Метод меченых атомов

Наиболее ярко эту относительность  измерений иллюстрирует широкое  использование минимониторов — приборов, предназначенных для определения загрязнения поверхностей рабочих столов, одежды и т.д. Небольшие карманные приборы, имеющие ионизационный счетчик (обычно это ионизационная камера или счетчик Гейгера), оказались очень удобными для детекции меченного фосфором-32 фрагмента ДНК в агарозном геле или меченного йодом-125 белка в ПААГ и т.п. Некоторые ухитряются по показаниям такого прибора оценивать включение меченых предшественников биосинтеза в биополимеры после разделения продуктов реакции, используют мониторы для измерения активности образцов на фильтрах, кусках фильтровальной или хроматографической бумаги и даже в пробирках. Это удобно и полезно для качественных и полуколичественных оценок, но следует помнить, что приборные ошибки в таких измерениях могут быть очень значительными и достигать 200—300%.

Жидкостные сцинтилляционные счетчики уже многие годы остаются главным инструментом для количественного  измерения радионуклидов. Несмотря на разнообразие конструкций, с точки  зрения пользователя, все они измеряют активность образцов, помещенных в  специальный стеклянный или пластиковый  флакон и заполненный жидким сцинтиллятором. Поскольку измерение активности сводится к подсчету вспышек света, жидкость во флаконе должна быть прозрачная для счета и гомогенная по составу. Все отклонения от этого требования снижают эффективность счета, причем иногда существенно. Образование осадка или двухфазной несмешивающейся  жидкой системы, наличие образцов биологических  тканей или фильтровальных материалов — все эти факторы снижают  эффективность счета. То же самое  касается добавок многих химических веществ: кислот, щелочей, концентрированных  растворов сахаров, солей, мочевины и многое другое. Особенно это касается измерений трития, где разница  в эффективности счета для  гомогенного, почти идеального, образца  и образца, нанесенного на хроматографический сорбент, может быть в 10÷30 раз и даже больше. Это необходимо учитывать, если при составлении баланса по активности вдруг куда-то исчезнет часть радиоактивного материала или откуда-то внезапно появится "лишнее".

Составы сцинтилляторов весьма разнообразны и фирмы, производящие сцинтилляционные коктейли, часто не раскрывают их состав. Классический (едва ли не самым первый) жидкий сцинтиллятор — это толуольный раствор 2,5-дифенилоксазола (РРО) с добавкой 1,4-ди-[2-фенил-(5-окзазолил)]-бензола (РОРОР). Состав: 4 г РРО и 0,2 г РОРОР на 1 л толуола. Не вдаваясь в подробности, следует подчеркнуть, что это — неводная система, а водные растворы считать в таком сцинтилляторе не принято. Для измерения водных проб к такому сцинтиллятору добавляют тритон Х-100 до 30% по объему.

Другим вариантом "водолюбивого" сцинтиллятора является диоксановый: 60 г нафталина, 4 г РРО, 0,2 г РОРОР, 200 мл спирта и до 1 л диоксан марки "сцинтиляционный". Впрочем, большинство исследователей сегодня успешно пользуются готовыми фирменными коктейлями, справедливо не задумываясь над их составом.

Важными источниками ошибок для жидкостного сцинтилляционного  счета являются "засветка" сцинтилляционной жидкости и электризация счетных  флаконов. Оба эффекта легко нейтрализуются во времени (не спешите сразу считать, дайте пробам постоять в темном пространстве прибора несколько минут), кроме того, электризация почему-то чаще проявляется на стеклянных флаконах, и реже — на одноразовых пластиковых.

