1、光譜分析技術在生命科學中的應用光譜分析技術在生命科學中的應用 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 f /Hz 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 /m 微波紫外線紅外線可見光電磁波譜電磁波譜無線電波X射線射線Isotope - same number of protons as atomic number but different number of neutronsC,106C,126C,116C,136C146protons666 6 6neutrons456 7 8protons + neutronsAtom

2、ic number = protons什么是同位素？什么是同位素？ Isotopes can either be stable or unstable in nature. Imbalances between the number of protons andneutrons in the nucleus create unstable isotopes. Unstable isotopes undergo rearrangements to become stable through a process termed nuclear decay. - Nuclear decay resul

3、ts in the emission of kinetic energy in the form of radiation. Unstable isotopes are called radioisotopes or radionuclides.什么是放射性同位素？什么是放射性同位素？Alpha Particle (a)- high energy positively charged large particle (composed of two neutrons & two protons) low penetration. monoenergic - energy range fr

4、om 2000-8000 keV (2-8 MeV). Beta Particle (b)- low to medium energy positive (positron) or negative charge (beta negatron). penetrate much further than a, due to smaller size continuum of energy - results in an energy spectrum ranging from 0 to 2000 keV. Gamma Ray (g)- high energy, electromagnetic r

5、adiation (ray, not a particle). 核衰變核衰變IsotopeEnergy (keV) Emission125I35 g ( 7%), c(113%) 57Co122 & 136 g (86%)51Cr320 g (10%), b (90%)137Cs662 g (85%), b (15%) 58Co810 g (100%)The higher the energy of the gamma particle, the further it can penetrate the NaI crystal. Therefore, Packard offers ei

6、ther a 2 or 3 crystal in the single detector models.Gamma Emitters Commonly Used核衰變核衰變1. Heat2. Ionization3. Transfer of Energy Through Collisions with other Molecules! (i.e. cocktail)this property is used in scintillation counting to detect radionuclide decay能量吸收的三種形式能量吸收的三種形式 放射性同位素發出的射線與物質相互作用，會直

7、接放射性同位素發出的射線與物質相互作用，會直接或間接地產生電離和激發等效應，利用這些效應，可以或間接地產生電離和激發等效應，利用這些效應，可以探測放射性的存在、放射性同位素的性質和強度。探測放射性的存在、放射性同位素的性質和強度。 用來記錄各種射線的數目，測量射線強度，分析射用來記錄各種射線的數目，測量射線強度，分析射線能量的儀器統稱為探測器線能量的儀器統稱為探測器probe）。）。放射性測量放射性測量 一般將探測器分為兩大類：一是“徑跡型探測器，如照像乳膠、云室、氣泡室、火花室、電介質粒子探測器和光色探測器等，它們主要用于高能粒子物理研究領域。二是“信號型探測器，包括電離計數器，正比計數器，

8、蓋革計數管，閃爍計數器，半導體計數器和契倫科夫計數器等，這些信號型探測器在低能核物理、輻射化學、生物學、生物化學和分子生物學以及地質學等領域越來越得到廣泛地應用，尤其是閃爍計數器是生物化學和分子生物學研究中的必備儀器之一。 放射性測量的儀器和方法放射性測量的儀器和方法一、閃爍型探測器閃爍型探測器由閃爍體，光電倍增管，電源和放大器分析器定標器系統組成，現代閃爍探測器往往配備有計算機系統來處理測量結果。 當射線通過閃爍體時，閃爍體被射線電離、激發，并發出一定波長的光，這些光子射到光電倍增管的光陰極上發生光電效應而釋放出電子，電子流經電倍增管多級陰極線路逐級放大后成為電脈沖，輸入電子線路部分，而后由

