DE102015117939A1

DE102015117939A1 - Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosis und Produkt

Info

Publication number: DE102015117939A1
Application number: DE102015117939.3A
Authority: DE
Inventors: Christiane Schuster; Thomas Härtling
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2015-10-21
Filing date: 2015-10-21
Publication date: 2017-04-27

Abstract

Das Verfahren dient zur Bestimmung einer Strahlendosis und umfasst die Schritte: A) Bereitstellen einer Flüssigkeit (1), in der Leuchtstoffpartikel (2) suspendiert sind und in der zumindest ein Präparat (3) gelöst oder suspendiert ist, B) Bestrahlen der Flüssigkeit (1) mit einer hochenergetischen Strahlung (R) mit einer Strahlendosis, wodurch ein spektrales und/oder zeitliches Fotolumineszenzverhalten der Leuchtstoffpartikel (2) verändert wird, C) Anregen der bestrahlten Leuchtstoffpartikel (2) zur Fotolumineszenz mit einer niederenergetischen Strahlung (E) und spektrales und/oder zeitliches Ausmessen der Fotolumineszenz (L), und D) Auswerten des Ausmessens der Fotolumineszenz, wodurch die Strahlendosis bestimmt wird.

Description

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosis angegeben. Darüber hinaus wird ein entsprechend bestrahltes Produkt angegeben.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren anzugeben, mit dem zuverlässig eine Bestrahlung eines Produkts überprüfbar ist.
Diese Aufgabe wird unter anderem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der übrigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bereitstellens einer Flüssigkeit. Die Flüssigkeit umfasst Leuchtstoffpartikel sowie ein oder mehrere Präparate. Die Leuchtstoffpartikel liegen bevorzugt in der Flüssigkeit suspendiert vor. Das zumindest eine Präparat ist in der Flüssigkeit gelöst und/oder suspendiert. Somit kann es sich bei der Flüssigkeit um eine stabile Mischung aus einem Lösungsmittel, den Leuchtstoffpartikeln und dem zumindest einen Präparat handeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Bestrahlens der Flüssigkeit. Das Bestrahlen erfolgt mit hochenergetischer Strahlung. Bei der hochenergetischen Strahlung handelt es sich bevorzugt um Elektronenstrahlung, Röntgenstrahlung, Ionenstrahlung oder Gammastrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird durch die hochenergetische Strahlung ein spektrales und/oder zeitliches Fotolumineszenzverhalten der Leuchtstoffpartikel verändert. Die Veränderung im Fotolumineszenzverhalten ist bevorzugt dauerhaft und nicht reversibel. Beispielsweise ändert sich durch die hochenergetische Strahlung eine spektral integrierte Lumineszenzlebensdauer der Leuchtstoffpartikel in charakteristischer Weise, abhängig von einer Dosis der hochenergetischen Strahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren den Schritt des Anregens der bestrahlten Leuchtstoffpartikel zur Fotolumineszenz. Dieses Anregen der Leuchtstoffpartikel erfolgt über eine niederenergetische Strahlung. Beispielsweise handelt es sich bei der niederenergetischen Strahlung um ultraviolette Strahlung, sichtbares Licht oder nahinfrarote Strahlung. Dabei bezieht sich ultraviolette Strahlung insbesondere auf Wellenlängen zwischen einschließlich 200 nm und 400 nm und nahinfrarote Strahlung auf Wellenlängen zwischen einschließlich 800 nm und 1500 nm. Insbesondere zeigt die niederenergetische Strahlung eine Energie zwischen einschließlich 0,5 eV und 4 eV auf. Das Anregen der Leuchtstoffpartikel erfolgt bevorzugt mit einer gepulsten Strahlung, insbesondere mit Laserstrahlung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Fotolumineszenz der Leuchtstoffpartikel spektral und/oder zeitlich detektiert. Dabei ist es möglich, dass die Fotolumineszenz spektral integriert oder auch bei einzelnen Wellenlängen zeitabhängig gemessen wird. Insbesondere wird die Fotolumineszenz im ultravioletten und/oder im sichtbaren Spektralbereich detektiert. Bevorzugt erfolgt die Detektion jedoch im infraroten Spektralbereich, etwa im nahinfraroten Spektralbereich bei Wellenlängen von mindestens 800 nm oder 850 nm und/oder bei höchstens 2 µm oder 1,5 µm oder 1,05 µm.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Verfahren den Schritt des Auswertens der Fotolumineszenzmessung auf. Durch dieses Auswerten wird die Strahlendosis der hochenergetischen Strahlung ermittelt. Das Ermitteln der Strahlendosis erfolgt beispielsweise mit einer Genauigkeit von einem Faktor 2 oder besser oder einen Faktor 1,5 oder besser oder mit 25 % oder besser oder mit 10 % oder besser.
