在核能开发利用或核战争条件下，都不可避免会发生人员意外遵受核辐射损伤事故。准确测定受核损伤人员的受照剂量, 是对核事故病人应急处理和有效救治的前提保障，也是核辐射剂量研究领域的重要课题。随着核能源与核技术的广泛应用，建立一系列系统客观的辐射剂量测定分析方法，很具现实意义。

在意外电离辐射事故中，多数受照者通常没有佩戴可做为辐射剂量客观判据的个人剂量计。因此，宜接测量受照者自身生物样品或其随身携带物中与辐射剂量相关的特性，从而获得受照剂量信息，这在事故剂量分析方法的研究中，就显得更为重要。完成上述目的主要测量方法有两种-物理方法和生物方法。

Brown和Mcneil曾报导了用生物方法估计吸收剂量^[1]。它主要是根据受照者自身的谙如细胞和染色体崎变等信息来对吸收剂量进行估计。1988年美国科学家用新式双激光流式细胞仪对红细胞膜中的血型糖蛋白进行基因解码^[3]，通过对辐射后的受损细胞及其分裂增殖后的子细胞计数来探测受照损伤程度，从而估计受照剂量。用此法能查得在40年前受照人员的辐射损伤信息。但是用单纯的生物方法进行剂量估计又具有许多内在缺点，因生物存在诸如饮食习惯、健设状况和免疫功能不同等个体差异，且这些差异较复杂，并会直接影响到实际受照剂量与观察数据之间的关系，造成了剂量估计偏差增大。而且生物方法只能对全身平均剂量给以评估，难以获得关部位和器官的剂量信息。近年来，用热释光等纯物理方法进行事故剂量测量的研究报道较多，也有实际应用的实例，这类纯物理方法的检测灵敏度和精度较高，且不受生物个体差异的因素影响，但其检测样品过于单一，只能利用手表红宝石，而在突发事故中和机械手表日益被电子表所取代的今天，都限制了此法的实际应用机会。而且这类方法测量过程复杂，信号稳定性也不好，不能重复测量。因此，这类方法也不能完全满足事故剂量分析的客观要求。

ESR(电子自旋共振)技术可将生物和物理方法相结合，是用生物物理方法进行事故剂量分析的可行方法之一。它保留了上述方法各自的优点，并具有取样范围广，信息客观性强，某些信号成份稳定性好，可重复测量，实验检测和数据分析方法多等特点。因此，更具有实际应用的优越性。

一 测量原理^[3]

物质中的电子绕原子做轨道运动及电子自旋所产生的轨道磁矩和自旋磁矩，是分子顺磁性的来源。生物组织及生命过程普遍存在的自由基及某些固体材料中的晶格缺陷等，都有顺磁性。ESR技术是研究具有顺磁特性物质的最灵敏、最直接的方法。

顺磁性粒子发生共振时，将产生塞曼能级的跃迁，表现为对外界能量的静吸收。假设吸收宽度不很宽，理论上共振过程的总吸收强度P与自旋粒子数N间有下列关系：

式中N是自旋粒子总数，g是波谱分裂因子，S是自旋量子，其本征值为±1/2, T是绝对温度。

可见，通过测定物质的电子自旋共振吸收强度，可以确定该物质中的自旋粒子数目。理论上辐射诱发的顺磁性物质产额与辐射剂量是直线相关性的^[4]。因此，通过测定被照物中辐射引发的自旋粒子数。可得到该物质吸收剂量的信息。有机物及一些生物固体材料、晶体材料、高分子材料等受电离辐射后，会因电离作用产生电子或空穴，形成自由基或晶格缺陷，形成顺磁中心。生物体内及日常生活中存在大量这类物质。如骨、牙、头发、指甲、塑料、纤维、食品、玻璃、石英等等^{[1, 5]}。这为ESR方法在辐射剂量分析中的应用奠定了广泛的样品采集基础。