Внедрение в технологию биоскрининга радиометрических методов анализа подвигло разработчиков на создание высокопроизводительных сцинтилляционных счетчиков для измерения активности в планшетах. Для радиоактивных изотопов фосфора прибор используется в модификации с внешним твердым сцинтиллятором, который и является детектором. Для трития твердый сцинтиллятор добавляют прямо в лунку планшета в виде специальных бусинок и, так как эти бусинки являются одновременно компонентом биохимической реакции, то связанный с "бусами" меченый тритием лиганд считается сцинтиллятором, а не связанный, находящийся в растворе, — не считается. С радиохимической точки зрения эффективность счета в таких измерениях очень низкая, но для биоскрининга важно относительное распределение меченых соединений в системе "связанный-несвязанный", а высокая производительность и простота операций оправдывают колоссальные затраты на реализацию таких методов.

3.1 Сцинтилляции и сцинтилляторы

Основными характеристиками сцинтилляторов являются:  световой выход,  спектральный состав излучения  и длительность сцинтилляций.   При прохождении заряженной частицы  через сцинтиллятор в нем возникает  некоторое число фотонов с  той или иной энергией. Часть этих фотонов будет поглощена в  объеме самого сцинтиллятора, и вместо них будут испущены другие фотоны с несколько меньшей энергией. В результате процессов реабсорбции наружу будут выходить фотоны, спектр которых характерен для данного сцинтиллятора.  Световым выходом или конверсионной эффективностью сцинтиллятора называется отношение энергии световой вспышки, выходящей наружу, к величине энергии Е заряженной частицы, потерянной в сцинтилляторе. Каждый сцинтиллятор испускает не моноэнергетические кванты, а сплошной спектр, характерный для данного сцинтиллятора.  Очень важно,  чтобы спектр фотонов,  выходящих из сцинтиллятора,  совпадал или хотя бы частично перекрывался со спектральной характеристикой ФЭУ. Степень перекрытия внешнего спектра сцинтилляции со спектральной характеристикой ε(ν) данного ФЭУ определяется коэффициентом согласования

На практике при сравнении  сцинтилляторов,  сочетаемых с данными  ФЭУ,  вводят понятие сцинтилляционной эффективности. Сцинтилляционная эффективность  учитывает как число фотонов, испускаемых сцинтиллятором на единицу  поглощенной энергии,  так и  чувствительность данного ФЭУ к этим фотонам.  Обычно сцинтилляционную эффективность данного сцинтиллятора определяют путем сравнения со сцинтилляционной эффективностью сцинтиллятора, принятого за эталон.

Процессы люминесценции  (высвечивания)  фосфора делят  на два вида:  флуоресценции и  фосфоресценции.  Если высвечивание происходит непосредственно во время  возбуждения или в течение  промежутка времени порядка 10 -8  сек, то процесс называется флуоресценцией.  Интервал 10 -8  сек выбран потому, что он по порядку величины равен времени жизни атома в возбужденном состоянии для так называемых разрешенных переходов.  Хотя спектры и длительность флуоресценции не зависят от вида возбуждения, выход же флуоресценции существенно зависит от него. Так при возбуждении кристалла α-частицами выход флуоресценции почти на порядок меньше,  чем при фотовозбуждении.  Под фосфоресценцией понимают люминесценцию, которая продолжается значительное время после прекращения возбуждения.  Но основное различие между флуоресценцией и фосфоресценцией заключается не в длительности послесвечения. Фосфоресценция кристаллофосфоров возникает при рекомбинации электронов и дырок, возникших при возбуждении. В некоторых кристаллах возможно затягивание послесвечения за счет того,  что электроны и дырки захватываются «ловушками»,  из которых они могут освободиться,  лишь получив дополнительную необходимую энергию.  Отсюда очевидна зависимость длительностифосфоресценции от температуры.  В случае сложных органических молекул фосфоресценция связана с пребыванием их в метастабильном состоянии, вероятность перехода из которого в основное состояние может быть малой.  И в этом случае будет наблюдаться зависимость скорости затухания фосфоресценции от температуры.  Сцинтилляционные детекторы основаны на регистрации люминесценции,  вызываемой действием излучения на люминофоры,  в которых энергия излучения преобразуется в световые вспышки(сцинтилляции). Люминофоры, используемые для этих целей, обычно называются сцинтилляторами.  В качестве сцинтилляторов используются различные вещества  (твёрдые,  жидкие,  газообразные).