In mindestens einer Ausführungsform ist das Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosis eingerichtet und umfasst die folgenden Schritte, bevorzugt in der angegebenen Reihenfolge:

A) Bereitstellen einer Flüssigkeit, in der Leuchtstoffpartikel suspendiert sind und in der zumindest ein Präparat gelöst oder suspendiert ist,
B) Bestrahlen der Flüssigkeit mit einer hochenergetischen Strahlung mit einer Strahlendosis, wodurch ein spektrales und/oder zeitliches Fotolumineszenzverhalten der Leuchtstoffpartikel verändert wird,
C) Anregen der bestrahlten Leuchtstoffpartikel zur Fotolumineszenz mit einer niederenergetischen Strahlung und spektrales und/oder zeitliches Ausmessen der Fotolumineszenz, und
D) Auswerten des Ausmessens der Fotolumineszenz, wodurch die Strahlendosis, die auf das Präparat eingewirkt hat, bestimmt wird.

Hochenergetische Bestrahlung, unter anderem mittels Elektronenstrahlung aus Elektronenbeschleunigern zum Beispiel aus Laborsystemen wird beispielsweise dafür genutzt, Viren, Bakterien oder Zellen in flüssiger Umgebung abzutöten oder fortpflanzungsunfähig zu machen. So werden zum Beispiel Impfstoffe mittels Elektronenstrahlung behandelt sowie deren Rückstände in der Produktion sterilisiert. Problematisch dabei ist eine genaue Ermittlung der in die Flüssigkeit und in den Mikroorganismus eingebrachten Strahlungsdosis, da sich die Organismen und/oder Krankheitserreger in der Regel frei in der Flüssigkeit bewegen können und ein Dosistiefenprofil auftritt. Dies kann aktuell nur mit Referenzmodellen, sogenannten Phantomen, ermittelt werden. Eine direkte Dosisbestimmung zum Beispiel in einem bestrahlten Virus ist im Moment nicht möglich.
Bei Phantomen handelt es sich um Festkörper, welche dem zu bestrahlenden Objekt in ihren physikalischen Eigenschaften ähneln, insbesondere in der Wechselwirkung mit der hochenergetischen Strahlung oder der Dichte. In diesen Festkörper sind dosimetrisch aktive Materialien eingebracht. Zur Modellierung von Wasser kann etwa Gelatine benutzt werden. Wichtig dabei ist, dass das Phantom einen festen Aggregatszustand hat, um im Anschluss an die Bestrahlung bestimmte Bereiche des Phantoms reproduzierbar entnehmen und dosimetrisch auswerten zu können. Somit sind zum Beispiel Dosisverteilungen in einem Volumen ermittelbar, jedoch ausschließlich außerhalb der eigentlichen Anwendung, das heißt also erst lange nach einer Bestrahlung. Ein direkter Nachweis der in einen Mikroorganismus eingebrachten Strahlungsdosis ist mit dieser Methode nicht möglich.
Mit dem hier beschriebenen Verfahren dagegen ist eine direkte Dosismessung in Flüssigkeiten möglich, ohne einen Umweg über Phantome. Somit ist eine schnellere Bestimmung der Dosis im Rahmen zum Beispiel einer industriellen Qualitätssicherung erzielbar.
Ebenso ist es mit dem hier beschriebenen Verfahren möglich, die Funktion einer Bestrahlungsanlage, mit der die Bestrahlung durchgeführt wird, zu prüfen. Diese Prüfung der Bestrahlungsanlage kann auch im laufenden Betrieb durchgeführt werden. Somit ist durch die Verwendung des mindestens einen Leuchtstoffs eine Qualitätssicherung sowohl hinsichtlich der Bestrahlungsanlage als auch hinsichtlich des Präparats möglich.
Vorteilhaft für die Untersuchung der Dosis etwa in einzelnen Mikroorganismen ist es, ein dosimetrisch aktives Material direkt in den Organismus einzuschleusen oder an dem Organismus anzubringen. Dazu eignen sich insbesondere keramische Leuchtstoffpartikel etwa aus NaYF₄, speziell wenn diese als Partikel mit einem mittleren Durchmesser von höchstens 1 µm synthetisiert werden. Diese Partikel können dann an den Organismus andocken und/oder vom Organismus aufgenommen werden. Zur besseren Aufnahme und/oder zum besseren Andocken können die Partikel zusätzlich mit einer anorganischen Hülle, etwa einem Silikat, oder auch einer organischen Hülle, etwa mit Polyethylenglykol oder kurz PEG, versehen werden. Die Partikel speichern die Dosisinformation in ihren optischen Eigenschaften, speziell in einer Veränderung der Luminszenzabklingzeit, welche berührungsfrei zum Beispiel mit einem Mikroskop abgefragt werden können.
