Elektronenemissionsspektren von Goldnanopartikeln zur Dosisberechnung in der Strahlentherapie
Creators: name: Hepperle, Philine Antonia
Publisher: name: Hannover : Institutionelles Repositorium der Leibniz Universität Hannover
Year: 2024
Subjects: subject: gold nanoparticles
subject: electron emission spectra
subject: radiation therapy
subject: contains research data
subject: Goldnanopartikel
subject: Elektronenemissionsspektren
subject: Strahlentherapie
subject: enthält Forschungsdaten
subject: Dewey Decimal Classification::500 | Naturwissenschaften::530 | Physik

description: Die Strahlentherapie ist eine der drei Standardmethoden zur Behandlung von Krebserkrankungen und basiert auf der zellschädigenden Wirkung ionisierender Strahlung und der durch sie freigesetzten Sekundärelektronen. Da die Wechselwirkungen jedoch nicht zellspezifisch sind, werden neben dem tumorösen Gewebe auch gesunde Zellen geschädigt. Um dies zu verringern, sollen sogenannte Radiosensitizer, wie beispielsweise Goldnanopartikel (AuNP), in das Tumorgewebe eingebracht werden, welche die Dosisverteilung stärker auf das Tumorvolumen beschränken. In der modernen Therapieplanung spielen Strahlentransportrechnungen mittels Monte-Carlo (MC) Simulationen eine wichtige Rolle. Diese Rechnungen basieren derzeit auf physikalischen Modellen, die insbesondere bei Elektronenenergien unterhalb einiger keV nur eine grobe Näherung darstellen. MC Simulationen unterschiedlicher Studien weisen dabei oft eine große Bandbreite von Ergebnissen auf. Ziel der Arbeit war es, die Elektronenemissionsspektren von AuNP für Elektronen-, Protonen- und Photonenstrahlung zu bestimmen und dadurch einen ersten Datensatz zum Benchmarken von MC Simulationen zur Verfügung zu stellen. Hierfür mussten in einem ersten Schritt ein geeignetes Trägermaterial sowie eine optimale Depositionstechnik für die verwendeten AuNP gefunden werden. Als das geeignetste Substrat für die Deposition der AuNP konnte eine freitragende Kohlenstofffolie ausgemacht werden. Bei der Deposition erwies sich das Drop-Casting als die beste Methode. Die Deposition mit einem Spin-Coater lieferte ebenfalls gute Resultate, mit einem Microdrop konnte dagegen keine ausreichend homogene Probe hergestellt werden. Nach der Präparation wurden die Proben mittels Rasterelektronenmikroskopie sowie Rastertransmissionselektronenmikroskopie hinsichtlich ihrer Größe, räumlichen Verteilung und Flächenbelegung charakterisiert. Hieraus ergab sich, dass die AuNP sowohl Monolagen als auch Cluster bilden, welche in Multilagen übergehen. Die Proben wurden anschließend mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie hinsichtlich ihrer chemischen Struktur analysiert. Dabei konnten Kohlenstoff- und Sauerstoffkontaminationen nachgewiesen werden. Ein Sputtern der Probe mit Argon entfernte zwar die Kontaminationen, aber auch das Coating der AuNP, sodass ein Sputtern nur in begrenztem Umfang möglich ist. Für die auf der Kohlenstofffolie deponierten AuNP konnte aufgrund ihres Coatings sowie von Kontaminationen nahezu keine Zunahme der Elektronenausbeute bei Messungen mit einem Elektronenstrahl im Vergleich zu Messungen der Kohlenstofffolie ohne AuNP festgestellt werden. Die in dieser Arbeit durchgeführten Messungen mit Protonenstrahlung zeigen zum ersten Mal doppelt differentielle Elektronenemissionsspektren von AuNP und Gold. Hierbei konnte ein deutlicher Anstieg der Elektronenausbeute durch die Verwendung von AuNP im Vergleich zur reinen Kohlenstofffolie beobachtet werden. Die mit Photonenstrahlung an der Beamline P22 bei PETRA III am DESY in Hamburg gemessenen Elektronenemissionsspektren zeigten ebenfalls eine erhöhte Elektronenausbeute durch den Einsatz von AuNP im Vergleich zur Kohlenstofffolie ohne AuNP. Sie liefern erste wertvolle Benchmark-Daten für Photonen- und Elektronentransportprozesse in AuNP für Energien bis etwa 10 keV.