Βραβείο Nobel Χημείας 2009 "for studies of the structure and function of

Transcript

1 Οι ακτίνες Χ είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με λ [ m] (ή 0,01-10Å) και ενέργεια φωτονίων kev. Βραβείο Nobel Χημείας 2009 "for studies of the structure and function of the ribosome" Venkatraman Ramakrishnan MRC Lab. of Molecular Biology, Cambridge, UK Ada E. Yonath Weizmann Institute of Science, Israel Thomas A. Steitz Yale University, CT, USA To ορατό εκπέμπεται στην περιοχή ενεργειών 1,6-3,2eV. Η ιστορική 1 η παρατήρηση 1895: Ο Prof. W. Rőntgen (1 o βραβείο Nobel Φυσικής) 1 η εφαρμογή 1 μήνα αργότερα!!!!!! Γιατί μας ενδιαφέρουν οι ακτίνες Χ? Πληθώρα εφαρμογών 1. Ιατρική: ακτινογραφία, αξονική τομογραφία 2.Λιθογραφία ακτίνων Χ, μικρομηχανική: κατασκευή μικροδομών με ακρίβεια καλύτερη του 1 μm σε δομές διαστάσεων mm Ribosomes, Based upon the information in DNA, produce proteins, which in turn control the chemistry in all living organisms: oxygen-transporting haemoglobin, antibodies of the immune system, hormones such as insulin, the collagen of the skin, or enzymes that break down sugar. 3. Περίθλαση ακτίνων Χ δομή κρυστάλλων, πρωτεϊνών 20/10/10 Page 1 of 25 20/10/10 Page 2 of 25

2 Σύστημα & μηχανισμός παραγωγής ακτίνων Χ -Προσοχή στη διαφορά Σύστημα παραγωγής ακτίνων Χ Ο σωλήνας Coolidge (1913) General Electric, ΗΠΑ. Στην καλύτερη περίπτωση όλη η ενέργεια του e μετατρέπεται σε ενέργεια φωτονίου ακτίνων Χ c Ekin ev hfmax h min Τα ηλεκτρόνια επιβραδύνονται με μηχανισμούς 1 ή πολλών σταδίων και προκαλούν την εκπομπή γραμμικού ή συνεχούς φάσματος: Το σύστημα λειτουργεί υπό κενό (10-7 atm) ελαχιστοποιείται η απώλεια ενέργειας των e λόγω σκεδάσεων με άτομα του αερίου. Η θερμιονική κάθοδος εκπέμπει ηλεκτρόνια. Το ρεύμα 2 των e εξαρτάται από την Τ της καθόδου: j AT exp kt Η μέγιστη ενέργεια των γραμμών εκπομπής δίνεται από τη σχέση: c Ekin ev hfmax h min Το 99% της ενέργειας των e χάνεται υπό μορφή θερμότητας Μηχανισμός παραγωγής ακτίνων Χ ταχέως κινούμενα e επιταχύνονται υπό ΔV= V προσπίπτουν σε μεταλλική άνοδο-στόχο με ενέργεια: E kin ev 20/10/10 Page 3 of 25 20/10/10 Page 4 of 25

3 Το φάσμα εξαρτάται άμεσα από Το υλικό της ανόδου Το δυναμικό λειτουργίας Αύξηση του V αύξηση της ακτινοβολίας πέδησης και ελάττωση του λ ο. c ev h min x Απορρόφηση ακτίνων Χ : J J o e [J m -2 s -1 ] Προσοχή!!! ορίζουμε τον συντελεστή απορρόφησης μάζης 3 3 m Αποδεικνύεται ότι: m c Z τα βαρέα στοιχεία απορροφούν εντονότερα από τα ελαφρά. οι μαλακές ακτίνες Χ (μεγάλο λ) απορροφώνται εντονότερα από τις σκληρές. Αρχή λειτουργίας μέτρων προστασίας Νόμος του Moseley (1913) v Z b Η συχνότητα των μονοχρωματικών γραμμών του φάσματος είναι: όπου α, b σταθερές και Z ο ατομικός αριθμός. 20/10/10 Page 5 of 25 20/10/10 Page 6 of 25

