
tag
en
s
Canais
Eficiência da deteção
Calibração de energia
Câmara para radiação gama
Técnica
• uma substância com um
isótopo radioactivo é
administrado no paciente
• a radiação emitida é
utilizada para localizar a
quantidade de substância
recolhida pelo tecido
• foto detector híbrido
• Imagem 2D
• muito rápido (10 ns)
Desenhado para experiências da Física de Altas Energias
Detector ISPA - Imaging Silicon Pixel Array
10 cm
Elementos do detector:
• colimador
• cristal cintilador
• tubo ISPA
• electrónica de leitura
• software de imagem
O detector ISPA
Colimator
Colimador
Colimador paralelo de tungsténio
Diâmetro furos = 0.6 mm
Espessura septa = 0.15 mm
Cristal cintilador YAP:Ce
YAP:Ce - Yttrium Aluminium Perovskite dopado com Cerium
YAlO3:Ce
Linearidade em energia do tubo ISPA
Photon Energy
analog readout
information
2D image
digital readout
information
Interior do detector
2048 pixels
Placa
RD19/W3
Distribuição
de voltagens
Pre-ampPlaca
trigger
HV ISPA
Tensão det
PCCâmara
ISPA
Equipamento existente/disponível
Módulos/placas comerciais a adquirir
Placas para serem desenhadas e manufacturadas
25 kV
70 V
sinais analógicos
sinais digitais
sinais PCIlinhas de tensão
Placa
VME
Esquema electrónico
3 holes of 1mm
Resolução em energia
Resolução espacial
8 mm
6 mm
Desempenho
128 x 16 pixéis
Alvo de chumbo
Resolução espacial
128 x 16 pixéis
Imagem não processada
Imagem processada
6 mm
8 mm
Furos de 1 mm de diâmetro
distantes de 2 mm
x ~ 1 mm
Datação Radiométrica
Datação Radiométrica
• Iniciada em 1905
• Comparação do conteúdo de U e Pb deminerais
• Apesar de grosseiro o processo podia avaliaridades enormes
• Alvo de críticas por parte dos geólogos
• Apresentada por Arthur Holmes em 1931
• As técnicas atualmente envolvem a utilizaçãode espectrómetros de massa (a partir de 1940)
Espectrometria de massa
Decaimento exponencial
Decaimento exponencial
T1/2
Determinação do t1/2
N = N0 e-λt
– λ = Fração do isótopo que decai/unidade de tempo
– N= Número de átomos
– dN/dt = -λN
– dN/N = -λdt
– Ln N = -λt + C
– N0 = nº original de átomos
Determinação do t1/2
N = N0 e-λt
– para N = N0/2
–N0/2 = N0 e-λt
–½ = e-λt
•-Ln(2) = -λt
•T1/2 = Ln(2)/λ = 0.693/λ
Sequências de decaimento
• U-238 (4,5 x 109 anos) Th-234 (24,5 dias) Pa-234 (1,14 min.)
• dU-238 /dt = dTh-234/dt = dPa-234/dt etc.
• λ(U-238)*N(U-238) = λ(Th-234)*N(Th-234) = λ(Pa-234)*N(Pa-234) etc.
Ou…
• N(U-238)/t(U-238) = N(Th-234)/t(Th-234) = N(Pa-234)/t(Pa-234) etc.