Сцинтиллятор может быть органическим  (кристаллы,  пластики или жидкости)  или неорганическим (кристаллы или стекла). Используются также газообразные сцинтилляторы.  Неорганические сцинтилляторы. Неорганические сцинтилляторы представляют собой  кристаллы неорганических солей.  Практическое применение в сцинтилляционной технике имеют главным образом  галоидные соединения некоторых  щелочных металлов.  Для увеличения светового выхода таких сцинтилляторов вводятся специальные примеси других элементов,  называемых активаторами  (например,  таллий). Сцинтиллятор, построенный  на основе кристалла NaJ(Tl), обладает большим световым выходом.  В качестве твёрдотельных неорганических сцинтилляторов используются, NaCl(AgCl), NaI  (активированный Tl), LiI(Eu), LiF(Eu), CsI(Tl), KI(Tl), Bi4Ge3O12 (BGO) и др. Все они позволяют выращивать крупные кристаллы,  которые затем соответствующим образом обрабатываются.  Эти сцинтилляторы применяются для регистрации γ-излучения,  так как обладают большим средним порядковым номером Z  и высокой плотностью. Малой гигроскопичностью обладают кристаллы CsI, которые могут использоваться в сцинтилляционных счётчиках даже в атмосферных условиях. Перечисленные сцинтилляторы обладают,  относительно близкими временами высвечивания порядка 10 -6 сек,  что в основном определяет порядок разрешающего времени счётчика на их основе.  Сравнительно новыми являются сцинтилляторы на основе кристаллов ортогерманата висмута (Bismuth Germanate Oxide)- BGO. Имея большую плотность, по сравнению с NaI, BGO-детекторы обладают значительно большей эффективностью регистрации γ-излучения, особенно в высокоэнергетической области.  Так,  для достижения одинаковой точности измерений спектрометров на базе BGO  и NaI,  последнему необходимо увеличить время экспозиции в 3,3 раза. К недостаткам BGO можно отнести малую светосилу и довольно невысокое разрешение, по сравнению с традиционными сцинтилляторами. Ожидается внедрение в радиометрию кристаллов вольфрамата кадмия - CdWO4 (CWO), по ряду характеристик превосходящих BGO. Также имея высокую эффективность регистрации, CWO-сцинтилляторы обладают лучшим разрешением,  большим световыходом и его низкой температурной зависимостью от окружающей температуры.  Cцинтилляционные кристаллы бромида лантана,  легированные церием, LaBr3(Ce)  обладают более высоким энергетическим разрешением и коротким временем высвечивания,  чем традиционные кристаллы NaI(Tl), Энергетическое разрешение для энергии гамма-излучения 662  кэВ составляет 2,9 % (19  кэВ) (для кристалла NaI(Tl) аналогичного размера при тех же условиях, разрешение равно 6%), а также более высокой эффективностью регистрации и хорошей температурной стабильностью. Потому устройство детектирования на основе LaBr3(Ce) позволят уверенно анализировать образцы со сложными спектрами гамма-излучателей.  Высокое разрешение напрямую ведет к улучшению качества идентификации радионуклидов в исследуемых образцах; значения минимально измеряемой активности, за идентичные интервалы времени, уменьшаются и как следствие уменьшаются времена измерения образцов для достижения требуемого результата;  высокая температурная стабильность устройств детектирования позволяет эффективно применять их при тяжелых температурных воздействиях внешней среды.   