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淺議核分析技術(shù)這門應(yīng)用科學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用
關(guān)鍵詞：核分析技術(shù);生命科學(xué)
生命科學(xué)研究工作的發(fā)展，從單元素到多元素，從宏觀觀察到微區(qū)分析。特別是近年來進(jìn)入分子生物水平的研究，要求更靈敏、更準(zhǔn)確的檢測儀器來實(shí)現(xiàn)這一目的。核分析技術(shù)目前是非常活躍的一門應(yīng)用科學(xué)，特別是在生命科學(xué)中的應(yīng)用。一些成熟的、先進(jìn)的核物理方法，在這一領(lǐng)域前沿研究中正發(fā)揮著或?qū)l(fā)揮創(chuàng)造性的、革命性的作用。
1、活化分析
活化分析是以原子核的反應(yīng)為依據(jù)的分析方法，通過用一定能量和流強(qiáng)的中子(包括熱中子、共振中子和快中子)、帶電粒子(質(zhì)子、氮子、氮子.。粒子及重離子等)或者高能光子轟擊，使穩(wěn)定的原子核轉(zhuǎn)變成為放射性原子核，然后測定放射性核素的半衰期或射線的能量進(jìn)行定性分析，測量射線的強(qiáng)度進(jìn)行定量分析，由于熱中子活化分析靈敏度高，在微量元素分析技術(shù)中得以廣泛的應(yīng)用。
2、熱中子活化分析
2.1基本原理
當(dāng)樣品放入反應(yīng)堆輻照時(shí)，待測元素受到熱中子的轟擊，使它從穩(wěn)定的原子核變成放射性的原子核，核反應(yīng)可寫為:產(chǎn)物7“As是放剔陀上核素，它的半衰期為26。32小時(shí)，通過衰變，變成其它穩(wěn)定的核素。在這過程中，核將放射出日射線和丫射線，用探測器測定丫射線的能量進(jìn)行定性，測得的Y射線強(qiáng)度進(jìn)行定量。
2.2分類
2.2.1儀器中子活化
樣品受照射后，依據(jù)放射性核素的半衰期，選用適當(dāng)?shù)睦鋮s時(shí)間，進(jìn)行放射性的測量，我們一般選用出堆后5~7天，巧~20天和30天以后進(jìn)行短半衰期、中等半衰期和長半衰期的測量。由于高分辯率的半導(dǎo)體探鍘器的出現(xiàn)(GecLi、HPGE探測器)，使得INAA發(fā)展迅速，它在中子活化分析中的比重已超過了RNAA。尤其是利用短壽命核素的儀器中子活化分析，更具有突出的優(yōu)點(diǎn)。
2.2放封化學(xué)中子活化分析
對一些含量很低的徽量元素(如PPb~PPt級)，為了得到準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)，要用化學(xué)方法進(jìn)行預(yù)處理。所用方法以萃取法、離子交換法為主。此外，還有沉淀和吸附分離法。
2.3中子活化分析的特點(diǎn)
靈敏度高。中子活化分析對多種元素的分析靈敏度為10“。~10一g，是目前測定微量元素的較好方法之一。由于中子活化分析豹靈敏度高，取樣量少，對于稀少珍貴的樣品和難得樣品來說是目前其它分析方法所不及的。如對生物活體病變機(jī)理的研究有著重要的意義。
準(zhǔn)確、精密。由于活化分析測得值與推薦值(5%，故認(rèn)為中子活化分析準(zhǔn)確度高。所以在國際標(biāo)樣推薦值中60~70%的數(shù)據(jù)為中子活化分析所測定。
多元素分析。由于該方法可靠、精密及對元素的選擇性等特點(diǎn)。在綜合性能上仍有其獨(dú)到之處。由此對各類樣品的mlJ試中子活化分析方法的使用逐漸擴(kuò)大。無試劑空白。在很多的微.髦元素分析方法中，往往需要將樣品作不同的化學(xué)處理，由于各種化學(xué)試劑中或多或少含有微量雜質(zhì)，這就導(dǎo)致了分析誤差的產(chǎn)生。儀器中子活化分析和后處理的放射化學(xué)中子活化分析，就可避免試劑的沾污。
2.4中子活化分析的應(yīng)用
2.4.1在環(huán)境科學(xué)中的應(yīng)用
水環(huán)境地球化學(xué)中的應(yīng)用:水是環(huán)境中比較活躍的要素，又是環(huán)境中物質(zhì)交換的紐帶。隨著人類對自然資源大規(guī)模的開發(fā)利用，大量工業(yè)廢水排入江、河、湖和海，污染了水體，嚴(yán)重地威脅著人們的健康。利用中子活化分析對含Hg、As、Cd、Cr微量的水樣進(jìn)行分析，可得到準(zhǔn)確的結(jié)果。近年利用中子活化對我國主要水系水體中的微量元素背景值進(jìn)行了測定[3]，水體背景值的研究將為評價(jià)天然水的污染程度、制定區(qū)域環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)、自然資源的合理開發(fā)、找礦以及探討地方性疾病的防治，人體中某些元素的豐缺與人體的健康關(guān)系等方法提供科學(xué)依據(jù)。
