放射性同位素ppt课件

1、光谱分析技术在生命科学中的运用光谱分析技术在生命科学中的运用 1018 1016 1014 1012 1010 108 106 104 f /Hz 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 100 102 104 /m 微波紫外线红外线可见光电磁波谱电磁波谱无线电波X射线射线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 from 2

4、000-8000 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 radiation ray,

5、not a particle. 核衰变核衰变IsotopeEnergy keV Emission125I35 g 7%, c113% 57Co122 & g 86%51Cr320 g 10%, b 90%Cs662 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 either a 2 or 3 crystal in the single detect

6、or models.Gamma Emitters Commonly Used核衰变核衰变1. Heat2. Ionization3. Transfer of Energy Through Collisions with other Molecules! i.e. cocktailthis property is used in scintillation counting to detect radionuclide decay能量吸收的三种方式能量吸收的三种方式 放射性同位素发出的射线与物质相互作用，会直接放射性同位素发出的射线与物质相互作用，会直接或间接地产生电离和激发等效应，利用这些效应

7、，可以或间接地产生电离和激发等效应，利用这些效应，可以探测放射性的存在、放射性同位素的性质和强度。探测放射性的存在、放射性同位素的性质和强度。 用来记录各种射线的数目，丈量射线强度，分析射用来记录各种射线的数目，丈量射线强度，分析射线能量的仪器统称为探测器线能量的仪器统称为探测器probe。放射性丈量放射性丈量 普通将探测器分为两大类：一是“径迹型探测器，如照像乳胶、云室、气泡室、火花室、电介质粒子探测器和光色探测器等，它们主要用于高能粒子物理研讨领域。二是“信号型探测器，包括电离计数器，正比计数器，盖革计数管，闪烁计数器，半导体计数器和契伦科夫计数器等，这些信号型探测器在低能核物理、辐射化学

8、、生物学、生物化学和分子生物学以及地质学等领域越来越得到广泛地运用，尤其是闪烁计数器是生物化学和分子生物学研讨中的必备仪器之一。 放射性丈量的仪器和方法放射性丈量的仪器和方法一、闪烁型探测器闪烁型探测器由闪烁体，光电倍增管，电源和放大器分析器定标器系统组成，现代闪烁探测器往往配备有计算机系统来处置丈量结果。 当射线经过闪烁体时，闪烁体被射线电离、激发，并发出一定波长的光，这些光子射到光电倍增管的光阴极上发生光电效应而释放出电子，电子流经电倍增管多级阴极线路逐级放大后成为电脉冲，输入电子线路部分，而后由定标器记录下来。 光阴极产生的电子数量与照射到它上面的光子数量成正比例，即放射性同位素的量越多

9、，在闪烁体上引起闪光次数就越多，从而仪器记录的脉冲次数就越多。 丈量的结果可用计数率，即射线每分钟的计数次数简写为cpm表示，现代计数安装通常可以同时给出衰变率，即射线每分钟的衰变次数简写dpm、计数效率E、丈量误差等数据。 闪烁探测器是近几年来开展较快，运用最广泛的核探测器，它的中心构造之一是闪烁体。闪烁体在很大程度上决议了一台计数器的质量。探测原理探测原理闪烁体是一类能吸收能量，并能在大约一微秒或更短的时间内把所吸收的一部分能量以光的方式再发射出来的物质。 闪烁体分为无机闪烁体和有机闪烁体两大类，闪烁体必需具备的性能是：对本身发射的光子应是高度透明的。闪烁体吸收它本人发射的一部分光子所占的

10、比例随闪烁资料而变化。无机闪烁体如NalTl,ZnSAg几乎是100透明的，有机闪烁体如蒽，塑料闪烁体，液体闪烁体普通来说透明性较差。 如今常运用的几种闪烁体是：无机晶体，主要是含杂质或不含杂质的碱金属碘化物；有机晶体，都是未取代的或取代的芳香碳氢化合物；液态的有机溶液，即液体闪烁体；塑料溶液中的有机溶液，即固溶闪烁体。闪烁体闪烁体 它是闪烁探测器的最重要部件之一。其组成成份是光阴极和倍增电极，光阴极的作用是将闪烁体的光信号转换成电信号，倍增电极那么充任一个放大倍数大于106的放大器，光阴极上产生的电子经加速作用飞到倍增电极上，每个倍增电极上均发生电子的倍增景象，倍增极的培增系数与所加电压成正