9、定標器記錄下來。 光陰極產生的電子數量與照射到它上面的光子數量成正比例，即放射性同位素的量越多，在閃爍體上引起閃光次數就越多，從而儀器記錄的脈沖次數就越多。 測量的結果可用計數率，即射線每分鐘的計數次數簡寫為cpm表示，現代計數裝置通常可以同時給出衰變率，即射線每分鐘的衰變次數簡寫dpm）、計數效率E）、測量誤差等數據。 閃爍探測器是近幾年來發展較快，應用最廣泛的核探測器，它的核心結構之一是閃爍體。閃爍體在很大程度上決定了一臺計數器的質量。探測原理探測原理閃爍體是一類能吸收能量，并能在大約一微秒或更短的時間內把所吸收的一部分能量以光的形式再發射出來的物質。 閃爍體分為無機閃爍體和有機閃爍體兩大

10、類，閃爍體必需具備的性能是：對自身發射的光子應是高度透明的。閃爍體吸收它自己發射的一部分光子所占的比例隨閃爍材料而變化。無機閃爍體如NalTl）,ZnSAg）幾乎是100透明的，有機閃爍體如蒽，塑料閃爍體，液體閃爍體一般來說透明性較差。 現在常使用的幾種閃爍體是：無機晶體，主要是含雜質或不含雜質的堿金屬碘化物；有機晶體，都是未取代的或取代的芳香碳氫化合物；液態的有機溶液，即液體閃爍體；塑料溶液中的有機溶液，即固溶閃爍體。閃爍體閃爍體 它是閃爍探測器的最重要部件之一。其組成成份是光陰極和倍增電極，光陰極的作用是將閃爍體的光信號轉換成電信號，倍增電極則充當一個放大倍數大于106的放大器，光陰極上產

11、生的電子經加速作用飛到倍增電極上，每個倍增電極上均發生電子的倍增現象，倍增極的培增系數與所加電壓成正比例，所以光電倍增管的供電電源必須非常穩定，保證倍增系數的變化最小，在沒有入射的射線時，光電倍增管自身由于熱發射而產生的電子倍增稱為暗電流。用光電倍增管探測低能核輻射時，必須減小暗電流。保持測量空間環境內較低的室溫，是減小光電倍增管暗電流的有效方法。光電倍增管光電倍增管PhotonsPhoto-CathodeDiodesPhoto-ElectronsSecondaryElectronsA PMT is a linear device,therefore the output is directl

12、y proportional to thenumber of photons striking the photo-cathode.A PMT amplifies light flashes over 10,000,000 times!光電倍增管光電倍增管Photomultiplier Tube (PMT)二、晶體閃爍計數crystal scintillation counting）射線不同于和粒子，它類似于光和其它電磁輻射，在與物質作用時不直接產生電離，而是按下述三種機制之一被吸收：光電效應，康譜頓效應和生成電子對。探測原理探測原理 在光電效應中，每個光子將保持它的全部能量直到與吸收物質內原

13、子的一個軌道電子相互作用為止。在此過程中，光子把全部能量給予電子，電子以高速度射出，光子就不再存在，發射出的電子稱為光電子，光電子按粒子同樣的方式，將其能量電離，其它原子則消耗掉。 探測原理探測原理 在康普頓效應中，能量為hv的入射光子，與吸收物質內原子的一個軌道電子相互作用。在該過程中，光子把它的能量給予軌道電子，使電子射出，隨后帶有較小能量hv的光子按能量和動量兩者都守恒的形式被“散射”。射出的電子稱為反沖電子，又叫康普頓電子。康普頓電子象光電效應中的情況一樣，按與粒子相同的方式消散它的能量，散射光子進一步通過光電或康普頓過程被吸收。 探測原理探測原理 電子對生成時，某些入射光子能量按照愛

14、因斯坦方程轉化為質量：Emc2 ，式中E為er樂格表示的能量，m為以g表示的質量，c為光速，以cms為單位，入射的光子在吸收物質的一個原子的核場中以一種未知的方式湮滅，隨后產生兩個粒子，一個負電子和一個正電子，正電子只存在一個很短的時間，一旦它減慢，它就被吸收物質中的一個電子所中和，這一湮滅過程導致一對光子的產生，其每一個光子能量為0.51MeV,最終通過光電效應/康普頓效應吸收。 探測原理探測原理 射線由于沒有質量，具有很強的穿透性，而且最易被高電子密度的物質所吸收，如鉛。具有高原子序數Z的原子直接與高電子密度有關。就探測器而言，某些無機鹽能有效地吸收光子，發射出強度正比于所吸收射線能量的光