Существует большое количество сцинтилляторов,  весьма эффективных,  но из них не удаётся вырастить большие кристаллы для детекторов.  Например,  ZnS(Tl) – обладает малой гигроскопичностью,  высокой конверсионной эффективностью,  достигающей 20-25%  и практически независимой от энергии регистрируемых частиц. В этой связи следует также упомянуть ZnS(Ag) используемый для регистрации α- излучения.  Сульфид цинка широко применяется при изготовлении детекторов как мелкокристаллический порошок,  в виде тонного слоя,  нанесённого на прозрачную основу,  например,  оргстекло. Такие детекторы имеют невысокое разрешающее время 10 -3 сек,  но с успехом используются при регистрации тяжёлых заряженных частиц.  Если к такому порошку подмешать боросодержащий компонент,  например В2О3 – получим хороший детектор для регистрации медленных и тепловых нейтронов (по ядерной реакции 3 2 10 5 В n α Li , к тому же малочувствительной к сопутствующему γ- излучению.   Для регистрации медленных и тепловых нейтронов пригодны также детекторы на основе LiI и LiF,  допированные 6 Li: нейтроны вызывают реакцию 6 Li(n, α)T с образованием частиц высокой энергии. Но они одновременно регистрируют и γ-фон, который может быть далее дискриминирован в аппаратуре.   Процесс возникновения сцинтилляций можно представить при помощи зонной теории твердого тела.  В отдельном атоме,  не взаимодействующем с другими,  электроны находятся на вполне определенных дискретных энергетических уровнях.  В твердом теле атомы находятся на близких расстояниях,  и их взаимодействие достаточно сильно.  Благодаря этому взаимодействию уровни внешних электронных оболочек расщепляются и образуют зоны, отделенные друг от друга запрещенными зонами. Самой внешней разрешенной зоной, заполненной электронами,  является валентная зона. Выше ее располагается свободная зона -  зона проводимости.  Между валентной зоной и зоной проводимости находится запрещенная зона,  энергетическая ширина которой составляет несколько электронвольт.  Если в кристалле имеются какие-либо дефекты, нарушения решетки или примесные атомы, то в этом случае возможно появление энергетических электронных уровней, расположенных в запрещенной зоне. При внешнем воздействии, например при прохождении через кристалл быстрой заряженной частицы, электроны могут переходить из валентной зоны в зону проводимости. В валентной зоне останутся свободные места,  обладающие свойствами положительно заряженных частиц с единичным зарядом и называемые дырками.  Описанный процесс и является процессом возбуждения кристалла.  Возбуждение снимается путем обратного перехода электронов из зоны проводимости в валентную зону,  происходит рекомендация электронов и дырок.  Во многих кристаллах переход электрона из зоны проводимости в валентную происходит через промежуточные люминесцентные центры, уровни которых находятся в запрещенной зоне.  Указанные центры обусловливаются наличием в кристалле дефектов или примесных атомов. При переходе электронов в две стадии испускаются фотоны с энергией, меньшей ширины запрещенной зоны. Для таких фотонов вероятность поглощения в самом кристалле мала и поэтому световой выход для него много больше,  чем для чистого, беспримесного кристалла.  Органические кристаллические сцинтилляторы. Молекулярные силы связи в органических кристаллах малы по сравнению с силами,  действующими в неорганических кристаллах. 