土壤中微量元素背景值研究:土壤背景值的研究為環(huán)境質(zhì)量評價(jià)、污染趨勢的預(yù)測和防治及工農(nóng)業(yè)的合理布局等提供科學(xué)依據(jù)。
大氣環(huán)境研究:利用中子活化分析測定氣溶膠中的微量元素Is]，探討了城市地區(qū)污染物的排放與環(huán)境污染的規(guī)律。它已是環(huán)境污染評價(jià)及環(huán)境管理的重要科學(xué)依據(jù)。
2.4.2在生命科學(xué)中的應(yīng)用
地方病病因的研究:地方病與當(dāng)?shù)丨h(huán)境中某些元素的過量或缺乏有關(guān)。而環(huán)境因素對機(jī)體的生物作用是很復(fù)雜的，在研究環(huán)境因素對健康的影響時(shí)，不僅要注意單個(gè)元素的作用，同時(shí)要注意多元素中各個(gè)元素之間的相互作用。利用中子活化分析研究了湖北省鄂西自治州克山病病區(qū)。借助該方法對病區(qū)歡，非病區(qū)的土壤、玉米以及從玉米中提取球蛋白、白蛋白和醇溶蛋白中的Se和其它微量元素的含量觀察，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)的克山病不僅與硒有關(guān)，還與其它人體必需的微量元素、拮抗元素的賦存狀態(tài)有關(guān)。
探討微量元素與疾病的關(guān)系:在用中子活分析法對常見病患者微量元素的測定過程中，發(fā)現(xiàn)這些疾病的發(fā)生是與某些微量元素的含量發(fā)生變化有關(guān)，適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充不足的微量元素有助于疾病的治愈和機(jī)體的康復(fù)I“z。
3、質(zhì)子激發(fā)X射線熒光分析(PIXE)
3.1基本原理
當(dāng)高能質(zhì)子輻照某種元素時(shí)，如果入射的高能粒子的能量大于被輻照元素原子的內(nèi)層電子結(jié)合能，就可使內(nèi)層電子電離，使原子處于激發(fā)態(tài)。根據(jù)量子力學(xué)的原理，激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，將遵照一定選擇定則產(chǎn)生一系列的電子躍遷，同時(shí)發(fā)射出元素的特征X射線光量子，使原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。根據(jù)譜線的能量進(jìn)行定性，譜線的強(qiáng)度進(jìn)行定量。
3.2應(yīng)用
環(huán)境科學(xué)研究中的應(yīng)用:采用PIXE分析法可對大氣氣溶膠樣品中10多種元素進(jìn)行測定，借以探討大氣污染源[‘J。生命科學(xué)研究中的應(yīng)用:有人用PIXE方法對414例食管癌、食管上皮重度增生病人和正常人的頭發(fā)樣品中的12種元素進(jìn)行
了測定，顯示癌癥病人與正常人的10種元素(51、S、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Pb、Sr)有顯著的差異。食管上皮重度增生病人與正常人的9種元素(51、p、S、Ca、er、Mn、Fe、Ni、Zn)有顯著差異，表明頭發(fā)中微量元素的變化先于食管的癌變，其研究結(jié)果可應(yīng)用于食管癌的早期診斷[“1。
.同步輻射X射級熒光分析同步輻射具有高強(qiáng)度(比X光機(jī)發(fā)出的X射線強(qiáng)105~10略倍)、天然準(zhǔn)直(集中在貯存環(huán)電子軌道平面切線方向?yàn)橹休S的細(xì)長光錐內(nèi)，垂直張角只有零點(diǎn)幾個(gè)毫弧度)、高度極化(在同步輻射束流中心一接近100%極化)、寬的連續(xù)潛等特性。充分利用這些特性，可以顯著地提高X射線熒光的靈敏度，改善X射線熒光的信噪比，從而降低X射線熒光檢測物質(zhì)元素含量的檢測限。由于同步輻射無韌致輻射本底，對樣品損傷極小，因此特別適合于生物、醫(yī)學(xué)樣品的無損傷分析。同時(shí)它具有大的掃描范圍。如高能物理所同步輻射國家實(shí)驗(yàn)室的X熒光樣品的掃描平臺可掃描石0x60mm2。