15、子。例如，鉈激活的碘化鈉，由于碘原子的原子序數Z高，并且有較高的密度比重3.67），而且每吸收單位能量的光子產額高，晶體的光透性也好，用來探測射線，效率較高。 探測原理探測原理一個供探測光子用的固體晶體裝置包括一個“密閉的鉈激活碘化鈉晶體，安放在光電倍增管的表面上。“密閉的晶體上是一塊固態圓筒狀的鉈激活碘化鈉，其頂部和四周都是用鋁層包裹以避免光和濕氣，因為碘化鈉晶體易吸潮，為改善反射性，碘化鈉晶體用一玻璃片密封，并同光電倍增管的表面直接接觸，其間加些硅油以達到光學匹配，整個裝置是不透光的。射線易于穿透晶體外表的鋁層，然后被高效的晶體所吸收，晶體發射出其能量與入射射能量成比例的可見光。接著，光電

16、倍增管將可見光能量轉換為電脈沖，各種能量轉換過程即從光子發射直到產生一個電脈沖成比例的性質，以及光子的吸收性質，保證放射性同位素可通過晶體閃爍得以計數，并定量。 晶體計數器通常設計成既能有效地探測光電效應，又能有效地探測康普頓效應。探測原理探測原理* Gamma CounterLIGHTBismuth germanate-BGOYttrium silicateNuclear decay Solid Scintillant(beta, gamma) Sodium Iodide* -NaI固體閃爍計數固體閃爍計數NaICrystalg gI-125PMTlightMCAPMT = Photomul

17、tiplier tube detects and amplifies, finally converting light into an analog signalADC = Analog to digital converter changes signal to a numberMCA = Multichannel analyzer categorizes pulses based on intensityNaI crystal = Sodium iodide crystal converts nuclear decay energy into lightADCg g計數原理計數原理Are

18、 there reasons to choose one detector type over another?Through-holeWell-typePMTNaIPMT NaI探測技術探測技術 但探測效應隨著光子能量的增大而減小，對于大多數市售計數器所用碘化鈉晶體的尺寸來說，光電效應在低光子能量，例如在低于400keV時占主要地位，而在1MeV附近即以康普頓效應為主。在這兩種能量之間，兩種效應幾乎以相等的頻率發生，由于所用的晶體尺寸較小，難以探測到電子對的生成。 另外，在塑料溶劑如聚乙烯甲苯中加入閃爍體如POPOP或TP），做成片狀，可用來探測能量較高的射線，如32P放出的1.71MeV的

19、高能量射線。最早使用的硫化鋅晶體較薄，內含微量的銀作為激活劑，可用來探測射線。 探測技術探測技術 各種射線放射性同位素都有其特征的光電峰，利用特征光電峰，可對各種射線放射性同位素進行定性和鑒別。對各種樣品的射線計數測量是將測得的計數率與總放射性強度或標準源的計數率進行比較，可以算出樣品放射性占總放射性或標準源的百分比，從而獲得樣品放射性強度。探測技術探測技術 晶體閃爍計數器現在基本都做成井型或圓柱型，用碘化鈉鉈作為閃爍體，探測射線，所以又把探測射線的晶體閃爍計數器稱為 計數器counter）。 探測技術探測技術 液體閃爍計數所用的閃爍體是液態，即將閃爍體溶解在適當的溶液中，配制成為閃爍液，并將

20、待測放射性物質放在閃爍液中進行測量。應用液體閃爍計數可達到4立體角的優越幾何測量條件，而且源的自吸收也可以忽略，對于能量低、射程短、易被空氣和其它物質吸收的射線和低能射線如3H和14C），有較高的探測效率，液體閃爍計數器是射線和低能射線的首選測量儀器。液體閃爍計數液體閃爍計數Liquifd scintillation counting） 閃爍液產生光子的過程是，從放射源發出的射線能量，首先被溶劑分子吸收，使溶劑分子激發。這種激發能量在溶劑內傳播時，即傳遞給閃爍體溶質），引起閃爍體分子的激發，當閃爍體分子回到基態時就發射出光子，該光子透過透明的閃爍液及樣品的瓶壁，被光電倍增管的光陰極接收，繼而產