Geeignete Leuchtstoffpartikel sind zum Beispiel der Druckschrift Wang et al., "Immunolabeling and NIR-Excited Fluorescent Imaging of HeLa Cells by Using NaYF4:Yb,Er Upconversion Nanoparticles" in der Zeitschrift ACS Nano, Seiten 1580 bis 1586 aus dem Jahr 2009 zu entnehmen. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift hinsichtlich der Leuchtstoffpartikel wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Aus der Druckschrift WO 2012/097770 A1 ist ein Verfahren zum Prüfen von auf Objekten eingetragener hochenergetischer Strahlung angegeben. Der Offenbarungsgehalt dieser Druckschrift hinsichtlich einem Auslesen von Dosisinformationen aus Leuchtstoffen wird durch Rückbezug mit aufgenommen.
Das hier beschriebene Verfahren ist insbesondere bei der hochenergetischen Bestrahlung von Flüssigkeiten im Rahmen einer Impfstoffherstellung und/oder Impfstoffbeseitigung sowie in der Radiochemie, zum Beispiel bei der Vernetzung von Polymeren, einsetzbar. Ebenso kann das hier beschriebene Verfahren bei der Beseitigung von biologischen und/oder chemischen Abfällen eingesetzt werden oder auch bei der Entsorgung von etwa mit Organismen kontaminierten Abfällen wie Klärschlamm oder von Abwässern.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel zumindest in den Schritten A), B) und C) dauerhaft und/oder fest mit dem Präparat verbunden. Insbesondere sind die Leuchtstoffpartikel chemisch kovalent an das Präparat angebunden. Das heißt, bei bestimmungsgemäßer Durchführung des Verfahrens lösen sich die Leuchtstoffpartikel zumindest innerhalb der Schritte A) bis C) nicht oder nicht signifikant von dem Präparat. Hierdurch ist eine Dosisbestimmung unmittelbar an dem Präparat möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Präparat um einen Organismus wie Bakterien, Viren oder einzelne Zellen, zum Beispiel einzelne tierische oder pflanzliche Zellen. Insbesondere können Viren oder Bakterien zur Erzeugung eines Impfstoffes bestrahlt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird im Schritt B) das Präparat in einer Reproduktionsfähigkeit herabgesetzt und/oder teilweise oder vollständig abgetötet. Speziell beim Herabsetzen der Reproduktionsfähigkeit ist die eingetragene Strahlendosis möglichst genau zu wählen, um einerseits den gewünschten Effekt zu erzielen und um andererseits das Präparat nicht zu sehr zu schädigen. Insbesondere kann die Strahlendosis präzise so eingestellt werden, dass die für eine erforderliche Immunreaktion notwendigen Oberflächenstrukturen eines Krankheitserregers nicht oder nicht signifikant geschädigt werden, wohingegen ein Zellkern und/oder eine DNA des Krankheitserregers zerstört oder derart geschädigt wird, sodass der Krankheitserreger nicht mehr zu einer Vermehrung fähig ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Flüssigkeit als Lösungsmittel eine biologisch verträgliche Substanz auf. Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Lösungsmittel um Wasser. Dabei kann auch eine wässrige Pufferlösung verwendet werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt bei der Durchführung von zumindest einigen Verfahrensschritten eine Temperatur der Flüssigkeit mindestens 4 °C oder 10 °C oder 15 °C. Alternativ oder zusätzlich liegt die Temperatur bei höchstens 55 °C oder 45 °C oder 35 °C. Insbesondere wird der Verfahrensschritt B) bei einer Temperatur zwischen einschließlich 4 °C und 40 °C oder zwischen einschließlich 30 °C und 39 °C durchgeführt, insbesondere bei 36 °C oder bei 37 °C.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel an einer äußeren Hülle der Organismen und/oder Krankheitserreger und/oder Viren angebracht. Es ist möglich, dass sich die Leuchtstoffpartikel ausschließlich an der Hülle befinden. Zum Beispiel sind die Leuchtstoffpartikel dann etwa über einen sogenannten Linker kovalent oder koordinativ an eine Außenfläche der Hülle angebunden. Ebenso können die Leuchtstoffpartikel zum Teil in die Hülle eingebettet sein.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform sind die Leuchtstoffpartikel in ein Inneres der Organismen und/oder Krankheitserreger und/oder Viren eingebracht, zum Beispiel in einen Zellkern. Damit können die Leuchtstoffpartikel bestimmungsgemäß ringsum von einem Material der Organismen und/oder Krankheitserreger und/oder Viren umgeben sein.