二 研究现状

用ESR技术进行辐射剂量分析的研究开始于五十年代。Gordy等人最先做了这方面试验^[5]。他们测试了十几种有机化合物及生物材料。包括头发、指甲、牛皮，生丝、鱼鱗、骨头、蛋白质、糖化物、丙氨酸等多种氨基酸。发现这些物质都具有辐射诱发自由基的性质。Brady等也用人体材料做了剂量测量的研究^[6]。试验样品以骨和牙为主，在9 -300Gy范围内可以得到较好的顺磁信，强度-剂量响应特性曲线。其中牙的可测剂量下限可达0.8Gy。骨组织与牙齿的剂量响应特性相似，但可测下限和检测精度都不如牙齿。指甲照后含有一较易检测的信号成份，但15小时后信号衰变较复杂，在获得骨、牙较困难时，指甲也可能被利用。图 1示出了大鼠牙齿样品的ESR信号相对强度对剂量的响应曲线。

人身的某些佩带材料也可给出较好的ESR信号-剂量特性，Toshiyuki等对塑料钮扣、聚乙稀粉、有机玻璃、纸和羊毛等做了研究^[3]，实验证实，如在照后一周内取样，得到室温下可估计剂量下限为1 Gy左右。通过计算某些样品中不同组份自由基的比值及时间衰退性，可确定受照时间和推算剂量值。图 2是高分子材料照后诱发自由基的时间衰退性。

五十年代开始的利用辐射对骨材料实施灭菌^{[7, 8]}以及用骨中的顺磁成份测定年代等工作^[9], 使得对骨组织的ESR检测研究相对较多。Stachowicz等曾系统地做了脱蛋白后骨粉用于福射剂量监测的实验。将牛骨粉用4000Gy以上γ射线照射后，脱去蛋白，用ESR方法分析其相应顺磁特性变化。用DPPH标准样品对信号进行校正。得到的剂量估计误差小于±5%。对人骨脱蛋白骨粉，脱矿物质骨粉，以及人工合成羟基磷灰石和胶原等物质的ESR特性也进行了分析^[10]，在室温下，骨中无机物产生的非对称ESR信号(如图 3.b)很稳定。其ESR波谱特征与羟基磷灰石的谱很相似。图 3为试验得到的几种物质的ESR谱。因这一工作是以辐射消毒为目的，所用剂量范围相对较高，还不适于做为事故剂量分析的依据。而Cacacelli等用ESR技术对柱状牛骨样品做的剂量分析工作^[11]，却是在较低剂量区完成的。他们将样品做为圆柱状，以克服ESR测量方向性的影响，样品照射后加热处理，去除易于衰退的有机自由基的干扰，得到了在0.5~30Gy范围内自旋浓度对剂量呈直线型响应关系。所用信号成份在室温下稳定性可达10⁶年^[12]。在2~200Gy内用骨做剂量估计的误差小于±7%^[13]。这些工作从剂量范围、检测精度及剂量响应特性等方面，都为ESR技术在事故剂量分析中的应用奠定了基础。但就其已报道的工作中，未考虑样品天然本底信号会有差异的问题，其信号强度的计算方法也较祖略。影响了其结论的实用性。

近些年，日本为了重新估计广岛、长崎原子弹受难者的剂量，用ESR方法测定了#、牙和贝类纽扣等材料，获得了其它方法无法获得的数据^[14]。1982年挪威的一次核事故，_也是用ESS方法，测试了受害者携带的硝酸甘油(心脏病紧救药)丸，获得了较满意的结果，得到了国际学术界一致肯定^[15]。其剂量给出方法是通过测量相同厂家生产的药丸中糖化物卢生的ESR信号强度随剂量的变化，做出剂量响应特性曲线，再根据事故样品的相应ESR信号强度，在特性曲线上查得对应剂量值。测试受照者携带的两种药丸得到剂量分别为38.5Gy和39Gy, 各项因素的总误差约为±5%。图 4给出了辐射后糖化物的典型ESR波谱和其对剂量的响应特性。在这一实例中，检测样品的获得虽具有一定的偶然性，但提供了含糖类材料(药片、食品等)可做为事故剂量检测材料的依据。尚存问题是某些糖化物辐照后ESR信号室温下不太稳定。该事故中其中一种药丸在3周后信号约衰退了11%;再者，药物和食品中大多存在与辐射无关的本底信号，给剂量分析带来一定影响。

