核分析技術這門應用科學在生命科學中的應用探究
摘要： 生命科學研究工作的發(fā)展，從單元素到多元素，從宏觀觀察到微區(qū)分析。特別是近年來進入分子生物水平的研究，要求更靈敏、更準確的檢測儀器來實現這一目的。核分析技術目前是非常活躍的一門應用科學，特別是在生命科學中的應用。一些成熟的、先進的核物理方法，在這一領域前沿研究中正發(fā)揮著或將發(fā)揮創(chuàng)造性的、革命性的作用。
關鍵詞：核分析技術;生命科學
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為依據的分析方法，通過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行定性分析，測量射線的強度進行定量分析，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，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，核反應可寫為:產物7“As是放剔陀上核素，它的半衰期為26。32小時，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行定性，測得的Y射線強度進行定量。
2.2分類
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，選用適當的冷卻時間，進行放射性的測量，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。
2.2放封化學中子活化分析
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，要用化學方法進行預處理。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
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理的研究有著重要的意義。
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。在綜合性能上仍有其獨到之處。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處理，由于各種化學試劑中或多或少含有微量雜質，這就導致了分析誤差的產生。儀器中子活化分析和后處理的放射化學中子活化分析，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)境科學中的應用
水環(huán)境地球化學中的應用: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行了測定[3]，水體背景值的研究將為評價天然水的污染程度、制定區(qū)域環(huán)境標準、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系等方法提供科學依據。
土壤中微量元素背景值研究:土壤背景值的研究為環(huán)境質量評價、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(qū)污染物的排放與環(huán)境污染的規(guī)律。它已是環(huán)境污染評價及環(huán)境管理的重要科學依據。
2.4.2在生命科學中的應用
地方病病因的研究:地方病與當地環(huán)境中某些元素的過量或缺乏有關。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，不僅要注意單個元素的作用，同時要注意多元素中各個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)現該地區(qū)的克山病不僅與硒有關，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。
探討微量元素與疾病的關系: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，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、質子激發(fā)X射線熒光分析(PIXE)
3.1基本原理
當高能質子輻照某種元素時，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)。根據量子力學的原理，激發(fā)態(tài)原子不穩(wěn)定，將遵照一定選擇定則產生一系列的電子躍遷，同時發(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)。根據譜線的能量進行定性，譜線的強度進行定量。
3.2應用
環(huán)境科學研究中的應用:采用PIXE分析法可對大氣氣溶膠樣品中10多種元素進行測定，借以探討大氣污染源[‘J。生命科學研究中的應用: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射線強105~10略倍)、天然準直(集中在貯存環(huán)電子軌道平面切線方向為中軸的細長光錐內，垂直張角只有零點幾個毫弧度)、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)學樣品的無損傷分析。同時它具有大的掃描范圍。如高能物理所同步輻射國家實驗室的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
組織過渡中，這些元素的濃度呈現有規(guī)則地逐漸變化[.1。
S掃描質子橄裸針(SPM)SPM是我國近年來建立的核分析技術，具有幾微米的空間分辯率，檢測限為10Ppm以上�？勺魑^(qū)多元素分布分析和超微結構分析。
當質子束被聚焦系統收縮成幾個微米的微束之后，用一對無鐵芯掃描線圈使質子微束在樣品表面進行掃描，掃描線圈的電流由IBM一PC計算機控制，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。實驗數據按快速隨機事件的方式被記錄下來。每個事件包括特征X射線能量和對應的XY座標位置信息，經過計算機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，質子能量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(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，當針尖與樣品表面間的距離為10A時，產生隧道電流。這個隧道電流I，它與間距r的關系，為I正比于間距的3次方。針尖在樣品表面作X，Y平面掃描時便得到三維隧道電流，將I通過放大器放大后與標志位置的信號送入計算機，經過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行微區(qū)結構的研究。
當今生命科學研究的焦點集中在蛋白質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的東西在不同生物種屬中確是高度一致的。蛋白質及核酸這兩種生物大分子正是千差萬別錯綜復雜的多層次的生命現象中最本質而又高度一致的物質基礎。但是蛋白質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行。生命過程所必齋的能量代謝、物質代謝、信息代謝眾多的生化生理過程，均是在細胞這個肉眼看不見的處于微米結構范圍內的微小王國里進行的。
前面所介紹的X射線結構分析法(如同步輻射)必須首先發(fā)展培育技術，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損的，并且以活細胞為研究對象，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)，以期深化對機體生理及病理過程的理解，為臨床相應疾病提供診斷和治療的客觀指標，為藥理學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形態(tài)觀察提供了有力的手段。利用這一技術對DNA以及DNA和蛋白質復合體的表面形貌的直接觀察已成為可能。
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