Физическая биохимия - Фрайфелдер Д.
Скачать (прямая ссылка):
Введение радиоактивных меток и измерение радиоактивности
При многих биохимических анализах обычно требуется определить ничтожные (10~14— 10“6 моля) количества вещества. Химические же методы редко позволяют определять количества меньше 10~7 моля. Это ограничение было преодолено развитием техники радиоактивных меток и созданием чувствительных детекторов радиоактивности, позволяющих надежно определять многие вещества в количествах 10~12 моля. Кроме того, использование радиоактивных меток дало толчок для развития плодотворных экспериментальных подходов к решению разнообразных проблем. Такие подходы включают технику двойной метки для одновременного наблюдения за двумя соединениями или для распознавания двух идентичных веществ, синтезируемых в разное время; метод импульсной метки, позволяющий наблюдать за соединением после его образования без помех со стороны конкурентно синтезируемого вещества; анализ процессов обмена для определения участия в реакциях.
В данной главе будут описаны некоторые детали этих и других методов. Кроме того, здесь будут обсуждаться различные методы обнаружения и измерения радиоизотопов. Авторадиография будет рассмотрена в гл. 6, поскольку техника этого метода и его приложения существенно отличаются от предмета данной главы.
Типы ядерных распадов, используемые в биохимии
Ядерная радиация является результатом самопроизвольных превращений атомных ядер. Из нескольких типов ядерных распадов наибольшее значение для изотопного мечения имеют радиоизотопы, испускающие р-частицы (электроны) и улучи (фотоны)
* Альфа-излучатели используются реже по двум причинам: 1) их определение сложно, так как а-частицы сильно поглощаются самим образцом, и 2) имеется лишь небольшое число а-излучающих изотопов, которые можно использовать в биологических материалах.
Бета-распад
Для конкретного р-излучающего ядра излучаемые р-частицы имеют непрерывный набор энергий от нуля до максимального значения (?Макс), строго определенного для данного изотопа. График зависимости относительной вероятности испускания р-частицы от энергии называется p-спектром. Спектры некоторых часто используемых радиоактивных изотопов приведены на рис. 5-1. Энергия данного p-излучения по традиции описывается значением ЕмацС несмотря на то, что доля частиц с энергией, близкой ?Макс> очень мала. Правильнее было бы использовать среднее значение энергии ?Ср, поскольку большая доля частиц имеет энергию, близкую к этому значению. Еср приблизительно соответствует 7з ?Макс. Эти спектры важны для идентификации нескольких изотопов в одном образце и будут обсуждаться ниже в разделе, посвященном измерениям радиоактивности с использованием жидких сцинтилляторов.
При прохождении р-частиц через вещество их энергия рассеивается главным образом за счет ионизации и (или) возбуждения атомов, с которыми они взаимодействуют. Эти процессы регистрируют счетчиками Гейгера — Мюллера (ионизация) и сцинтилляционными счетчиками (возбуждение), которые подробно будут описаны ниже.
0,005 0,010 0,015 0,05 0,10 0,15
Энергия, МэВ Энергия, МэВ
Энергия, МэВ
РИС. 5-1.
Бета-спектры для 3Н, 14С и 32Р.
Е — энергия частиц, N(E) — число излучаемых частиц с энергией Е. N(E) служит мерой вероятности эмиссии частицы с данной энергией.
у-фотои
'VWV'AA/vW>^^------------------------электрон
----1 Комптона
рассеянный у-фот он
РИС. 5-2.
Выбивание электрона при взаимодействии у-фотоиа и атома кислорода.
Распад с испусканием у-лучей
Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение, испускаемое данным радиоизотопом. Они имеют одно или несколько дискретных значений энергии в отличие от непрерывного энергетического (3-спектра у р-излучающих изотопов. у-Лучи не несут заряда и, следовательно, не могут прямо ионизировать атомы на своем пути. Однако они могут взаимодействовать с орбитальными электронами, выбивая их с орбитали, или с электромагнитным полем ядра, давая пару электрон — позитрон (рис. 5-2). В обоих типах взаимодействия вторичные электроны, образующиеся под действием у-фотонов, подобны р-частицам и также способны ионизировать и возбуждать другие атомы. Учитывая это, методы обнаружения улучей в конечном итоге те же, что и для р-частиц. На практике, как это будет видно из последующих разделов, вследствие низкой вероятности взаимодействия с веществом (часто говорят о высокой проникающей способности улучей), для измерения урадиоактивности необходимы специальные детекторы.
Свойства радиоактивного распада химических соединений
В любой момент времени число атомов радиоактивного материала, распадающихся за единицу времени, пропорционально общему числу имеющихся атомов. Таким образом, если N — число
4-383
атомов, присутствующих во время t, и dN — число атомов, распадающихся за отрезок времени dt, то
где А — постоянная распада. Отсюда, если А^о — число атомов при / = 0, то