11、比例，所以光电倍增管的供电电源必需非常稳定，保证倍增系数的变化最小，在没有入射的射线时，光电倍增管本身由于热发射而产生的电子倍增称为暗电流。用光电倍增管探测低能核辐射时，必需减小暗电流。坚持丈量空间环境内较低的室温，是减小光电倍增管暗电流的有效方法。光电倍增管光电倍增管PhotonsPhoto-CathodeDiodesPhoto-ElectronsSecondaryElectronsA PMT is a linear device,therefore the output is directly proportional to thenumber of photons striking th

12、e photo-cathode.A PMT amplifies light flashes over 10,000,000 times!光电倍增管光电倍增管Photomultiplier Tube PMT二、晶体闪烁计数crystal scintillation counting射线不同于和粒子，它类似于光和其它电磁辐射，在与物质作用时不直接产生电离，而是按下述三种机制之一被吸收：光电效应，康谱顿效应和生成电子对。探测原理探测原理 在光电效应中，每个光子将坚持它的全部能量直到与吸收物质内原子的一个轨道电子相互作用为止。在此过程中，光子把全部能量给予电子，电子以高速度射出，光子就不再存在，发射出

13、的电子称为光电子，光电子按粒子同样的方式，将其能量电离，其它原子那么耗费掉。 探测原理探测原理 在康普顿效应中，能量为hv的入射光子，与吸收物质内原子的一个轨道电子相互作用。在该过程中，光子把它的能量给予轨道电子，使电子射出，随后带有较小能量hv的光子按能量和动量两者都守恒的方式被“散射。射出的电子称为反冲电子，又叫康普顿电子。康普顿电子象光电效应中的情况一样，按与粒子一样的方式散失它的能量，散射光子进一步经过光电或康普顿过程被吸收。 探测原理探测原理 电子对生成时，某些入射光子能量按照爱因斯坦方程转化为质量：Emc2 ，式中E为er乐格表示的能量，m为以g表示的质量，c为光速，以cms为单位

14、，入射的光子在吸收物质的一个原子的核场中以一种未知的方式湮灭，随后产生两个粒子，一个负电子和一个正电子，正电子只存在一个很短的时间，一旦它减慢，它就被吸收物质中的一个电子所中和，这一湮灭过程导致一对光子的产生，其每一个光子能量为0.51MeV,最终经过光电效应/康普顿效应吸收。 探测原理探测原理 射线由于没有质量，具有很强的穿透性，而且最易被高电子密度的物质所吸收，如铅。具有高原子序数Z的原子直接与高电子密度有关。就探测器而言，某些无机盐能有效地吸收光子，发射出强度正比于所吸收射线能量的光子。例如，铊激活的碘化钠，由于碘原子的原子序数Z高，并且有较高的密度比重3.67，而且每吸收单位能量的光子

15、产额高，晶体的光透性也好，用来探测射线，效率较高。 探测原理探测原理一个供探测光子用的固体晶体安装包括一个“密闭的铊激活碘化钠晶体，安放在光电倍增管的外表上。“密闭的晶体上是一块固态圆筒状的铊激活碘化钠，其顶部和周围都是用铝层包裹以防止光和湿气，由于碘化钠晶体易吸潮，为改善反射性，碘化钠晶体用一玻璃片密封，并同光电倍增管的外表直接接触，其间加些硅油以到达光学匹配，整个安装是不透光的。射线易于穿透晶体外表的铝层，然后被高效的晶体所吸收，晶体发射出其能量与入射射能量成比例的可见光。接着，光电倍增管将可见光能量转换为电脉冲，各种能量转换过程即从光子发射直到产生一个电脉冲成比例的性质，以及光子的吸收性

16、质，保证放射性同位素可经过晶体闪烁得以计数，并定量。 晶体计数器通常设计成既能有效地探测光电效应，又能有效地探测康普顿效应。探测原理探测原理* Gamma CounterLIGHTBismuth germanate-BGOYttrium silicateNuclear decay Solid Scintillantbeta, gamma Sodium Iodide* -NaI固体闪烁计数固体闪烁计数NaICrystalg gI-125PMTlightMCAPMT = Photomultiplier tube detects and amplifies, finally converting l

17、ight 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计数原理计数原理Are there reasons to choose one detector type over another?