4 Μηχανισμοί αλληλεπίδρασης των ακτίνων Χ με την ύλη Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο : Παρατηρήθηκε το 1887 Σκέδαση Compton : παρατηρήθηκε το 1924 Μηχανισμός: φωτόνιο (hν) με μήκος κύματος λ σκεδάζεται από σχεδόν ελεύθερο ηλεκτρόνιο (e) Το hν χάνει μέρος της ενέργειάς του και σκεδάζεται υπό γωνία θ με νέο μήκος κύματος Το e αποκτά κινητική ενέργεια 1 2 m 2 Μηχανισμός: φωτόνιο ακτίνων Χ σκεδάζεται από ακίνητο e που καθίσταται ελεύθερο με Ekin m Παράδειγμα-Επίδραση του λ στο φάσμα φωτοηλεκτρονίων του καλίου: η Ε min =2 ev. Για Ε<Ε min δεν εκπέμπονται e. Για Ε>Ε min τα e έχουν Ε kin 0. Μηχανισμός σκέδασης Compton Κατά τη σκέδαση Compton προκύπτουν και φωτόνια με μήκος κύματος μεγαλύτερο του προσπίπτοντος. h 1 cos mc Το φαινόμενο Compton είναι : σημαντικό για σκληρές ακτίνες Χ σχετικά ανεξάρτητο του Ζ και της ενέργειας του φωτονίου. Το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο είναι σημαντικό για: Υλικά μεγάλου Ζ ( Ζ 5 ) Μαλακές ακτίνες Χ (Ε<50keV) 20/10/10 Page 7 of 25 20/10/10 Page 8 of 25

5 Ιδιότητες των ακτίνων Χ Προσβάλλουν την φωτογραφική πλάκα ανίχνευση & εφαρμογές Έχουν μεγάλο βάθος διείσδυσης στα υλικά Ιονίζουν τα άτομα ανίχνευση & καταστροφή Δεν αποκλίνουν υπό την επίδραση ηλεκτρομαγνητικού πεδίου. Φωτογραφικό φίλμ : ακτινογραφία, δοσιμετρία Θάλαμος ιονισμού Geiger-Müller ( ) Εχει μικρό μέγεθος εύχρηστος. Στηρίζεται στην ικανότητα των ακτίνων Χ να ιονίζουν την ύλη. Ανίχνευση ακτίνων Χ Φθορίζουσα οθόνη Απορροφά ακτίνες Χ και επανεκπέμπει ορατό φως. Η διαφορά της ενέργειας προσπίπτοντος και εκπεμπόμενου φωτονίου απορροφάται υπό μορφή θερμότητας. Φθορισμός νανο-σωματιδίων CdSe που εκτίθενται σε υπεριώδες με διαφορετικά λ Αρχή λειτουργίας Αποτελείται από σωλήνα με αέριο υπό χαμηλή πίεση. Οι ακτίνες Χ ιονίζουν το αέριο. Τα ηλεκτρόνια και τα ιόντα οδεύουν προς τα αντίστοιχα ηλεκτρόδια Κλείνει το κύκλωμα και διαρρέεται από ρεύμα Ι Το Ι βαθμού ιονισμού και της ενέργειας των προσπιπτόντων φωτονίων. Απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο 20/10/10 Page 9 of 25 20/10/10 Page 10 of 25

6 Φωτοπολλαπλασιαστής Αποτελείται από : σωλήνα υπό κενό, την φωτοκάθοδο (που υπό την επίδραση των ακτίνων Χ εκπέμπει ηλεκτρόνια) & x το πλήθος ανόδους. H φωτοκάθοδος εκπέμπει e που εστιάζονται και προσπίπτουν στην 1 η άνοδο που επικαλύπτεται με υλικό που έχει πολύ μικρό έργο εξόδου. Για κάθε προσπίπτον ηλεκτρόνιο η άνοδος εκπέμπει περισσότερα του ενός ηλεκτρόνια ενίσχυση σήματος. Ο φωτοπολλαπλασιαστής Μεταβολή της ενίσχυσης συναρτήσει της διαφοράς δυναμικού και του πλήθους των ανόδων. έχει x το πλήθος ανόδων πολλά στάδια ενίσχυσης. Η συνολική ενίσχυση είναι x n όπου x το πλήθος των ανόδων και το n 2,4 Εφαρμογές των ακτίνων Χ Ακτινογραφία Ακτινογραφία στήθους που δείχνει την παρουσία κακοήθους όγκου. Αρχή λειτουργίας της ακτινογραφίας Η απορρόφηση λ 3 Ζ 3 Οι ιστοί αποτελούνται από ελαφριά στοιχεία & είναι διαπερατοί στις ακτίνες Χ Η C Ν O Ζ-1 Z=6 Ζ=7 Z=8 Τα οστά αποτελούνται από βαρύτερα στοιχεία & είναι αδιαφανή στις ακτίνες Χ Ca P Z=20 Z=15 Προστασία από τις ακτίνες Χ Pb (Z=82) : καλή προστασία Be (Z=4) : διαφανές στις ακτίνες Χ. 20/10/10 Page 11 of 25 20/10/10 Page 12 of 25