Datação radiométrica ideal
• A (pai) B (filho)
– A decai apenas de uma única forma
– Não existem outras fontes de B
– Tanto A como B ficam no mesmo lugar
•Esta situação é difícil de verificar
–Decaimento de diversa formas (vários caminhos)
–Outras fontes de B
–Diusão, alteração ou metamorfismo
Potássio-Argon• K-40 , T1/2 1,3 milhões de anos
• K-40 Ca-40 (89%) ou Ar-40 (11%)
• Ca-40 e o único isótopo estável do Ca
• Decaimentos totais = 9 x átomos de Argon
• Argon é um gás nobre e quimicamente estável
• A única forma de aparecer em cristais é pordecaimento
Potássio-Argon
• Os átomos de Ar ficam aprisionados nas matrizes de material
• Possibilidade de perdas por alteração da estrutura ou térmicas
• Foi um dos primeiros métodos a surgir
• É o método menos estável
• Pouco usado em datações mais precisas
• Os minerais têm de conter K
– Feldspatos, Micas, Glauconite, Argilas
Argon capturado• Processo usado em rochas vulcânicas
• Ar capturado a partir dos fluidos de inclusão
• Pouco aplicado em rochas jovens
– Não aplicávela rochas metamórficas
– Resultados incertos em rochas vulcânicas muito antigas
• Cálculos efetuados a partir do traçado de isócronas
Isócrona de K-Ar
Datação por Rb-Sr
• Rb substitui o K, Sr o Ca
• Rb-87 Sr-87, t1/2 = 50 x 109 anos
• Problema: O Sr-87 primordial
• Usa-se o valor do Sr-86
• Se não houver Rb-87, Sr-87/Sr-86 é constante
• Se houver Rb-87, Sr-87/Sr-86 aumenta
• O Rb-87 também diminui
• Usa-se um diagrma isócrono
Diagrama Isócrono
Diagrama Isócrono Rb-Sr
Significado da razão Sr-87/Sr-86
No manto terrrestre a razão entre Sr-87/Sr-86 é = 0,703
• A razão há 4,6 mil milhões de anos = 0,699
• Mais Sr-87, maior decaimento do Rb-87
• Um valor inicial elevado de Sr-87 significarochas mais antigas = refusão da crostacontinental
Datação U-Th-Pb
U-238 Pb 206; T1/2 = 4.5 mil milhões de anos
U-235 Pb-207; T1/2 = 704 milhões de anos
Th-232 Pb-208; T1/2 = 13.9 mil milhões de anos
• Pb-204: estável
• Metodos
– Isocronas
– Concordia/Discordia
– Produtos de vida curta (Short-Lived Daughter Products)
Concordia/discordia
Concordia/discordia
Samario-Neodímio
• Sm-147 Nd-143 (T1/2 = 1,06 mil milhões de anos)
• Nd funde a temperature menor que o Sm
• Manto: pequena abundancia, relação elevada Sm/Nd
• Granito: Alta abundancia, baixa relação Sm/Nd
• Nd-144 = 24% de Nd
• Nd-144 T1/2 = 2.3 x 1015 anos
• Pode ser usado o método das isócronas com Nd-144 ou Nd-142 (estável, 22% de Nd)
O modelo CHUR(Chondritic Uniform Reservoir)
Modelo Nd-Sm
Datação Uranio-Tório
• U-234 Th-230 (80,000 anos)
• U-235 Pa-231, (34,300 anos)
• U é solúvel, Th e Pa não são
• Th e Pa precipitam nos sedimentos
Datação por luminescencia oticamenteestimulada
• Alteração na estrutura de diversos cristaispromovida por radiação
• Produção de locais de aprisionamento de eletrões
• Excitação por luz liberta os eletrões, que aodecairem é emitido um fotão
• A luz emitida é mais energética que a obtidapor fluorescência
• Mede-se o tempo de semi-vida
Isótopos Cosmogénicos
• Produzidos pela interação de partículas na atmosfera e nasuperfície terrestre
– C-14
– Be-10
– Cl-36
Datação por C-14
• N-14 + neutrão C-14 + H1
• Equilibrio entre produção e decaimento
• Proporção - 1 C14/1000000000000 C12
• C-14 é incorporado na cadeia alimentar
• Todos os organismos vivos têm C14
• Após a morte, pára a ingestão de C14
5730 anos
Datação com C-14 (Radiocarbono)
• T1/2: 5730 anos
• Intervalo: Séculos até 100,000 anos
• C-14 pode ser removido por dissolução, oxidação ou ação microbiana
• C-14 pode ser adicionado a partir de fontes“jovens”
• A produção de C-14 depende da atividadesolar
• A calibração pode ser feita com padrõesconhecidos. Usualmente aneis de árvores.
Datação com Berlio-10 • Produzido por raios cósmicos de alta energia
• O Be-10 é produzido na atmosfera terrestre pelobombardeamento do oxigénio e azoto por radiações cósmicasde alta energia
• T1/2: 1,51 milhões de anos.
• Dissolve-se na água da chuva
• Acumula-se na superfície da terra
• Pode também ser formado por bombardeamento com neutrões de C-13 durante uma explosão nuclear;
• É um marcador dos testes nucleares
Datação com Cloro-36
O Cl-36 é produzido na atmosfera a partir do 36-Ar por interações com protões provenientes dos raioscósmicos.
No subsolo é gerado principalmente a partir de processos de captura de neutrões pelo 35-Cl, ou porcaptura de muões pelo 40-Ca.
O 36-Cl decai para 36-S e 36-Ar
T1/2: 308.000 anos.