上述实际应用的结果，使近年来该领域的研究更加活跃，1989年的国际ESR剂量研讨会上，有关事故剂量的ESR研究报道占有相当的比例。如Barthe等对纯棉及化纤织物进行了研究^[16]。他们应用一旋转装置使样品在腔中高速转动，有效地克服了纤维状样品测量的各向异性影响，用EDTA浸泡样品，以去除矿物盐类杂质，简化信号。图 5是纯棉和聚芮烯照射前后的ESR信号。纯棉织物的检测下限为lGy, 聚丙烯可达0.5Gy, 且利用织物做检测物，不但可获得参考点的剂量信息，还可得到受照体的剂量分布。这可为医疗救治提供更客观的治疗依据。但织物中的杂质和使用不同的化学处理过程及染料等使本底分散度较大，甚至影响材料的剂量学特性。这些还待解决。

在我国已有利用ESR技术，以丙氨酸为监测样品，实现辐射加工剂量监测的实际应用^[17]。以辐射事故剂量分析为目的，利用ESR方法测量人骨的初步试验，也得到了在2~50Gy剂量区内自旋浓度与辐射剂量基本呈直线关系，且相关系数r= 0.995，剂量估算误差约±10%的较有意义结果。

自旋捕获与自旋标记技术的发展和应用，又为这一研究领域带来了新思路。由于自由基反应在细胞辐射损伤的能量转换中起了关键作用^[4]。利用自旋标记技术与ESR方法相结合，可以得到电离辐射对生物大分子和细胞膜的损伤信息。近年来，不断有这类工作的报道。如Grzelinska等^[18]用1000Gy以上剂量γ射线照射离体牛血红细胞膜并用马来酰亚胺(MAL-6)标记膜蛋白上的γ巯基(-SH)来探测膜结构的改变，测得的ESR谱中，弱固定化波峰W与强固定化波峰S之比值随剂量增高呈上升趋势。即谱线各向同性度随剂量增髙而增高。近来的研究表明，用8.5Gy γ射线照射活体大鼠，测得w/s值在照射后第三天以后比对照组有显著的增加^[19]。如把这一研究模式用于事故剂量分析，通过测定辐射导致的膜上巯基的变化，对相应的辐射剂量进行估计，将是很有前途的方法。

八十年代初发展起来的ESR成像技术, ,已经用于了对固体材料中缺陷的研究。Zommerfelds等用这一方法研究了射线对钻石和石英等材料的损伤程度^[20]。这种研究结果也可直接用对受照者随身携戴的首饰等材料做测定，得到剂量信息。但目前ESR成像的分辨率和检测灵敏度等还有待改善和提高。

综上所述，可将ESR事故剂量分析的实现方法归纳为下面两个主要模式：

目前的实验探讨和仅有的几例实际应用都属于模式一的范围。我们认为模式二利用了新的自旋标记与ESR技术结合的方法，在事故剂量范围内深入研究这一类方法很有前途。这一模式以血细胞为样品，可完全解决事故剂量分析的取材问题。且剂量评估标准不以自由基浓度为指标，对仪器灵敏度的要求也就不高。更适于普及应用。但人体的健康状况等个体差异及某些疾病有能对测量指标的影响将是该方法要解决的主要问题。

三 结果

用ESR方法进行事故剂量分析在理论或实际实施上都是可行的，而且，这一方法具有技术方法多样，测量灵敏度较高，取样范围广泛；样品可取自受照者自身，获得的数据真实客观；样品可反复利用，且某些样品照后信息存留时间长、变化小，上述模式一方法受个体差异影响小，使剂量估计误差小等优点。但三十多年来，此项研究进展不快，分析可能受到几方面因素的限制。一是这类测试仪器昂贵，有关辐射防护部门难于专门为此购置；再者用于ESR检测的生物样品中大都存在本底信号，使剂量检测下限受到影响；而且，事故剂量测量应用的机会稀少，使得长期以来此方面的报道有限，实际应用更少。

随着现代电子技术及信息处理技术的发展，ESR技术设备及检测方法都得到较大发展。固体电路和耿氏二极管微波振荡器的应用，使检测灵敏度、稳定性和分析精度等方面都有了很大提高。新兴谱仪完善的功能，多共振技术，脉冲ESR技术，自旋捕集、自旋标记、顺磁成像等新技术新方法的建立，都为ESR在辐射剂量分析上的应用创造了更忧越的条件。核能源核技术的广泛应用，也刺激了这一课题的研究。

总之，ESR技术在辐射剂量学上的研究与应用意义很大且前景广阔。