7 Aξονική τομογραφία (CAT computer axial tomography, CT-computerized tomography) Χρησιμοποιούνται ταυτόχρονα περισσότερες από 1 δέσμες ακτίνων Χ. Η ένταση της κάθε διερχόμενης δέσμης, που καταγράφεται από τον ανιχνευτή, διαμορφώνεται από τους διαφορετικούς ιστούς που διαπερνά και επομένως είναι διαφορετική. Η CT επιτρέπει την καταγραφή ειδώλων τομών του σώματος σε διεύθυνση κάθετη προς το ύψος του ασθενούς. Η ανασύνθεση της 3D εικόνας γίνεται με τη βοήθεια κατάλληλου λογισμικού. όγκος 3D απεικονίσεις αξονικής τομογραφίας. Απεικόνιση CAT του στήθους σε διεύθυνση κάθετη προς τη σπονδυλική στήλη. Η καρδιά βρίσκεται στο κέντρο της εικόνας, ενώ τα πνευμόνια αντιστοιχούν στις σκοτεινές περιοχές που βρίσκονται καρδιά πνεύμονας ανάμεσα στις κίτρινες. Το ροζ ακανόνιστο σχήμα αριστερά αντιστοιχεί σε καρκίνωμα. 3D απεικόνιση της λεκάνης και μέρους της σπονδυλικής στήλης. Ο φθορισμός χρησιμοποιείται για την απεικόνιση σε πραγματικό χρόνο (real time) των εσωτερικών οργάνων των ασθενών. Η βασική συσκευή περιλαμβάνει μία πηγή ακτίνων Χ και μία φθορίζουσα οθόνη. 20/10/10 Page 13 of 25 20/10/10 Page 14 of 25

8 Τα σύγχρονα συστήματα περιλαμβάνουν ενισχυτές του σήματος και Video camera που επιτρέπει την καταγραφή του ειδώλου. Παράδειγμα εικόνας φθορισμού. Οι μονάδες μέτρησης ιονίζουσας ακτινοβολίας είναι κοινές για τις ακτίνες Χ καθώς και για τα σωματίδια α (πυρήνες He), β (ηλεκτρόνια) και τις ακτίνες γ που παράγονται από τη διάσπαση ραδιενεργών πυρήνων. Ασφάλεια: Μηχανές ακτίνων Χ χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο αποσκευών στα αεροδρόμια και την ανίχνευση βομβών και όπλων. Χρησιμοποιούν πολύ χαμηλή δόση είναι ασφαλή για τους εργαζόμενους και τους ταξιδιώτες. Η ενέργεια που απαιτείται για τον ιονισμό ενός ατόμου ή μορίου 1-35eV. Η ενέργεια των ακτίνων Χ (αλλά και των α, β και γ) είναι πολύ μεγαλύτερη ένα φωτόνιο τους μπορεί να προκαλέσει ιονισμό χιλιάδων μορίων. Οι μονάδες διακρίνονται σε μονάδες έκθεσης και μονάδες απορροφηθείσης δόσης. Η έκθεση ορίζεται ως το πλήθος των θετικών ιόντων συνολικού φορτίου q που παράγονται όταν δέσμη ακτίνων Χ διαπερνά μάζα m ξηρού αέρα στους 0 ο C υπό P=1atm. q έ (Cb kg-1) m 20/10/10 Page 15 of 25 20/10/10 Page 16 of 25