Поэтому взаимодействующие  молекулы практически не возмущают энергетические электронные уровни друг у друга и процесс люминесценции органического кристалла является процессом,  характерным для отдельных молекул.  В основном электронном состоянии молекула имеет несколько колебательных уровней.  Под воздействием регистрируемого излучения молекула переходит в возбужденное электронное состояние,  которому также соответствует несколько колебательных уровней.  Возможны также ионизация и диссоциация молекул.  В результате рекомбинации ионизованной молекулы, она, как правило, образуется в возбужденном состоянии.  Первоначально возбужденная молекула может находиться на высоких уровнях возбуждения и через короткое время (~10 -11 сек) испускает фотон высокой энергии.  Этот фотон поглощается другой молекулой,  причем часть энергии возбуждения этой молекулы может быть израсходована на тепловое движение и испущенный впоследствии фотон будет обладать уже меньшей энергией по сравнению с предыдущим. После нескольких циклов испускания и поглощения образуются молекулы, находящиеся на первом возбужденном уровне; они испускают фотоны, энергия которых может оказаться уже недостаточной для возбуждения других молекул и,  таким образом, кристалл будет прозрачным для возникающего излучения. Благодаря тому, что большая часть энергии возбуждения расходуется на тепловое движение,  световой выход (конверсионная эффективность) кристалла сравнительно невелик и составляет несколько процентов.  Рис. 3. Упаковка кристалла: 1 – алюминиевая крышка ; 2 –дюралевый корпус; 3 – отражатель из оксида магния; 4 – стекло.  В качестве твёрдых органических сцинтилляторов часто используются монокристаллы антрацена (C14H10),  стильбена (C14H12),  нафталина (C10H8)  с антраценом (5%), толан (дифенилацетилен) и др. Все органические сцинтилляторы обладают по сравнению с неорганическими,  меньшими временами высвечивания и меньшей плотностью.  Детекторы на их основе отличаются хорошей разрешающей способностью, обычно 10 -6 – 10 -8 сек, но меньшей эффективностью к γ- излучению.  Обычно они,  в различном конструктивном оформлении используются для регистрации и спектрометрии α-  и β-частиц.  Монокристаллы стильбена и толана,  например,  легко выращиваются до больших размеров и имеют самые короткие времена высвечивания.  Стильбен хотя и обладает несколько меньшим световым выходом, чем антрацен, но зато длительность сцинтилляции у него значительно меньше (7•10 -9 сек), чем у антрацена,  что позволяет использовать его в тех экспериментах, где требуется регистрация очень интенсивного излучения.  Рис. 4. Схема контейнера типа А.  Кристаллические сцинтилляторы выпускаются для счёта и спектрометрии.  Иногда в них делается колодец, для обеспечения 4π- геометрии.

