核分析技术这门应用科学在生命科学中的应用探究
摘要： 生命科学研究工作的发展，从单元素到多元素，从宏观观察到微区分析。特别是近年来进入分子生物水平的研究，要求更灵敏、更准确的检测仪器来实现这一目的。核分析技术目前是非常活跃的一门应用科学，特别是在生命科学中的应用。一些成熟的、先进的核物理方法，在这一领域前沿研究中正发挥着或将发挥创造性的、革命性的作用。
关键词：核分析技术;生命科学
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应为依据的分析方法，通过用一定能量和流强的中子(包括热中子、共振中子和快中子)、带电粒子(质子、氮子、氮子.。粒子及重离子等)或者高能光子轰击，使稳定的原子核转变成为放射性原子核，然后测定放射性核素的半衰期或射线的能量进行定性分析，测量射线的强度进行定量分析，由于热中子活化分析灵敏度高，在微量元素分析技术中得以广泛的应用。
2、热中子活化分析
2.1基本原理
当样品放入反应堆辐照时，待测元素受到热中子的轰击，使它从稳定的原子核变成放射性的原子核，核反应可写为:产物7“As是放剔陀上核素，它的半衰期为26。32小时，通过衰变，变成其它稳定的核素。在这过程中，核将放射出日射线和丫射线，用探测器测定丫射线的能量进行定性，测得的Y射线强度进行定量。
2.2分类
2.2.1仪器中子活化
样品受照射后，依据放射性核素的半衰期，选用适当的冷却时间，进行放射性的测量，我们一般选用出堆后5~7天，巧~20天和30天以后进行短半衰期、中等半衰期和长半衰期的测量。由于高分辩率的半导体探铡器的出现(GecLi、HPGE探测器)，使得INAA发展迅速，它在中子活化分析中的比重已超过了RNAA。尤其是利用短寿命核素的仪器中子活化分析，更具有突出的优点。
2.2放封化学中子活化分析
对一些含量很低的徽量元素(如PPb~PPt级)，为了得到准确可靠的数据，要用化学方法进行预处理。所用方法以萃取法、离子交换法为主。此外，还有沉淀和吸附分离法。
2.3中子活化分析的特点
灵敏度高。中子活化分析对多种元素的分析灵敏度为10“。~10一g，是目前测定微量元素的较好方法之一。由于中子活化分析豹灵敏度高，取样量少，对于稀少珍贵的样品和难得样品来说是目前其它分析方法所不及的。如对生物活体病变机理的研究有着重要的意义。
准确、精密。由于活化分析测得值与推荐值(5%，故认为中子活化分析准确度高。所以在国际标样推荐值中60~70%的数据为中子活化分析所测定。
多元素分析。由于该方法可靠、精密及对元素的选择性等特点。在综合性能上仍有其独到之处。由此对各类样品的mlJ试中子活化分析方法的使用逐渐扩大。无试剂空白。在很多的微.髦元素分析方法中，往往需要将样品作不同的化学处理，由于各种化学试剂中或多或少含有微量杂质，这就导致了分析误差的产生。仪器中子活化分析和后处理的放射化学中子活化分析，就可避免试剂的沾污。
2.4中子活化分析的应用
2.4.1在环境科学中的应用
水环境地球化学中的应用:水是环境中比较活跃的要素，又是环境中物质交换的纽带。随着人类对自然资源大规模的开发利用，大量工业废水排入江、河、湖和海，污染了水体，严重地威胁着人们的健康。利用中子活化分析对含Hg、As、Cd、Cr微量的水样进行分析，可得到准确的结果。近年利用中子活化对我国主要水系水体中的微量元素背景值进行了测定[3]，水体背景值的研究将为评价天然水的污染程度、制定区域环境标准、自然资源的合理开发、找矿以及探讨地方性疾病的防治，人体中某些元素的丰缺与人体的健康关系等方法提供科学依据。
土壤中微量元素背景值研究:土壤背景值的研究为环境质量评价、污染趋势的预测和防治及工农业的合理布局等提供科学依据。
大气环境研究:利用中子活化分析测定气溶胶中的微量元素Is]，探讨了城市地区污染物的排放与环境污染的规律。它已是环境污染评价及环境管理的重要科学依据。
2.4.2在生命科学中的应用
地方病病因的研究:地方病与当地环境中某些元素的过量或缺乏有关。而环境因素对机体的生物作用是很复杂的，在研究环境因素对健康的影响时，不仅要注意单个元素的作用，同时要注意多元素中各个元素之间的相互作用。利用中子活化分析研究了湖北省鄂西自治州克山病病区。借助该方法对病区欢，非病区的土壤、玉米以及从玉米中提取球蛋白、白蛋白和醇溶蛋白中的Se和其它微量元素的含量观察，发现该地区的克山病不仅与硒有关，还与其它人体必需的微量元素、拮抗元素的赋存状态有关。
探讨微量元素与疾病的关系:在用中子活分析法对常见病患者微量元素的测定过程中，发现这些疾病的发生是与某些微量元素的含量发生变化有关，适当的补充不足的微量元素有助于疾病的治愈和机体的康复I“z。
3、质子激发X射线荧光分析(PIXE)
3.1基本原理