18、Through-holeWell-typePMTNaIPMT NaI探测技术探测技术 但探测效应随着光子能量的增大而减小，对于大多数市售计数器所用碘化钠晶体的尺寸来说，光电效应在低光子能量，例如在低于400keV时占主要位置，而在1MeV附近即以康普顿效应为主。在这两种能量之间，两种效应几乎以相等的频率发生，由于所用的晶体尺寸较小，难以探测到电子对的生成。 另外，在塑料溶剂如聚乙烯甲苯中参与闪烁体如POPOP或TP，做成片状，可用来探测能量较高的射线，如32P放出的1.71MeV的高能量射线。最早运用的硫化锌晶体较薄，内含微量的银作为激活剂，可用来探测射线。 探测技术探测技术 各种射线放射性同

19、位素都有其特征的光电峰，利用特征光电峰，可对各种射线放射性同位素进展定性和鉴别。对各种样品的射线计数丈量是将测得的计数率与总放射性强度或规范源的计数率进展比较，可以算出样品放射性占总放射性或规范源的百分比，从而获得样品放射性强度。探测技术探测技术 晶体闪烁计数器如今根本都做成井型或圆柱型，用碘化钠铊作为闪烁体，探测射线，所以又把探测射线的晶体闪烁计数器称为 计数器counter。 探测技术探测技术 液体闪烁计数所用的闪烁体是液态，即将闪烁体溶解在适当的溶液中，配制成为闪烁液，并将待测放射性物质放在闪烁液中进展丈量。运用液体闪烁计数可到达4立体角的优越几何丈量条件，而且源的自吸收也可以忽略，对于

20、能量低、射程短、易被空气和其它物质吸收的射线和低能射线如3H和14C，有较高的探测效率，液体闪烁计数器是射线和低能射线的首选丈量仪器。液体闪烁计数液体闪烁计数Liquifd scintillation counting 闪烁液产生光子的过程是，从放射源发出的射线能量，首先被溶剂分子吸收，使溶剂分子激发。这种激发能量在溶剂内传播时，即传送给闪烁体溶质，引起闪烁体分子的激发，当闪烁体分子回到基态时就发射出光子，该光子透过透明的闪烁液及样品的瓶壁，被光电倍增管的光阴极接纳，继而产生光电子并经过光电倍增管的倍增管的倍增极放大，然后被阳极接纳构成电脉冲，完成了放射能光能电能的转换。探测机理探测机理Sci

21、ntillation Cocktail is required for detection 3Ss = Solvent, Organic Scintillator, and SurfactantxxxONsolvent organic scintillatorNuclear decay(alpha, beta, gamma) LIGHT 液体闪烁计数液体闪烁计数液体闪烁计数系统作用的闪烁溶液，是指闪烁瓶中除放射性被测样品之外的其它组分，主要是有机溶剂和溶质闪烁体，有时为了样品的制备或提高计数效率的需求，还参与其它添加剂。 闪烁液闪烁液 普通以为，烷基苯是最好的溶剂，如甲苯，二甲苯。此外，苯甲醚

22、也是比较好的溶剂。另外，对于含水量较多的样品，采用1，4二氧六环作为溶剂，由于该有机化合物的极性较大，既能很好地溶解闪烁体又可溶解含水量较多的样品，能改善计数效率，缺陷是价钱昂贵，冰点高，久放后产生淬灭作用很强的过氧化物，必需经纯化才干运用，并应参与 0.001的二乙基二硫代氨基甲酸钠或丁基氢氧基甲苯BHT，以抑制纯化的二氧六环蜕变。溶剂在闪烁溶液中约占99，因此，它的纯度对闪烁液的质量是很大的影响要素。溶剂中不发光的杂质、氧和水的含量多少，都关系到淬灭程度。原那么上讲，溶剂应具有闪烁纯，即不含或很少含有影响闪烁计数的淬灭成分。实践证明，“分析纯试剂可以不经纯化而直接运用。溶剂溶剂 在液体闪烁

23、计数系统中，闪烁体又称荧光体，是闪烁液的溶质，种类很多，根据其荧光特性及作用，可分为两类，即第一闪烁体和第二闪烁体。闪烁体闪烁体第一闪烁体：初级闪烁体： 常用的第一闪烁体：对联三苯TP，它是最早运用的闪烁体之一。它的计数率高，价钱比较廉价，但是，在低温或含水溶液中的溶解度不高。 2,5-二苯恶唑PPO：它是目前普遍运用的闪烁体，能很好地溶解在常用的溶剂中，在含水的情况下也是如此，在甲苯中的溶解度达200克升以上。它的化学性质稳定，价钱也较廉价。但是，它的最大缺陷是有明显的浓度淬灭本身淬灭，即随着PPO在溶剂中的浓度升高，计数效率下降。 2-苯基-5-4-二苯基-1,3,4恶唑PBD： 它是的最