Пластмассовые сцинтилляторы. Пластмассовые сцинтилляторы представляют собой твердые растворы флуоресцирующих  органических соединений (n-Терфенил, 2,5-Дифенилоксазол, 1-Фенил-2-[4-бифенил]- этилен и др.)  в подходящем прозрачном веществе.  Например,  растворы антрацена или стильбена в полистироле,  или плексигласе. Концентрации растворенного флуоресцирующего вещества обычно малы и составляют несколько десятых долей процента или несколько процентов.  Рис. 5. Контейнер типа Ж с колодцем.  Так как растворителя много больше,  чем растворенного сцинтиллятора,  то,  естественно,  регистрируемая частица производит в основном возбуждение молекул растворителя.  Энергия возбуждения в дальнейшем передается молекулам сцинтиллятора.  Очевидно,  что спектр испускания растворителя должен быть более жестким,  чем спектр поглощения растворенного вещества, или по крайней мере совпадать с ним.  Экспериментальные факты показывают,  что энергия возбуждения растворителя передается молекулам сцинтиллятора за счет фотонного механизма,  т.  е.  молекулы растворителя испускают фотоны,  которые затем поглощаются молекулами растворенного вещества.  Возможен и другой механизм передачи энергии.  Так как концентрация сцинтиллятора мала,  то раствор оказывается практически прозрачным для возникшего излучения сцинтиллятора.  Пластмассовые сцинтилляторы характеризуются: малым временем высвечивания порядка 10 -8  – 10 -9 сек, удовлетворительной устойчивостью к воздействию облучений, пропорциональной зависимостью высот импульсов сцинтилляций от энергии излучения. Сцинтилляционная эффективности лучших пластмассовых сцинтилляторов достигает 70%  эффективности монокристаллов стильбена.  Ценным свойством пластмассовых сцинтилляторов является их прозрачность к собственному излучению.   Сцинтиллирующие пластмассы легко изготовляются,  механически обрабатываются и дают интенсивное свечение.  В качестве примера можно назвать твёрдые растворы терфенила или антрацена в полистироле.  Фосфоры-пластики могут быть изготовлены больших объёмов и любой формы (блочные детекторы,  плёнки,  капилляры и т.п.).  Пластмассовые сцинтиллирующие детекторы имеют эффективности ниже введённого вещества-сцинтиллятора из-за меньшей его концентрации на единицу объёма детектора.  Зато такие детекторы не боятся механических воздействий,  влаги и могут эксплуатироваться в диапазоне температур (-190 - +70 о С). Их применяют для регистрации заряженных частиц. Они чувствительны также и к γ-излучению.  Органические сцинтилляторы в кристаллическом и заполимеризованном виде используются для регистрации быстрых нейтронов благодаря эффекту упругого их рассеяния в материале детектора и возникающим при этом ядрам отдачи. Однако в каждом случае следует оценить степень влияния на результат сопровождающего нейтронный поток γ-излучения.  Жидкие органические сцинтилляторы представляют собой растворы флуоресцирующих веществ в прозрачных растворителях, мало поглощающих энергию излучения в фиолетовой и ультрафиолетовой частях спектра.  Растворители являются очищенные м-ксилол,  толуол,  фенилциклогексан,  сцинтиллирующими добавками n-Терфенил, 2,5-Дифенилоксазол (ППО), 1,4-Ди-[2-(5-фенилоксазолил)]-бензол (ПОПОП), 2,5-Ди- (1-нафтил)-1,3,4-оксадиазол, 1-Фенил-2(4-бифенил)-этилен,  Кватерфенил и др.  Наибольшим световым выходом обладает сцинтиллятор, изготовленный при растворении р-терфенила в ксилоле при концентрации растворенного вещества 5 г/л.  Ценным свойством жидкостных сцинтилляторов является малое время высвечивания (10 -8  – 10 -9 сек),  хорошая прозрачность для собственного излучения и возможность изготовлять их в любых объёмах и сосудах.  Механизм флуоресценции в жидких сцинтилляторах аналогичен механизму,  происходящему в твердых растворах - сцинтилляторах.  Использование жидкостей позволяет получать неограниченные объёмы фосфоров.  Жидкостной детектор обычно представляет собой стеклянный сосуд,  по диаметру катода ФЭУ,  наполненный сцинтиллирующим раствором и установленный непосредственно на фотокатод ФЭУ.  Измеряемый радиоактивный образец помещается внутрь жидкого объёма или смешивается с жидким сцинтиллятором. Для повышения эффективности такого жидкостного счётчика – максимум спектра излучения паратерфенила сдвигают к максимуму чувствительности фотокатода используемого ФЭУ путём добавок в раствор сцинтиллятора,  в рекомендованных пропорциях,  так называемых «сдвигающих добавок». В качестве таких добавок часто используют стандартные препараты РОРОР,  РРО и др.  Жидкостные сцинтилляционные детекторы широко применяются в радиометрии образцов,  содержащих низкоэнергетические β-частицы. Ихприменяют и для регистрации γ-излучения,  а также нейтронов.  В последнем случае в органических жидкостях растворяют вещество,  в котором нейтроны вызывают ядерную реакцию с образованием заряженной частицы.  Однако в больших потоках нейтронов  (более 10 12 нейтрон/см 2 /сек)  практически детекторы на основе традиционных органических растворителях выходят из строя.  Для работы с большими нейтронными потоками используется проточный сцинтилляционный детектор нейтронов,  использующий в качестве индикатора известную ядерную реакцию 6 Li + n → α + T. Детектор состоит из пленки 6 Li (3х3 мм) толщиной 10  мкм,  заключенной в майларовую оболочку толщиной 1  мкм,  которая служит для изоляции лития от окружающей среды и создания (помещенной в алюминиевую рамку) конструкции, которая омывается с двух сторон потоком жидкого фторсодержащего сцинтиллятора. Свет сцинтилляции с каждой стороны через свой световод попадает на фотокатод своего фотоумножителя. Направления потоков сцинтиллятора, нейтронного потока и снимаемого светового потока на фотоумножитель взаимоперпендикулярны,  что позволяет,  в принципе,  защитить ФЭУ от нейтронного облучения.  В результате ядерной реакции на 6 Li α-частица и тритий регистрируются по разные стороны пленки 6 Li (в различных объемах сцинтиллятора) каждый своим ФЭУ, которые включены на совпадение, что позволяет существенно снизить фон.