当高能质子辐照某种元素时，如果入射的高能粒子的能量大于被辐照元素原子的内层电子结合能，就可使内层电子电离，使原子处于激发态。根据量子力学的原理，激发态原子不稳定，将遵照一定选择定则产生一系列的电子跃迁，同时发射出元素的特征X射线光量子，使原子从激发态回到基态。根据谱线的能量进行定性，谱线的强度进行定量。
3.2应用
环境科学研究中的应用:采用PIXE分析法可对大气气溶胶样品中10多种元素进行测定，借以探讨大气污染源[‘J。生命科学研究中的应用:有人用PIXE方法对414例食管癌、食管上皮重度增生病人和正常人的头发样品中的12种元素进行
了测定，显示癌症病人与正常人的10种元素(51、S、Ca、Cr、Mn、Fe、Ni、Cu、Pb、Sr)有显著的差异。食管上皮重度增生病人与正常人的9种元素(51、p、S、Ca、er、Mn、Fe、Ni、Zn)有显著差异，表明头发中微量元素的变化先于食管的癌变，其研究结果可应用于食管癌的早期诊断[“1。
.同步辐射X射级荧光分析同步辐射具有高强度(比X光机发出的X射线强105~10略倍)、天然准直(集中在贮存环电子轨道平面切线方向为中轴的细长光锥内，垂直张角只有零点几个毫弧度)、高度极化(在同步辐射束流中心一接近100%极化)、宽的连续潜等特性。充分利用这些特性，可以显著地提高X射线荧光的灵敏度，改善X射线荧光的信噪比，从而降低X射线荧光检测物质元素含量的检测限。由于同步辐射无韧致辐射本底，对样品损伤极小，因此特别适合于生物、医学样品的无损伤分析。同时它具有大的扫描范围。如高能物理所同步辐射国家实验室的X荧光样品的扫描平台可扫描石0x60mm2。
应用同步辐射亚毫米探针对正常及胃癌病人的胃粘膜切片进行多元素分析，得到P、S、CI、K、Ca、TZ、Mn、Fe、C:、Zn、Se、Br和Rb等元素在组织内的分布情况，结果表明:在胃癌组织中P和K的浓度高于正常组织，而Cl、Ca、Se和Br的情况则相反。在正常组织向癌
组织过渡中，这些元素的浓度呈现有规则地逐渐变化[.1。
S扫描质子橄裸针(SPM)SPM是我国近年来建立的核分析技术，具有几微米的空间分辩率，检测限为10Ppm以上。可作微区多元素分布分析和超微结构分析。
当质子束被聚焦系统收缩成几个微米的微束之后，用一对无铁芯扫描线圈使质子微束在样品表面进行扫描，扫描线圈的电流由IBM一PC计算机控制，通过改变扫描线圈中电流的频率、幅度和偏置，控制微束在样品表面的扫描形式。实验数据按快速随机事件的方式被记录下来。每个事件包括特征X射线能量和对应的XY座标位置信息，经过计算机处理后绘制成元素等面线分布图。上海原子核所199。年建立了SPM系统，质子能量Ep=3MeV，束斑直径为2卜m，束流为1一loPA最大扫描范围为400x400林mZ。
4、扫描艘道显橄技术(STM)
工作原理:在样品和STM的具有单原子大小的针尖之间加偏置电压时，当针尖与样品表面间的距离为10A时，产生隧道电流。这个隧道电流I，它与间距r的关系，为I正比于间距的3次方。针尖在样品表面作X，Y平面扫描时便得到三维隧道电流，将I通过放大器放大后与标志位置的信号送入计算机，经过数据和图象处理得到反映原子排列的STM图象。在同一样品中的不同原子在STM图象上灰度不同，根据图象绘出的信息可进行微区结构的研究。
当今生命科学研究的焦点集中在蛋白质及核酸这两种生物大分子的结构及功能的研究上，生命现象虽然在数百万种生物种属中的表现形式是多种多样的，但生命现象中最本质的东西在不同生物种属中确是高度一致的。蛋白质及核酸这两种生物大分子正是千差万别错综复杂的多层次的生命现象中最本质而又高度一致的物质基础。但是蛋白质及核酸这两种重要的生命大分子的功能只有在活细胞中进行。生命过程所必斋的能量代谢、物质代谢、信息代谢众多的生化生理过程，均是在细胞这个肉眼看不见的处于微米结构范围内的微小王国里进行的。
前面所介绍的X射线结构分析法(如同步辐射)必须首先发展培育技术，但对晶态的蛋白空间结构及功能状态并不一定与其在有机体内一致。而5TM不需要这样做，同时STM不需要电镜的高真空和高能量条件，对样品表面结构的探测是无损的，并且以活细胞为研究对象，有可能获得足够的动态信息，从而反映整体的功能状态，以期深化对机体生理及病理过程的理解，为临床相应疾病提供诊断和治疗的客观指标，为药理学研究提供细胞水平的模型。为了解细胞、亚细胞层次的，以及大分子集团的细微形态结构，用扫描隧道显微镜才有可能实现。因为它可分辩到原子的尺寸，它对于生物大分子和其相互作用的直观形态观察提供了有力的手段。利用这一技术对DNA以及DNA和蛋白质复合体的表面形貌的直接观察已成为可能。
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