21、生光電子并通過光電倍增管的倍增管的倍增極放大，然后被陽極接收形成電脈沖，完成了放射能光能電能的轉換。探測機理探測機理Scintillation Cocktail is required for detection 3Ss = Solvent, Organic Scintillator, and SurfactantxxxONsolvent organic scintillatorNuclear decay(alpha, beta, gamma) LIGHT 液體閃爍計數液體閃爍計數液體閃爍計數系統作用的閃爍溶液，是指閃爍瓶中除放射性被測樣品之外的其它組分，主要是有機溶劑和溶質閃爍體），有時為了

22、樣品的制備或提高計數效率的需要，還加入其它添加劑。 閃爍液閃爍液 一般認為，烷基苯是最好的溶劑，如甲苯，二甲苯。此外，苯甲醚也是比較好的溶劑。另外，對于含水量較多的樣品，采用1，4二氧六環作為溶劑，因為該有機化合物的極性較大，既能很好地溶解閃爍體又可溶解含水量較多的樣品，能改善計數效率，缺點是價格昂貴，冰點高，久放后產生淬滅作用很強的過氧化物，必須經純化才能使用，并應加入 0.001的二乙基二硫代氨基甲酸鈉或丁基氫氧基甲苯BHT），以抑制純化的二氧六環變質。溶劑在閃爍溶液中約占99，因而，它的純度對閃爍液的品質是很大的影響因素。溶劑中不發光的雜質、氧和水的含量多少，都關系到淬滅程度。原則上講，

23、溶劑應具有閃爍純，即不含或很少含有影響閃爍計數的淬滅成分。實際證明，“分析純試劑可以不經純化而直接使用。溶劑溶劑 在液體閃爍計數系統中，閃爍體又稱熒光體，是閃爍液的溶質，種類很多，根據其熒光特性及作用，可分為兩類，即第一閃爍體和第二閃爍體。閃爍體閃爍體第一閃爍體：（初級閃爍體）： 常用的第一閃爍體：對聯三苯TP），它是最早使用的閃爍體之一。它的計數率高，價格比較便宜，但是，在低溫或含水溶液中的溶解度不高。 2,5-二苯惡唑PPO）：它是目前普遍使用的閃爍體，能很好地溶解在常用的溶劑中，在含水的情況下也是如此，在甲苯中的溶解度達200克升以上。它的化學性質穩定，價格也較便宜。但是，它的最大缺點是

24、有明顯的濃度淬滅自身淬滅），即隨著PPO在溶劑中的濃度升高，計數效率下降。 2-苯基-5-（4-二苯基）-1,3,4惡唑PBD）： 它是已知的最有效的閃爍體之一。比PPO能耐受濃度淬滅，但是，它的溶解度低，尤其是在低溫和含水樣品存在時，溶解度下降更快，而且用量比PPO多兩倍，價格昂貴。 2-（4-t-丁基苯基）-5-（4-二苯基）-1,3,4,惡二唑丁基-PBD）：它的溶解度比PBD高，其最大優點是對化學淬滅和顏色淬滅不敏感，因而，可以獲得較高的計數效率。 閃爍體閃爍體第二閃爍體次級閃爍體）：第二閃爍體的主要功能是吸收第一閃爍體發射的光子后，再在較長的波段上重新發射出熒光來，并能增加光子的產額