Ferner ist es möglich, dass sich die Leuchtstoffpartikel sowohl im Inneren als auch an der Hülle der Organismen und/oder Krankheitserreger und/oder Viren befinden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform befindet sich im Mittel pro Organismus, also insbesondere pro Bakterium oder Zelle, je ein oder mehrere der Leuchtstoffpartikel an der äußeren Hülle oder in dem Organismus. Hierdurch ist eine genaue Bestimmung der Dosis der eingetragenen hochenergetischen Strahlung möglich.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden die Leuchtstoffpartikel einzeln oder in kleinen Gruppen hinsichtlich der Veränderung der Lumineszenzeigenschaften ausgemessen. Dies kann erfolgen, solange die Leuchtstoffpartikel noch mit dem Präparat verbunden sind oder, bevorzugt, wenn die Leuchtstoffpartikel bereits von dem Präparat separiert worden sind. Durch ein Auslesen der Leuchtstoffpartikel einzeln ist eine Statistik erstellbar, etwa wie die Dosis über das Präparat und/oder die Leuchtstoffpartikel und/oder die Flüssigkeit hinweg verteilt eingetragen wird und auch, wie groß die räumlichen und/oder zeitlichen Schwankungen der eingebrachten Strahlendosis sind.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform liegt ein mittlerer Durchmesser der Leuchtstoffpartikel bei höchstens 3 µm oder 1,5 µm oder 1 µm oder 0,5 µm oder 0,1 µm. Alternativ oder zusätzlich beträgt der mittlere Durchmesser mindestens 1 nm oder 10 nm oder 100 nm oder 0,5 µm. Insbesondere liegt der mittlere Durchmesser zwischen einschließlich 10 nm und 100 nm oder zwischen einschließlich 0,5 µm und 1 µm. Leuchtstoffpartikel mit einem mittleren Durchmesser von ungefähr 1 µm lassen sich effizient an eine äußere Hülle der Organismen anbringen. Leuchtstoffpartikel mit Durchmessern unterhalb von 100 nm sind insbesondere zur Einbringung in die Organismen geeignet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Leuchtstoffpartikel einen Kern auf. Der Kern ist bevorzugt aus einem oder aus mehreren anorganischen Leuchtstoffen gebildet. Weiterhin umfassen die Leuchtstoffpartikel je eine Hülle, die den Kern teilweise oder vollständig umschließt. Die Hülle ist dazu eingerichtet, das zugehörige Leuchtstoffpartikel mit dem Präparat zu verbinden. Außerdem ist über die Hülle erreichbar, dass die Leuchtstoffpartikel selektiv an bestimmten Präparaten oder an bestimmten Stellen der Präparate andocken oder in die Präparate eindringen. Bei der Hülle handelt es sich beispielsweise um Antikörper.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weisen die Leuchtstoffpartikel je eine Schale auf. Die Schale ist aus einem organischen oder einen anorganischen Material gebildet. Bevorzugt umschließt die Schale den Kern der Leuchtstoffpartikel unmittelbar und vollständig. Insbesondere liegt die Schale zwischen dem Kern und der Hülle. Dabei ist die Hülle bevorzugt lediglich stellenweise auf der Schale aufgebracht, speziell unmittelbar aufgebracht.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform beträgt die im Schritt B) eingetragene Strahlendosis mindestens 10 kGy oder 25 kGy oder 50 kGy oder 300 kGy. Alternativ oder zusätzlich liegt die Strahlendosis bei höchstens 3 MGy oder 0,5 MGy oder 300 kGy oder 100 kGy.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die hochenergetische Strahlung eine Energie von mindestens 1 keV oder 10 keV oder 40 keV auf. Alternativ oder zusätzlich liegt eine Energie der hochenergetischen Strahlung bei höchstens 10 MeV oder 1 MeV oder 100 keV oder 60 keV.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform umfasst das Verfahren zusätzlich einen Schritt E). Besonders bevorzugt folgt der Schritt E) dem Schritt D) nach. Im Schritt E) werden die Leuchtstoffpartikel teilweise oder vollständig von dem Präparat entfernt. Mit anderen Worten kann ein fertig hergestelltes Produkt frei sein von den Leuchtstoffpartikeln und lediglich das bestrahlte Präparat und optional zusätzlich das Lösungsmittel umfassen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt der Schritt C) unabhängig vom Schritt B). Insbesondere ist es möglich, dass der Schritt C) außerhalb einer Apparatur zur Durchführung des Schritts B) erfolgt. So kann der Schritt C) beispielsweise erst bei einem Endanwender erfolgen. Auf diese Weise kann der Endanwender kontrollieren, ob die Bestrahlung ordnungsgemäß durchgeführt wurde.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform erfolgt der Schritt C) während oder unmittelbar nach dem Schritt B). Damit ist es in situ möglich, die Strahlendosis zu bestimmen und eine Dauer und/oder Intensität und/oder Energie der Bestrahlung im Schritt B) präzise zu regeln.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Flüssigkeit zwischen den Schritten C) und B) einmal oder mehrere Male umgefüllt. In diesem Fall ist keine direkte Korrelation mehr gegeben zwischen einer Position des Präparats im Schritt C) und einer Position des Präparats im Schritt B). Eine Bestimmung der Strahlendosis ist jedoch immer noch anhand der Leuchtstoffpartikel gewährleistet.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Flüssigkeit während der Bestrahlung im Schritt B) durchmischt, beispielsweise mittels Rühren oder mittels Durchströmen eines Bereichs, in dem die hochenergetische Strahlung appliziert wird. Auch in diesem Fall ist es möglich, dass hinsichtlich des Präparats keine räumliche Korrelation zwischen den Schritten B) und C) besteht.