應(yīng)用同步輻射亞毫米探針對正常及胃癌病人的胃粘膜切片進(jìn)行多元素分析，得到P、S、CI、K、Ca、TZ、Mn、Fe、C:、Zn、Se、Br和Rb等元素在組織內(nèi)的分布情況，結(jié)果表明:在胃癌組織中P和K的濃度高于正常組織，而Cl、Ca、Se和Br的情況則相反。在正常組織向癌
組織過渡中，這些元素的濃度呈現(xiàn)有規(guī)則地逐漸變化[.1。
S掃描質(zhì)子橄裸針(SPM)SPM是我國近年來建立的核分析技術(shù)，具有幾微米的空間分辯率，檢測限為10Ppm以上。可作微區(qū)多元素分布分析和超微結(jié)構(gòu)分析。
當(dāng)質(zhì)子束被聚焦系統(tǒng)收縮成幾個(gè)微米的微束之后，用一對無鐵芯掃描線圈使質(zhì)子微束在樣品表面進(jìn)行掃描，掃描線圈的電流由IBM一PC計(jì)算機(jī)控制，通過改變掃描線圈中電流的頻率、幅度和偏置，控制微束在樣品表面的掃描形式。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)按快速隨機(jī)事件的方式被記錄下來。每個(gè)事件包括特征X射線能量和對應(yīng)的XY座標(biāo)位置信息，經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后繪制成元素等面線分布圖。上海原子核所199。年建立了SPM系統(tǒng)，質(zhì)子能量Ep=3MeV，束斑直徑為2卜m，束流為1一loPA最大掃描范圍為400x400林mZ。
4、掃描艘道顯橄技術(shù)(STM)
工作原理:在樣品和STM的具有單原子大小的針尖之間加偏置電壓時(shí)，當(dāng)針尖與樣品表面間的距離為10A時(shí)，產(chǎn)生隧道電流。這個(gè)隧道電流I，它與間距r的關(guān)系，為I正比于間距的3次方。針尖在樣品表面作X，Y平面掃描時(shí)便得到三維隧道電流，將I通過放大器放大后與標(biāo)志位置的信號送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過數(shù)據(jù)和圖象處理得到反映原子排列的STM圖象。在同一樣品中的不同原子在STM圖象上灰度不同，根據(jù)圖象繪出的信息可進(jìn)行微區(qū)結(jié)構(gòu)的研究。
當(dāng)今生命科學(xué)研究的焦點(diǎn)集中在蛋白質(zhì)及核酸這兩種生物大分子的結(jié)構(gòu)及功能的研究上，生命現(xiàn)象雖然在數(shù)百萬種生物種屬中的表現(xiàn)形式是多種多樣的，但生命現(xiàn)象中最本質(zhì)的東西在不同生物種屬中確是高度一致的。蛋白質(zhì)及核酸這兩種生物大分子正是千差萬別錯(cuò)綜復(fù)雜的多層次的生命現(xiàn)象中最本質(zhì)而又高度一致的物質(zhì)基礎(chǔ)。但是蛋白質(zhì)及核酸這兩種重要的生命大分子的功能只有在活細(xì)胞中進(jìn)行。生命過程所必齋的能量代謝、物質(zhì)代謝、信息代謝眾多的生化生理過程，均是在細(xì)胞這個(gè)肉眼看不見的處于微米結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的微小王國里進(jìn)行的。
前面所介紹的X射線結(jié)構(gòu)分析法(如同步輻射)必須首先發(fā)展培育技術(shù)，但對晶態(tài)的蛋白空間結(jié)構(gòu)及功能狀態(tài)并不一定與其在有機(jī)體內(nèi)一致。而5TM不需要這樣做，同時(shí)STM不需要電鏡的高真空和高能量條件，對樣品表面結(jié)構(gòu)的探測是無損的，并且以活細(xì)胞為研究對象，有可能獲得足夠的動態(tài)信息，從而反映整體的功能狀態(tài)，以期深化對機(jī)體生理及病理過程的理解，為臨床相應(yīng)疾病提供診斷和治療的客觀指標(biāo)，為藥理學(xué)研究提供細(xì)胞水平的模型。為了解細(xì)胞、亞細(xì)胞層次的，以及大分子集團(tuán)的細(xì)微形態(tài)結(jié)構(gòu)，用掃描隧道顯微鏡才有可能實(shí)現(xiàn)。因?yàn)樗煞洲q到原子的尺寸，它對于生物大分子和其相互作用的直觀形態(tài)觀察提供了有力的手段。利用這一技術(shù)對DNA以及DNA和蛋白質(zhì)復(fù)合體的表面形貌的直接觀察已成為可能。
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