Marcador de água de solo
Também é formado nos teste nucleares efetuados no oceano
Análise por ativação neutrónica
Princípio
Princício do método
INCIDENT NEUTRON
TARGET NUCLIDE
COMPOUND NUCLIDE
RADIOACTIVE NUCLEUS
STABLE NUCLEUS
PROMPT GAMMA RAYS
DECAY GAMMA RAYS
g
g
b
X
CHARGED PARTICLE
PHOTON
Passos da análise:
Preparação da amostra
Irradiatiação
Medida da radiação gama
Historia
• Hevesy e Levi 1936: anunciam os princípio da
técnica
• Fontes de neutrões só aparecem nos anos 50 do
século XX
• Uso de detetores de baixa resolução
• Aparecimento dos detetores de alta resolução
• Alternativa à AAS, ICP-OES, ICP-MS
Varios tipes de Ativação
1. Usando partículas carregadas
2. Usando fotões de alta energia
3. Uso de neutrões - AAN
1. Análise porThermal neutron activation analysis
2. Análise por neutrões epitérmicos
3. Análise por neutrões rápidos
4. Análise por captura neutrónica usando ativação por fotões gama
Neutrões
• Térmicos 0.025 eV-0.5 eV
• Epitérmicos 0.5 eV-100 keV
• Rápidos 100 keV-25 MeV
Fontes de neutrões
a-emitter
Half life
Neutrons
s-1 Ci-1
emitted
average
neutron
energy [MeV]
227Ac 22 y 1.5x107 4
226Ra 1620 y 1.3x107 3.6
239Pu 2.4x104 y 1.4x107 4.5
210Po 138 d 2.5x106 4.3
Fontes de neutrões isotópicas - reatores
Fontes de neutrões
Fissão espontânea de actinídios:
252Cf (T1/2 2.6 anos): 3,76 neutrões de 1,5 MeV por evento
1mg 252Cf emite 2,28x109 neutrões/s
Gerador de neutrões:
Deuterões acelerados por um campo de 200 kV: 3H(d,n)4He
Neutrões monoenergéticos:
•14 MeV (reações por neutrões rápidos: (n,p), (n,α), (n,2n))
Fusors:
•1011 neutrões/s/ mA, fluxo de neutrões: 109 neutrões/cm2/s
Detetores
Espectrofotómetros gama:
Detetores de cintilação
Detetores de Ge(Li)
Detetores HP Ge
Quantificação
N: numero de isótopos interagidos
(E): secção transversal [cm2] a uma energia de E [eV]
(E): fluxo de neutrões por unidade de energia do intervalo [1/cm2/s/eV]
R: Velocidade da reação
Em reatores o integral é substituido por:
0
)()( dEEENR
0IR epithth
th: fluxo de neutrões térmicos convencionais [cm2]
th : Secção transversal do feixe de neutrões térmicos efetivos[cm2]
e: fluxo de neutrões epitérmicos convencionais[em cm-2 s-1 eV-1]
Io: Integral da ressonancia da secção transversal(na região
epitérmica), para 1/E do especto epitérmico [em cm2]
A∞=N
A = ( Iethth o) DSA
Nfm
rel
Avi
Atividade de um nuclídeo durante o tempo de medida:
NAv: Número de Avogadro
fi : Abundância isotópica
m : Massa do elemento irradiado
Arel : Massa atómica do elemento alvo
ti : Tempo de irradiação;
td : tempo de decaimento;
: constante de decaimento
S: Fator de saturação: S=1-e-ti
D: fator de decaimento: D=e-td
A actividade é determinada a partir da medida por:
N A f tP m g g
Np: área do pico, fg: abundância gama
: eficiência da deteção tm: tempo de medida
Combinando as duas equações a massa do elemento desconhecido pode ser calculado por:
meththiAv
p
SDtIffN
MNm
)( 0
gg
A concentração, c, é determinada a partir da
medida „m” e o volume/massa da amostra por:
c=m/V e c=m/G,
Padronização
• Método absoluto
Baseado no cálculo de “m”
Os parâmetros a serem medidos: Np, tm, ti, td
Parametros a serem determinados por calibração:
ε, φth, φe
Parâmetros otidos por tabela:
σth, I0, fγ, fi, λ, NAv, M
spspmspsp
sp
sp
m
p
sp
mtDS
NI
SDt
NI
I
Im
,
•Método relativo
Cada elemento é medido
contra um elemento padrão
que é irradiado juntamente
com a amostra
Parametros não usados:
ε, φth, φe, σth, I0, fγ, fi, NAv, M
Vantagens
• Sensibilidade, possibilidade de determinar elementos vestigiais
• Méthodo multi-elemento
• Pouco afetada pela matriz
• Não destrutiva
Desvantagens
• Necessidade de fontes de neutrões e de gama
• Dispendioso e nuclear