Das hier beschriebene Verfahren wird besonders bevorzugt gänzlich außerhalb eines lebenden menschlichen oder tierischen Körpers oder Organismus ausgeführt. Insbesondere handelt es sich bei dem Präparat lediglich um einzelne, lose Zellen und/oder Viren und nicht um mehrzellige Gebilde.
Darüber hinaus wird ein Produkt angegeben. Das Produkt wird besonders bevorzugt mit einem Verfahren hergestellt, wie in Verbindung mit einer oder mehrerer der oben genannten Ausführungsformen angegeben. Merkmale des Verfahrens sind daher auch für das Produkt offenbart und umgekehrt.
Nachfolgend werden ein hier beschriebenes Verfahren und ein hier beschriebenes Produkt unter Bezugnahme auf die Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Gleiche Bezugszeichen geben dabei gleiche Elemente in den einzelnen Figuren an. Es sind dabei jedoch keine maßstäblichen Bezüge dargestellt, vielmehr können einzelne Elemente zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
Es zeigen:
1A bis 1E schematische Schnittdarstellungen von Verfahrensschritten eines hier beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von hier beschriebenen Produkten,
2 eine schematische Schnittdarstellung eines Leuchtstoffpartikels für ein hier beschriebenes Verfahren, und
3A bis 3E eine schematische Schnittdarstellung von Ausführungsbeispielen von Produkten, die mit einem hier beschriebenen Verfahren hergestellt sind.
In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines hier beschriebenen Verfahrens illustriert. Gemäß 1A wird eine Flüssigkeit 1 bereitgestellt. Die Flüssigkeit 1 umfasst ein Lösungsmittel 10, bei dem es sich bevorzugt um Wasser handelt. In dem Lösungsmittel 10 ist frei beweglich und statistisch verteilt ein herzustellendes Produkt 32‘ verteilt. Das Produkt 32‘ ist aus einem Präparat 3‘ und Leuchtstoffpartikeln 2‘ zusammengesetzt. Bei dem Präparat 3‘ handelt es sich beispielsweise um Bakterien. Die Leuchtstoffpartikel 2‘ sind fest mit dem Präparat 3‘ verbunden, so dass suspendierte Partikel des herzustellenden Produkts 32‘ gebildet sind.
Gemäß 1B erfolgt eine Bestrahlung der Flüssigkeit 1 mit einer hochenergetischen Strahlung R. Bei der hochenergetischen Strahlung R handelt es sich bevorzugt um Elektronenstrahlung, beispielsweise mit einer Energie von ungefähr 40 keV. Die hochenergetische Strahlung R wird bevorzugt gepulst in die Flüssigkeit 1 eingetragen. Eine eingetragene Dosis liegt zum Beispiel bei ungefähr 30 kGy. Während des Bestrahlens ist es möglich, dass die Flüssigkeit 1 ein Bad 41 durchströmt oder dass die Flüssigkeit 1 in dem Bad 41 durchmischt wird.
Durch die Bestrahlung mit der hochenergetischen Strahlung R wird das Präparat 3 hinsichtlich seiner biologischen Eigenschaften verändert. Weiterhin ändern sich aufgrund der Bestrahlung Fotolumineszenzeigenschaften der Leuchtstoffpartikel 2. Durch die Bestrahlung wird somit das Produkt 32 gebildet.
Gemäß 1C wird die Flüssigkeit 1 mit dem Produkt 33 von dem Bad 41 in ein Gefäß 42 umgefüllt. Das Gefäß 42 ist bevorzugt durchlässig für sichtbares Licht und für nahinfrarote Strahlung. Die gesamte Flüssigkeit 1 oder, bevorzugt, bestimmte Partikel des Produkts 32 oder bestimmte Regionen der Flüssigkeit 1 werden einer niederenergetischen Strahlung E ausgesetzt. Bevorzugt handelt es sich bei der niederenergetischen Strahlung E um nahinfrarote Strahlung.
Durch die niederenergetische Strahlung E werden die Leuchtstoffpartikel 2 zur Fotolumineszenz angeregt. Eine emittierte Fotolumineszenz L wird von einem Detektor 5 empfangen. Eine Quelle für die niederenergetische Strahlung E sowie der Detektor 5 und das Gefäß 42 können in einem Mikroskopaufbau untergebracht sein.
Anders als in den 1B und 1C gezeigt, ist es alternativ möglich, dass das Auslesen der Fotolumineszenz L bereits in dem Bad 41 entweder noch während des Bestrahlens mit der hochenergetischen Strahlung R, in Bestrahlungspausen oder unmittelbar nach der Bestrahlung erfolgt. Durch Zwischenmessungen der Fotolumineszenz L ist es möglich, die Dosis der hochenergetischen Strahlung R im Schritt der 1B genau anzupassen.