24、有效的闪烁体之一。比PPO能耐受浓度淬灭，但是，它的溶解度低，尤其是在低温暖含水样品存在时，溶解度下降更快，而且用量比PPO多两倍，价钱昂贵。 2-4-t-丁基苯基-5-4-二苯基-1,3,4,恶二唑丁基-PBD：它的溶解度比PBD高，其最大优点是对化学淬灭和颜色淬灭不敏感，因此，可以获得较高的计数效率。 闪烁体闪烁体第二闪烁体次级闪烁体：第二闪烁体的主要功能是吸收第一闪烁体发射的光子后，再在较长的波段上重新发射出荧光来，并能添加光子的产额。在高浓度下第二闪烁体起着一部分与第一闪烁体一样的作用即接受激发溶剂分子的退激能量，并发出荧光，此外，它还能与淬灭因子竞争，从而减少了第一闪烁体被淬灭的程度

25、。在以下一种或一种以上的情况下，必需在闪烁液中参与第二闪烁体：a. 样品中含有直接淬灭第一闪烁体的化合物；b. 第一闪烁体浓度太高而引起剧烈的本身淬灭，且发射的光谱范围与光电倍增管光阴极不匹配；c. 计数器的光电倍增管光阴极对于较长波长的光谱呼应比较好；d. 丈量的样品在近紫外区有明显的吸收。 闪烁体闪烁体常用的第二闪烁体 1,4,双25苯基恶唑苯POPOP：它的溶解度小，在甲苯系统为1.2克升，在二氧六环中为1.5克升。溶解速度慢，通常需加热促其溶解，它是目前普遍运用的第二闪烁体。 1,4双24-甲基-5-苯基恶唑基-苯DMPOPOP：它的溶解度比POPOP大，在甲苯系列内为2.3克升，在二

26、氧六环内是0.8克升，溶解速度也快，但没有POPOP的计数效率高，且需求较高的运用浓度。 对-双0-甲基苯乙稀基苯双-MSB 2-4-二联苯基-6-苯基苯并恶唑PBBO 闪烁体闪烁体 几种常用的初级闪烁体的荧光波长在34603800埃之间，而Cs-sb型光阴极的最大光谱呼应波长为4000埃左右。因此，对于Cs-Sb资料的光阴极，仅用初级闪烁体不能很好地进展能量转移，计数效率很低，参与次级闪烁体后发射光谱波长添加到41804300埃，使其与Cs-Sb型光阴极的光谱呼应得到改善，能量转移较好，计数效率提高。 Cs-K-Sb型是双碱型光电倍增管，它的最大光谱呼应波长比Cs-Sb型短。因此，不用次级闪

27、烁体也可以有较好的计数效率。但是，思索到次级体和其它功用，通常在实践任务中，往往都要运用次级闪烁体。 闪烁液中除了溶剂，闪烁体之外，有时还添加一些其它成分。为了添加闪烁液对含水样品的溶解才干，需参与助溶剂甲醇，乙醇，乙二醇乙醚；为了改善计数效率，那么参与抗淬灭剂萘。 闪烁体闪烁体 在液体闪烁计数中援用非常灵敏的光电倍增管，对于探测穿透力低的射线和低能量的射线如3H，14C等是极为重要的。运用一个光电倍增管的单光电倍增管液体闪烁计数器，由于倍增管的热噪声及样品受光照射后发出的磷光，会有较高的本底计数，探测效率也较低。运用两个性能目的大致一样的光电倍增管，并和符合电路相衔接，做成双管符合型液体闪烁

28、计数器，符合电路只能经过由两只倍增管同时产生的信号，因此只需当两只光电倍增管在符合电路分辩时间内同时察看到的信号才被记录下来，而由热噪声或磷光产生的随机脉冲那么被扣除掉，有效地降低仪器本底，提高了探测效率，系统探测效率可在50以上。探测安装探测安装 在液体闪烁计数系统中，光电倍增管阳极构成脉冲电压的大小，与阳极一次搜集的电子数成线性关系。在光电倍增管放大倍数不变的情况下取决于高压的稳定性，光阴极产生的光电子越多，最后到达阳极的电子数也越多，而光电子数取决于光子数。在正常情况下，闪烁剂分子释放的光子数与放射性同位素衰变时产生的射线能量成正比关系。由于放射能在传送和能量转换途中，或多或少地要发生能