25、。在高濃度下第二閃爍體起著一部分與第一閃爍體相同的作用即接受激發溶劑分子的退激能量，并發出熒光），此外，它還能與淬滅因子競爭，從而減少了第一閃爍體被淬滅的程度。在下列一種或一種以上的情況下，必須在閃爍液中加入第二閃爍體：a. 樣品中含有直接淬滅第一閃爍體的化合物；b. 第一閃爍體濃度太高而引起強烈的自身淬滅，且發射的光譜范圍與光電倍增管光陰極不匹配；c. 計數器的光電倍增管光陰極對于較長波長的光譜響應比較好；d. 測量的樣品在近紫外區有明顯的吸收。 閃爍體閃爍體常用的第二閃爍體 1,4,雙25苯基惡唑苯POPOP）：它的溶解度小，在甲苯系統為1.2克升，在二氧六環中為1.5克升。溶解速度慢，通

26、常需加熱促其溶解，它是目前普遍使用的第二閃爍體。 1,4雙24-甲基-5-苯基惡唑基）-苯DMPOPOP）：它的溶解度比POPOP大，在甲苯系列內為2.3克升，在二氧六環內是0.8克升，溶解速度也快，但沒有POPOP的計數效率高，且需要較高的使用濃度。 對-雙0-甲基苯乙稀基苯雙-MSB） 2-（4-二聯苯基）-6-苯基苯并惡唑PBBO） 閃爍體閃爍體 幾種常用的初級閃爍體的熒光波長在34603800埃之間，而Cs-sb型光陰極的最大光譜響應波長為4000埃左右。因而，對于Cs-Sb材料的光陰極，僅用初級閃爍體不能很好地進行能量轉移，計數效率很低，加入次級閃爍體后發射光譜波長增加到418043

27、00埃，使其與Cs-Sb型光陰極的光譜響應得到改善，能量轉移較好，計數效率提高。 Cs-K-Sb型是雙堿型光電倍增管，它的最大光譜響應波長比Cs-Sb型短。因而，不用次級閃爍體也可以有較好的計數效率。但是，考慮到次級體和其它功用，通常在實際工作中，往往都要使用次級閃爍體。 閃爍液中除了溶劑，閃爍體之外，有時還添加一些其它成分。為了增加閃爍液對含水樣品的溶解能力，需加入助溶劑甲醇，乙醇，乙二醇乙醚）；為了改善計數效率，則加入抗淬滅劑萘）。 閃爍體閃爍體 在液體閃爍計數中引用非常靈敏的光電倍增管，對于探測穿透力低的射線和低能量的射線如3H，14C等是極為重要的。使用一個光電倍增管的單光電倍增管液體

28、閃爍計數器，由于倍增管的熱噪聲及樣品受光照射后發出的磷光，會有較高的本底計數，探測效率也較低。使用兩個性能指標大致相同的光電倍增管，并和符合電路相連接，做成雙管符合型液體閃爍計數器，符合電路只能通過由兩只倍增管同時產生的信號，因而只有當兩只光電倍增管在符合電路分辯時間內同時觀察到的信號才被記錄下來，而由熱噪聲或磷光產生的隨機脈沖則被扣除掉，有效地降低儀器本底，提高了探測效率，系統探測效率可在50以上。探測裝置探測裝置 在液體閃爍計數系統中，光電倍增管陽極形成脈沖電壓的大小，與陽極一次收集的電子數成線性關系。在光電倍增管放大倍數不變的情況下取決于高壓的穩定性），光陰極產生的光電子越多，最后到達陽

29、極的電子數也越多，而光電子數取決于光子數。在正常情況下，閃爍劑分子釋放的光子數與放射性同位素衰變時產生的射線能量成正比關系。由于放射能在傳遞和能量轉換途中，或多或少地要發生能量消耗，因而，放射能和發射的光子數之間近似地成線性關系。這說明液體閃爍計能夠作能譜研究，以分析不同能量的放射性同位素，達到定性目的。例如，3H、14C雙標記樣品，可通過雙道液體閃爍計數器同時測定。 陽極在單位時間內產生脈沖電壓的數量，與閃爍瓶內放射性同位素的多少以及同位素衰變率成線性關系，與樣品內的放射性強度成正比，這是液體閃爍測量的定量基礎。例如，在知道液體閃爍計數器探測效率的前提下，通過對某種放射性樣品進行測定，可以求