In 1D ist die Zeit t gegenüber einer Intensität I der Fotolumineszenz L aufgetragen. Zu erkennen ist, dass aufgrund der Bestrahlung mit der hochenergetischen Strahlung R sich eine Fotolumineszenzlebensdauer der bestrahlten Leuchtstoffpartikel 2 gegenüber den noch nicht bestrahlten Leuchtstoffpartikeln 2‘ verkürzt hat. Über das Ausmaß der Änderung der Fotolumineszenz L aufgrund der Bestrahlung ist auf die Dosis zurückzuschließen.
In 1E ist ein optionaler, weiterer Verfahrensschritt gezeigt. Gemäß 1E werden die Leuchtstoffpartikel 2 in einem Behälter 43 von dem bestrahlten Präparat 3 getrennt. Beispielsweise über Sedimentation werden die Leuchtstoffpartikel 2 dann räumlich von dem bestrahlten Präparat 3 separiert. Hierdurch ist es möglich, ein Produkt zu erhalten, dass frei oder im Wesentlichen frei von den Leuchtstoffpartikeln 2 ist.
In 2 ist ein Beispiel für Leuchtstoffpartikel 2 dargestellt. Die Leuchtstoffpartikel 2 weisen einen Kern 21 auf, der aus einem anorganischen Leuchtstoff oder aus einer Mischung mehrerer anorganischer Leuchtstoffe besteht. Ein Durchmesser des Kerns 21 liegt beispielsweise bei ungefähr 200 nm.
Der Kern 21 ist vollständig und ringsum direkt von einer Schale 22 umschlossen. Die Schale 22 weist nur eine geringe Dicke auf, im Vergleich zum Kern 21. Ein äußerer Durchmesser der Schale 23 liegt zum Beispiel bei etwa 220 nm. Insbesondere ist die Schale 22 aus einem Silikat oder aus Polyethylenglykol gebildet.
Auf der Schale 22 ist optional eine Hülle 23 aufgebracht. Die Hülle 23 kann die Schale 22 vollständig oder nur teilweise decken. Es ist möglich, dass die Hülle 23 aus einem organischen Material, insbesondere aus organischen Makromolekülen, gebildet ist. Bevorzugt handelt es sich bei der Hülle 23 um Antikörper, die gezielt an das Präparat 3 andocken.
Der Leuchtstoff oder zumindest einer der Leuchtstoffe oder alle Leuchtstoffe des Kerns 21 sind ausgewählt aus den folgenden Materialien: ein Oxid, (Y,Gd,Lu)₃(Al,Ga)₅O₁₂, ein Oxihalogenid, ein Sulfid, ein Oxisulfid, ein Sulfat, ein Oxisulfat, ein Selenid, ein Nitrid, ein Oxinitrid, ein Nitrat, ein Oxinitrat, ein Aluminat insbesondere mit Ba und/oder Mg wie BAM, ein Phosphid, ein Phosphat, ein Carbonat, ein Silikat, ein Oxisilikat, ein Vanadat, ein Molybdat, ein Wolframat, ein Germanat, ein Oxigermanat oder ein Halogenid der Elemente Li, Na, K, Rb, Mg, Ca, Sr, Sc, Y, La, Ti, Zr, Hf, Nb, Ta, Zn, Gd, Lu, Al, Ga und/oder In. Der oder die Leuchtstoffe (21, 22) enthalten bevorzugt je ein oder mehrere lumineszierende Ionen aus der Gruppe In⁺, Sn²⁺, Pb²⁺, Sb³⁺, Bi³⁺, Ce³⁺, Ce⁴⁺, Pr³⁺, Nd³⁺, Sm²⁺, Sm³⁺, Eu²⁺, Eu³⁺, Gd³⁺, Tb³⁺, Dy³⁺, Ho³⁺, Er³⁺, Tm²⁺, Tm³⁺, Yb²⁺, Yb³⁺, Ti³⁺, V²⁺, V³⁺, V⁴⁺, Cr³⁺, Mn²⁺, Mn³⁺, Mn⁴⁺, Fe³⁺, Fe⁴⁺, Fe⁵⁺, Co³⁺, Co⁴⁺, Ni²⁺, Cu⁺, Ru²⁺, Ru³⁺, Pd²⁺, Ag⁺, Ir³⁺, Pt²⁺ und Au⁺.
