核分析技術(shù)這門應(yīng)用科學(xué)在生命科學(xué)中的應(yīng)用探究

　　摘要：　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(lái)進(jìn)入分子生物水平的研究，要求更靈敏、更準(zhǔn)確的檢測(cè)儀器來(lái)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)�發(fā)揮創(chuàng)造性的、革命性的作用。

　　關(guān)鍵詞：核分析技術(shù);生命科學(xué)

　　Abstract: The development of life science research, from a single element to the multi-element analysis from the macro to the micro-region was observed. Especially in recent years into the study of the molecular biological level, requiring more sensitive and more accurate detection instruments to achieve this goal. Nuclear analytical techniques are currently very active in an applied science, especially in Life Science. Some mature, advanced nuclear physics methods, cutting-edge research in this field is playing or will play a creative and revolutionary role.

　　Keywords: nuclear analytical techniques; life sciences

　　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(guò)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(cè)定放射性核素的半衰期或射線的能量進(jìn)行定性分析，測(cè)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(cè)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(guò)衰變，變成其它穩(wěn)定的核素。在這過(guò)程中，核將放射出日射線和丫射線，用探測(cè)器測(cè)定丫射線的能量進(jìn)行定性，測(cè)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(cè)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(zhǎng)半衰期的測(cè)量。由于高分辯率的半導(dǎo)體探鍘器的出現(xiàn)(GecLi、HPGE探測(cè)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(duì)一些含量很低的徽量元素(如PPb~PPt級(jí))，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(duì)多種元素的分析靈敏度為10“。~10一g，是目前測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)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(guó)際標(biāo)樣推薦值中60~70%的數(shù)據(jù)為中子活化分析所測(cè)定。

　　多元素分析。由于該方法可靠、精密及對(duì)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(duì)各類樣品的mlJ試中子活化分析方法的使用逐漸擴(kuò)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(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(duì)自然資源大規(guī)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(yán)重地威脅著人們的健康。利用中子活化分析對(duì)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(duì)我國(guó)主要水系水體中的微量元素背景值進(jìn)行了測(cè)定[3]，水體背景值的研究將為評(píng)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(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(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(píng)價(jià)、污染趨勢(shì)的預(yù)測(cè)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(cè)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(píng)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(guò)量或缺乏有關(guān)。而環(huán)境因素對(duì)機(jī)體的生物作用是很復(fù)雜的，在研究環(huán)境因素對(duì)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(duì)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(duì)常見(jiàn)病患者微量元素的測(cè)定過(guò)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(duì)大氣氣溶膠樣品中10多種元素進(jìn)行測(cè)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(duì)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(cè)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(jí)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(zhǎng)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(cè)物質(zhì)元素含量的檢測(cè)限。由于同步輻射無(wú)韌致輻射本底，對(duì)樣品損傷極小，因此特別適合于生物、醫(yī)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室的X熒光樣品的掃描平臺(tái)可掃描石0x60mm2。

　　應(yīng)用同步輻射亞毫米探針對(duì)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(guò)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(guó)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(cè)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(duì)無(wú)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(guò)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(lái)。每個(gè)事件包括特征X射線能量和對(duì)應(yīng)的XY座標(biāo)位置信息，經(jīng)過(guò)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(guò)放大器放大后與標(biāo)志位置的信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)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(wàn)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(wàn)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(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(xì)胞這個(gè)肉眼看不見(jiàn)的處于微米結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的微小王國(guó)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(duì)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(duì)樣品表面結(jié)構(gòu)的探測(cè)是無(wú)損的，并且以活細(xì)胞為研究對(duì)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(duì)機(jī)體生理及病理過(guò)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�可分辯到原子的尺寸，它對(duì)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(duì)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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