30、得該樣品中的放射性強度為多少微居里或多少貝柯勒爾。 光電倍增管光電倍增管 液體閃爍計數器特點之一是能作雙同位素分析，配備兩個或三個以上獨立的脈沖高度分析器的多道裝置，并具有脈沖相加和線性門裝置，在每種同位素的最佳計數條件下同時測量它們，就能區分發射不同能量的同位素，假定有一個含有3H和14C的樣品，我們將儀器中脈沖高度分析器多道裝置中的道1調3H的平衡點最佳工作條件），道2調在14c的平衡點。3和14標準樣品溶解的在同樣的溶劑中，并采用與實驗樣品相同的閃爍體，首先測量空白樣品，然后對實驗樣品和標準樣品進行計數 。為了使雙標記測量獲得成功，兩種放射性同位素的譜必須要有足夠的差異來滿足脈沖高度分析

31、所要求的分離。在兩種同位素能譜過于接近的情況下，例如14和35，必須首先對它們進行同位素的化學分離，然后再分別計數。在雙標記測量中，較常用的成對同位素有3H和14C、3H和35S、3H和32P及14C和32P等。 總之，在雙同位素標記的測量中，要滿足下述兩個條件：第一，較高能量的同位素盡量能夠在不受較低能量同位素干擾的條件下進行計數；第二，選擇一個最佳條件，以對雙標記樣品中較低能量的同位素能進行計數。雙標記同位素測量的應用雙標記同位素測量的應用 流體閃爍測量的樣品制備是很重要的操作，操作的成功與否。直接影響到計數效率。樣品制備方法的選擇要考慮以下四個因素：所測樣品的物理和化學特性，決定所用閃爍

32、液類型和決定是否需要將樣品轉化為更適于測量的形式；樣品所含的同位素的種類，對于含3H的樣品要更加注意；預計的放射性水平，在樣品的放射性強度低時，要求的制備方法比較嚴格；制備過程的經濟和方便，尤其在樣品數量多的更為重要。其一般原則是必須使所制備的樣品的放射性，能在一個短的測量時間達到適當的統計學準度，最關鍵的是要求樣品制備過程中，盡可能地減少“淬滅因素。液體閃爍計數樣品的制備液體閃爍計數樣品的制備均相樣品的制備非均相樣品的制備乳狀液計數懸浮液測量 支持物測量 液體閃爍計數樣品的制備液體閃爍計數樣品的制備 放射能量在測量瓶內的傳遞和轉換過程越順利，測量效率越高。但事實上，影響能量傳遞過程順序進行的

33、因素很多，它的每一環節存在著對能量的爭奪過程，使得放射能減少，甚至發生能量傳遞的中斷，導致測量效率下降，這種現象稱為液體閃爍計數的淬滅。造成淬滅的因素很多，按淬滅性質歸納起來，有下列三種類型。化學淬滅 顏色淬滅光子淬滅局部淬滅）液體閃爍計數中的淬滅作用液體閃爍計數中的淬滅作用Cobra：5002/5003/5005/5010Riastar：5405/ 5410/ 5420Packard Gamma Counters Models單探頭系統單探頭系統 50022 英寸探頭英寸探頭- 對于實驗室的中、低能量核素的用戶，推薦對于實驗室的中、低能量核素的用戶，推薦使用。使用。 50033英寸探頭英寸探

34、頭-推薦給同位素能量大于推薦給同位素能量大于300 keV客戶使用。客戶使用。多探頭系統多探頭系統 5005 / 50105 和和 10 探頭系統，能量檢測范圍更小探頭系統，能量檢測范圍更小Cobras自動系統自動系統 5405 ,5410 ,54201.5” 井式探頭 5, 10 或者 20 探頭選擇- 推薦給低通量的臨床實驗 室RiaStar 手動系統手動系統 1470 / 1480 1, 2, 5, 10 探頭Wizard全自動或者手動全自動或者手動0FeatureDetector typeSample transportDetector diameterDisplaySamples / cassetteBasic auto QC/IPA# of detectorsEnergy rangeShielding betweendetectorsEfficiency (137Cs)Cobra 5002Cobra 5005/10 Wizard