Insbesondere handelt es sich bei dem zumindest einen Leuchtstoff zum Beispiel um eines der folgenden Materialien oder um eine Mischung hieraus: Y₃Al₅O₁₂:Ln (Ln = Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm und/oder Yb), SrAl₂O₄:Eu,Dy, CaAl₂O₄:Eu,Nd, Sr₄Al₁₄O₂₅:Eu,Dy, Sr₂MgSi₂O₇:Eu,Dy, Sr₃MgSi₂O₈:Eu,Dy, CaMgSi₂O₆:Eu,Dy, Ba₃MgSi₂O₈:Eu,Dy, BaMg₂Al₆Si₉O₃₀:Eu,Dy, Sr₂Al₂SiO₇:Eu,Dy, BaMgAl₁₀O₇:Eu, BaMg₂Al₁₆O₂₇:Eu,Mn, Sr₂Al₁₀SiO₂₀:Eu,Ho, CaAl₂Si₂O₈:Eu,Dy, CaAl₂Si₂O₈:Eu,Pr, Sr₂SiO₄:Eu,Dy, Sr₂ZnSi₂O₇:Eu,Dy, CaS:Eu,Tm, CaGa₂S₄:Eu,Ho, CaGa₂S₄:Eu,Ce, NaYF₄:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), BaY₂F₈:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), LiYF₄:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Tm und/oder Yb), KY₃F₁₀:Ln,Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), NaF:Ln (Ln = Er, Eu, Ho, Tm und/oder Yb), Sr₂P₂O₇:Eu,Y, Ln₂O₂S (Ln = Er, Eu, Ho, Pr, Tm und/oder Yb), Ca₂P₂O₇:Eu,Y, Ca₂SiS₄:Eu,Nd, Ca₂MgSi₂O₇:Eu,Tb, Yttrium-Aluminium-Monoklin (YAM), Yttrium-Aluminium-Perovskit (YAP), Y₂O₃, ZrO₂, Al₂O₃, Si₃Ni₄, ZrB₂.
Besonders bevorzugt handelt es sich bei dem Leuchtstoff des Kerns 21 um NaYF₄:Yb,Er.
Ist eine Leuchtstoffmischung vorhanden, so werden bevorzugt zumindest zwei Leuchtstoffe eingesetzt, deren Fotolumineszenzlebensdauern sich um mindestens einen Faktor 5 voneinander unterscheiden. Beispielsweise liegt die Fotolumineszenzlebensdauer von den oder von zumindest einem der noch nicht bestrahlten Leuchtstoffe bei mindestens 100 µs oder 0,8 s oder 1,5 s und/oder bei höchstens 10 s oder 2 s oder 400 µs.
Aufgrund der Bestrahlung, vergleiche 1B, ändert sich die Fotolumineszenzlebensdauer des Leuchtstoffs des Kerns 21 bevorzugt um mindestens 20 % oder 50 %.
In 3 sind mehrere Möglichkeiten illustriert, wie die Leuchtstoffpartikel 2 an das Präparat 3 angebunden sein können. Gemäß 3A handelt es sich bei dem Präparat 3 um eine einzelne Zelle oder um ein Bakterium. Mehrere der Leuchtstoffpartikel 2 sind kovalent an eine äußere Hülle des Präparats 3 angebunden.
Beim Ausführungsbeispiel der 3B sind die Leuchtstoffpartikel 2 etwa über einen Stoffwechsel des Präparats 3 in ein Inneres des Präparats 3 eingebracht. Hierbei handelt es sich bei den Leuchtstoffpartikeln 2 bevorzugt um Nanopartikel. Es ist möglich, dass die Leuchtstoffpartikel 2 in bestimmten Gebieten des Präparats 3 konzentriert sind oder dass die Leuchtstoffpartikel 2 gleichmäßig über das Präparat 3 hinweg verteilt vorliegen.
Beim Präparat 3 der 3C handelt es sich um ein Makromolekül, insbesondere um einen Virus. Das Präparat 3 erstreckt sich als Kette und/oder als Knäuel von dem Leuchtstoffpartikel 2 weg. Das Knäuel und/oder die Kette kann dabei eine größere oder auch eine kleinere Längsausdehnung aufweisen als das Leuchtstoffpartikel 2.
Gemäß 3D sind mehrere Makromoleküle, die das Präparat 3 darstellen, an das Leuchtstoffpartikel 2 angebunden. Bei dem Präparat 3 kann es sich dabei um vergleichsweise kleine Moleküle handeln. Es ist möglich, dass das Präparat 3 radioaktive Komponenten beinhaltet. Beispielsweise im Bereich der Radiochemie ist durch das Leuchtstoffpartikel 2 eine Dosis bestimmbar, denen das Präparat 3 durch äußere Strahlung ausgesetzt war und/oder die von dem Präparat 3 selbst, sofern dieses radioaktiv ist, emittiert wurde. Beispielsweise befinden sich die Leuchtstoffpartikel 2 an einzelnen Monomeren, sodass eine Strahlendosis bei einer Vernetzung und/oder Polymerisation, beispielsweise durch Elektronenbestrahlung initiiert, an dem fertigen Polymer und/oder an dem fertig hergestellten Polymerkörper bestimmbar ist.
In 3E ist gezeigt, dass das Präparat 3 kettenförmig gestaltet ist und an mehreren Stellen an das Leuchtstoffpartikel 2 angedockt ist. Abweichend von der Darstellung in 3E ist es möglich, dass das Präparat 3, bei dem es sich um ein Makromolekül handeln kann, das Leuchtstoffpartikel 2 als eine Art Hülle umgibt. In diesem Fall, wie bevorzugt auch in allen anderen Ausführungsbeispielen, ist das Präparat 3 mindestens teilweise durchlässig sowohl für die niederenergetische Strahlung E als auch für die Fotolumineszenz L.
