1、光谱分析技术在生命科学中的应用光谱分析技术在生命科学中的应用 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 neutronsprotons666 6 6neutrons456 7 8protons + neutronsAtomic number = protons什么是同位
2、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 results in the emission of ki
3、netic 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 2000-8000 keV (2-8 MeV).
4、Beta Particle (b)- low to medium energy positive (positron) or negative charge (beta negatron). penetrate much further than a,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, not a parti
5、cle). 核衰变核衰变IsotopeEnergy (keV) Emission125I35 g g ( 7%), c c(113%) 57Co122 & 136 g g (86%)51Cr320 g g (10%), b b (90%)137Cs662 g g (85%), b b (15%) 58Co810 g 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
6、crystal in the single detector models.Gamma Emitters Commonly Used核衰变核衰变1. Heat 2. Ionization 3. Transfer of Energy Through Collisions with other Molecules! (i.e. cocktail)this property is used in scintillation counting to detect radionuclide decay能量吸收的三种形式能量吸收的三种形式 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
7、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。 用来记录各种射线的数目，测量射线强度，分析射线能量的仪器统称为探测器（probe）。放射性测量放射性测量 一般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究领域。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、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应用，尤其是闪烁计数器是生物化学和分子生物学研究中的必备仪器之一。 放
8、射性测量的仪器和方法放射性测量的仪器和方法一、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理测量结果。 当射线通过闪烁体时，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，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。 测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
9、代计数装置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）、测量误差等数据。 闪烁探测器是近几年来发展较快，应用最广泛的核探测器，它的核心结构之一是闪烁体。闪烁体在很大程度上决定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形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：对自身发射的光子应是高度透明的。闪烁体吸收它自己发射的一部分光子所占的比例随闪烁材料而变化。无机闪烁体如Nal（Tl）,ZnS（Ag）几乎是100透明的，有机闪烁体（如蒽，塑料闪烁体，液体闪
10、烁体）一般来说透明性较差。 现在常使用的几种闪烁体是：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，倍增电极则充当一个放大倍数大于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现象，倍增极的培增系数与所加电压成正比例，所以光电倍增管的供电电源必须非常稳定，保证倍增系数的变化最小，在没有入射的射线时，光电倍增管自身由于热发
11、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，必须减小暗电流。保持测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 the photo-cathode.A PMT amplifies light flashes over 10,0
12、00,000 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，每个光子将保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，其它原子则消耗掉。 探测原理探测原理 在康普顿
13、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形式被“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，按与粒子相同的方式消散它的能量，散射光子进一步通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，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
14、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,最终通过光电效应/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
15、装置包括一个“密闭的”铊激活碘化钠晶体，安放在光电倍增管的表面上。“密闭的”晶体上是一块固态圆筒状的铊激活碘化钠，其顶部和四周都是用铝层包裹以避免光和湿气，因为碘化钠晶体易吸潮，为改善反射性，碘化钠晶体用一玻璃片密封，并同光电倍增管的表面直接接触，其间加些硅油以达到光学匹配，整个装置是不透光的。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，以及光子的吸收性质，保证放射性同位素可通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
16、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 Scintillant(beta, 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 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计数原理计数原理