29、量耗费，因此，放射能和发射的光子数之间近似地成线性关系。这阐明液体闪烁计可以作能谱研讨，以分析不同能量的放射性同位素，到达定性目的。例如，3H、14C双标志样品，可经过双道液体闪烁计数器同时测定。 阳极在单位时间内产生脉冲电压的数量，与闪烁瓶内放射性同位素的多少以及同位素衰变率成线性关系，与样品内的放射性强度成正比，这是液体闪烁丈量的定量根底。例如，在知道液体闪烁计数器探测效率的前提下，经过对某种放射性样品进展测定，可以求得该样品中的放射性强度为多少微居里或多少贝柯勒尔。 光电倍增管光电倍增管 液体闪烁计数器特点之一是能作双同位素分析，配备两个或三个以上独立的脉冲高度分析器的多道安装，并具有脉

30、冲相加和线性门安装，在每种同位素的最正确计数条件下同时丈量它们，就能区分发射不同能量的同位素，假定有一个含有3H和14C的样品，我们将仪器中脉冲高度分析器多道安装中的道1调3H的平衡点最正确任务条件，道2调在14c的平衡点。3和14规范样品溶解的在同样的溶剂中，并采用与实验样品一样的闪烁体，首先丈量空白样品，然后对实验样品和规范样品进展计数 。为了使双标志丈量获得胜利，两种放射性同位素的谱必需求有足够的差别来满足脉冲高度分析所要求的分别。在两种同位素能谱过于接近的情况下，例如14和35，必需首先对它们进展同位素的化学分别，然后再分别计数。在双标志丈量中，较常用的成对同位素有3H和14C、3H和

31、35S、3H和32P及14C和32P等。 总之，在双同位素标志的丈量中，要满足下述两个条件：第一，较高能量的同位素尽量可以在不受较低能量同位素干扰的条件下进展计数；第二，选择一个最正确条件，以对双标志样品中较低能量的同位素能进展计数。双标志同位素丈量的运用双标志同位素丈量的运用 流体闪烁丈量的样品制备是很重要的操作，操作的胜利与否。直接影响到计数效率。样品制备方法的选择要思索以下四个要素：所测样品的物理和化学特性，决议所用闪烁液类型和决议能否需要将样品转化为更适于丈量的方式；样品所含的同位素的种类，对于含3H的样品要更加留意；估计的放射性程度，在样品的放射性强度低时，要求的制备方法比较严厉；制

32、备过程的经济和方便，尤其在样品数量多的更为重要。其普通原那么是必需使所制备的样品的放射性，能在一个短的丈量时间到达适当的统计学准度，最关键的是要求样品制备过程中，尽能够地减少“淬灭要素。液体闪烁计数样品的制备液体闪烁计数样品的制备均相样品的制备非均相样品的制备乳状液计数悬浮液丈量 支持物丈量 液体闪烁计数样品的制备液体闪烁计数样品的制备 放射能量在丈量瓶内的传送和转换过程越顺利，丈量效率越高。但现实上，影响能量传送过程顺序进展的要素很多，它的每一环节存在着对能量的争夺过程，使得放射能减少，甚至发生能量传送的中断，导致丈量效率下降，这种景象称为液体闪烁计数的淬灭。构成淬灭的要素很多，按淬灭性质归

33、纳起来，有以下三种类型。化学淬灭 颜色淬灭光子淬灭部分淬灭液体闪烁计数中的淬灭作用液体闪烁计数中的淬灭作用Cobra：5002/5003/5005/5010Riastar：5405/ 5410/ 5420Packard Gamma Counters Models单探头系统单探头系统 50022 英寸探头英寸探头- 对于实验室的中、低能量核素的用户，引荐对于实验室的中、低能量核素的用户，引荐运用。运用。 50033英寸探头英寸探头-引荐给同位素能量大于引荐给同位素能量大于300 keV客户运用。客户运用。多探头系统多探头系统 5005 / 50105 和和 10 探头系统，能量检测范围更小探头系

34、统，能量检测范围更小Cobras自动系统自动系统 5405 ,5410 ,54201.5 井式探头 5, 10 或者 20 探头选择- 引荐给低通量的临床实验 室RiaStar 手动系统手动系统 1470 / 1480 1, 2, 5, 10 探头Wizard全自动或者手动全自动或者手动0FeatureDetector typeSample transportDetector diameterDisplaySamples / cassetteBasic auto QC/IPA# of detectorsEnergy rangeShielding betweendetectorsEfficiency (Cs)Cobra 5002Cobra 5005/10