Die hier beschriebene Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Flüssigkeit
10: Lösungsmittel
2: Leuchtstoffpartikel
21: Kern
22: Schale
23: Hülle
3: Präparat
32: Produkt
41: Bad
42: Gefäß
43: Behälter
5: Detektor
E: niederenergetische Strahlung
I: Intensität
L: Fotolumineszenz
R: hochenergetische Strahlung
t: Zeit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2012/097770 A1 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Druckschrift Wang et al., "Immunolabeling and NIR-Excited Fluorescent Imaging of HeLa Cells by Using NaYF4:Yb,Er Upconversion Nanoparticles" in der Zeitschrift ACS Nano, Seiten 1580 bis 1586 aus dem Jahr 2009 [0016]

Claims

Verfahren zur Bestimmung einer Strahlendosis mit den Schritten: A) Bereitstellen einer Flüssigkeit (1), in der Leuchtstoffpartikel (2) suspendiert sind und in der zumindest ein Präparat (3) gelöst oder suspendiert ist, B) Bestrahlen der Flüssigkeit (1) mit einer hochenergetischen Strahlung (R) mit einer Strahlendosis, wodurch ein spektrales und/oder zeitliches Fotolumineszenzverhalten der Leuchtstoffpartikel (2) verändert wird, C) Anregen der bestrahlten Leuchtstoffpartikel (2) zur Fotolumineszenz mit einer niederenergetischen Strahlung (E) und spektrales und/oder zeitliches Ausmessen der Fotolumineszenz (L), und D) Auswerten des Ausmessens der Fotolumineszenz, wodurch die Strahlendosis bestimmt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, bei dem die Leuchtstoffpartikel (2) zumindest von Schritt A) bis Schritt C) dauerhaft und fest mit dem Präparat (3) verbunden sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Präparat (3) um Bakterien, Viren oder um einzelne Zellen handelt und im Schritt B) das Präparat (3) in einer Reproduktionsfähigkeit herabgesetzt und/oder zumindest teilweise abgetötet wird, wobei die Flüssigkeit (1) als Lösungsmittel (10) Wasser aufweist und zumindest der Schritt B) bei einer Temperatur von mindestens 4 °C und höchstens 55 °C durchgeführt wird, und wobei die Leuchtstoffpartikel (2) NaYF₄:Yb,Er umfassen oder hieraus bestehen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Präparat (3) um Bakterien oder um einzelne Zellen handelt, wobei die Leuchtstoffpartikel (2) an einer äußeren Hülle der Bakterien oder der einzelnen Zellen angebracht sind, sodass sich im Mittel pro Bakterium oder Zelle je mehrere der Leuchtstoffpartikel (2) an der äußeren Hülle befinden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem es sich bei dem Präparat (3) um Bakterien oder um einzelne Zellen handelt, wobei die Leuchtstoffpartikel (2) in einem Inneren der Bakterien oder der einzelnen Zellen angebracht sind, sodass sich im Mittel im Inneren des Bakteriums oder der Zelle je ein oder je mehrere der Leuchtstoffpartikel (2) befinden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Leuchtstoffpartikel (2) einen mittleren Durchmesser von höchstens 1,5 µm aufweisen, wobei die Leuchtstoffpartikel (2) einen Kern (21) aus einem anorganischen Leuchtstoff und eine Hülle (23) umfassen, wobei die Hülle (23) dazu eingerichtet ist, das zugehörige Leuchtstoffpartikel (2) mit dem Präparat (3) zu verbinden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Strahlendosis zwischen einschließlich 25 kGy und 0,5 MGy liegt, wobei die hochenergetische Strahlung eine Energie von mindestens 40 keV und von höchstens 10 MeV aufweist, und wobei die niederenergetische Strahlung eine Energie zwischen einschließlich 0,5 eV und 4 eV aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, das zusätzlich einen Schritt E) umfasst, der dem Schritt D) nachfolgt, wobei im Schritt E) die Leuchtstoffpartikel (2) mindestens teilweise von dem Präparat (3) entfernt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Schritt C) nach und unabhängig vom Schritt B) erfolgt, wobei die Flüssigkeit (1) zwischen den Schritten B) und C) zumindest einmal umgefüllt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei es sich bei dem Präparat (3) um einen Impfstoff handelt.
Produkt (32), das ein Bakterium, einen Virus oder eine einzelne Zelle umfasst, wobei an dem Präparat (3) mindestens ein Leuchtstoffpartikel (2) befestigt ist, dessen Fotolumineszenzverhalten durch Strahlungseinwirkung verändert ist, sodass durch das mindestens eine Leuchtstoffpartikel (2) eine Strahlendosis, dem das Präparat (3) ausgesetzt war, ermittelbar ist.