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淺議核分析技術(shù)這門(mén)應用科學(xué)在生命科學(xué)中的應用
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(guān)觀(guān)察到微區分析。特別是近年來(lái)進(jìn)入分子生物水平的研究，要求更靈敏、更準確的檢測儀器來(lái)實(shí)現這一目的。核分析技術(shù)目前是非�；钴S的一門(mén)應用科學(xué)，特別是在生命科學(xué)中的應用。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(zhù)或將發(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為依據的分析方法，通過(guò)用一定能量和流強的中子(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，使穩定的原子核轉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(xiàn)的能量進(jìn)行定性分析，測量射線(xiàn)的強度進(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)中得以廣泛的應用。
2、熱中子活化分析
2.1基本原理
當樣品放入反應堆輻照時(shí)，待測元素受到熱中子的轟擊，使它從穩定的原子核變成放射性的原子核，核反應可寫(xiě)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(guò)衰變，變成其它穩定的核素。在這過(guò)程中，核將放射出日射線(xiàn)和丫射線(xiàn)，用探測器測定丫射線(xiàn)的能量進(jìn)行定性，測得的Y射線(xiàn)強度進(jìn)行定量。
2.2分類(lèi)
2.2.1儀器中子活化
樣品受照射后，依據放射性核素的半衰期，選用適當的冷卻時(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(cháng)半衰期的測量。由于高分辯率的半導體探鍘器的出現(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(guò)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)，為了得到準確可靠的數據，要用化學(xué)方法進(jìn)行預處理。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(lái)說(shuō)是目前其它分析方法所不及的。如對生物活體病變機理的研究有著(zhù)重要的意義。
準確、精密。由于活化分析測得值與推薦值(5%，故認為中子活化分析準確度高。所以在國際標樣推薦值中60~70%的數據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到之處。由此對各類(lèi)樣品的mlJ試中子活化分析方法的使用逐漸擴大。無(wú)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中子活化分析的應用
2.4.1在環(huán)境科學(xué)中的應用
水環(huán)境地球化學(xué)中的應用: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(zhù)人類(lèi)對自然資源大規模的開(kāi)發(fā)利用，大量工業(yè)廢水排入江、河、湖和海，污染了水體，嚴重地威脅著(zhù)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，可得到準確的結果。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、制定區域環(huán)境標準、自然資源的合理開(kāi)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。
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)、污染趨勢的預測和防治及工農業(yè)的合理布局等提供科學(xué)依據。
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]，探討了城市地區污染物的排放與環(huán)境污染的規律。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。
2.4.2在生命科學(xué)中的應用
地方病病因的研究:地方病與當地環(huán)境中某些元素的過(guò)量或缺乏有關(guān)。而環(huán)境因素對機體的生物作用是很復雜的，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。借助該方法對病區歡，非病區的土壤、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(guān)察，發(fā)現該地區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(jiàn)病患者微量元素的測定過(guò)程中，發(fā)現這些疾病的發(fā)生是與某些微量元素的含量發(fā)生變化有關(guān)，適當的補充不足的微量元素有助于疾病的治愈和機體的康復I“z。
3、質(zhì)子激發(fā)X射線(xiàn)熒光分析(PIXE)
3.1基本原理
當高能質(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層電子結合能，就可使內層電子電離，使原子處于激發(fā)態(tài)。根據量子力學(xué)的原理，激發(fā)態(tài)原子不穩定，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(xiàn)光量子，使原子從激發(fā)態(tài)回到基態(tài)。根據譜線(xiàn)的能量進(jìn)行定性，譜線(xiàn)的強度進(jìn)行定量。
3.2應用
環(huán)境科學(xué)研究中的應用: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(zhù)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(zhù)差異，表明頭發(fā)中微量元素的變化先于食管的癌變，其研究結果可應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度(比X光機發(fā)出的X射線(xiàn)強105~10略倍)、天然準直(集中在貯存環(huán)電子軌道平面切線(xiàn)方向為中軸的細長(cháng)光錐內，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)、寬的連續潛等特性。充分利用這些特性，可以顯著(zhù)地提高X射線(xiàn)熒光的靈敏度，改善X射線(xiàn)熒光的信噪比，從而降低X射線(xiàn)熒光檢測物質(zhì)元素含量的檢測限。由于同步輻射無(wú)韌致輻射本底，對樣品損傷極小，因此特別適合于生物、醫學(xué)樣品的無(wú)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)驗室的X熒光樣品的掃描平臺可掃描石0x60mm2。
應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等元素在組織內的分布情況，結果表明: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(guò)渡中，這些元素的濃度呈現有規則地逐漸變化[.1。
S掃描質(zhì)子橄裸針(SPM)SPM是我國近年來(lái)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�？勺魑^多元素分布分析和超微結構分析。
當質(zhì)子束被聚焦系統收縮成幾個(gè)微米的微束之后，用一對無(wú)鐵芯掃描線(xiàn)圈使質(zhì)子微束在樣品表面進(jìn)行掃描，掃描線(xiàn)圈的電流由IBM一PC計算機控制，通過(guò)改變掃描線(xiàn)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)驗數據按快速隨機事件的方式被記錄下來(lái)。每個(gè)事件包括特征X射線(xiàn)能量和對應的XY座標位置信息，經(jīng)過(guò)計算機處理后繪制成元素等面線(xiàn)分布圖。上海原子核所199。年建立了SPM系統，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(guò)放大器放大后與標志位置的信號送入計算機，經(jīng)過(guò)數據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，根據圖象繪出的信息可進(jìn)行微區結構的研究。
當今生命科學(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構及功能的研究上，生命現象雖然在數百萬(wàn)種生物種屬中的表現形式是多種多樣的，但生命現象中最本質(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(wàn)別錯綜復雜的多層次的生命現象中最本質(zhì)而又高度一致的物質(zhì)基礎。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胞中進(jìn)行。生命過(guò)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(guò)程，均是在細胞這個(gè)肉眼看不見(jiàn)的處于微米結構范圍內的微小王國里進(jìn)行的。
前面所介紹的X射線(xiàn)結構分析法(如同步輻射)必須首先發(fā)展培育技術(shù)，但對晶態(tài)的蛋白空間結構及功能狀態(tài)并不一定與其在有機體內一致。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，對樣品表面結構的探測是無(wú)損的，并且以活細胞為研究對象，有可能獲得足夠的動(dòng)態(tài)信息，從而反映整體的功能狀態(tài)，以期深化對機體生理及病理過(guò)程的理解，為臨床相應疾病提供診斷和治療的客觀(guān)指標，為藥理學(xué)研究提供細胞水平的模型。為了解細胞、亞細胞層次的，以及大分子集團的細微形態(tài)結構，用掃描隧道顯微鏡才有可能實(shí)現。因為它可分辯到原子的尺寸，它對于生物大分子和其相互作用的直觀(guān)形態(tài)觀(guān)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)復合體的表面形貌的直接觀(guān)察已成為可能。
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