9 To Röntgen R (η πιο παλιά μονάδα μέτρησης της έκθεσης) είναι η ποσότητα της ακτινοβολίας που απαιτείται για να δημιουργηθούν 2,08x10 9 ζεύγη ιόντων σε 1 cm 3 ξηρού αέρα, στους 0 ο C υπό P=1 atm. Στο σύστημα SI: 1 R=2.58x10-4 Cb/kg. Δόση 500 R σε 5 ώρες είναι θανατηφόρα Η έκθεση δεν δίνει πληροφορίες για τις επιπτώσεις των ακτίνων Χ σε ζωντανούς ιστούς ορίζεται η απορροφηθείσα δόση. Η απορροφηθείσα δόση, και ο βαθμός ιονισμού που προκαλεί, εξαρτάται από την φύση του υλικού που απορροφά. Oρίζονται τα μεγέθη rad και rem: Rad (Rőntgen absorbed dose): 1 rad είναι η ποσότητα της ακτινοβολίας που απελευθερώνει 10-5 J ανά gr απορροφόντος υλικού (ή 0.01 J/kg). Στο σύστημα SI η μονάδα απορροφηθείσης δόσης είναι το Gray : 1 Gray (Gy) 1J/kg =100 rad Rem=Röntgen equivalent man= Röntgen ισοδύναμο για τον άνθρωπο. To rem είναι το γινόμενο της απορροφηθείσης δόσης (σε Röntgen) με την βιολογική αποτελεσματικότητα 1 Rem ισούται με την απορροφηθείσα δόση που προκαλεί σε έναν άνθρωπο αποτέλεσμα ισοδύναμο με 1 rad ακτίνων Χ ενέργειας 250 kev. Μονάδες : sievert (1 sievert =100 rem) Επειδή διαφορετικοί τύποι ακτινοβολίας προκαλούν διαφορετικά βιολογικά αποτελέσματα για την ίδια ποσότητα απορροφηθείσης ενέργειας ορίζεται η Σχετική βιολογική αποτελεσματικότητα RBE (Relative Biological Effectiveness) Τιμές RBE για διάφορες ακτινοβολίες Ακτινοβολία RBE Ακτίνες Χ 200 kev 1 Ακτίνες γ 1 Σωματίδια β (e - ) 1 Πρωτόνια 10 Σωματίδια α Βραδέα νετρόνια 2 Ταχέα νετρόνια 10 Δηλαδή ενώ οι ακτίνες γ και τα ηλεκτρόνια έχουν το ίδιο καταστροφικό αποτέλεσμα με ακτίνες Χ ενέργειας 200keV, η καταστροφή που προκαλούν τα υπόλοιπα σωματίδια είναι πολύ μεγαλύτερη, π.χ. για τα πρωτόνια είναι 10 φορές μεγαλύτερη. 20/10/10 Page 17 of 25 20/10/10 Page 18 of 25

10 Αντιπροσωπευτικές τιμές δόσεων (msv) στις οποίες εκτίθενται οι ασθενείς όταν υποβάλλονται σε διαγνωστικές εξετάσεις. Το 1940 οι δόσεις ήταν φορές υψηλότερες. Το 1960 για την μαστογραφία χρησιμοποιούσαν δόσεις 100 φορές μεγαλύτερες από ότι σήμερα. Τυπικές τιμές δόσεων Πηγή Δόση Υπόβαθρο 0,075 rem/χρόνο Διάγνωση (<150 kev) 0.2 rem/χρόνο Ακτινοβόληση όγκων (5 MeV) rem/περίοδο (εντοπισμένη) Θανατηφόρος δόση 400 rem/δόση (όλο το σώμα) Φυσική δόση /ζωή 9 Rem Τα έμβυα όντα εκτίθενται επίσης σε ιονίζουσα ακτινοβολία λόγω της ακτινοβολίας του Ηλίου, της κοσμικής ακτινοβολίας και της διάσπασης των φυσικών ραδιενεργών στοιχείων. Επιτρεπόμενα όρια δόσεων σε ελεγχόμενες περιοχές δόση Πιθανή επιπλοκή Εργαζόμενοι 5 rem/χρόνο Μάτια, παραγωγή αίματος 30 rem/χρόνο Δερματοπάθειες, θυρεοειδής Κάτοικοι 0,5 rem/χρόνο Βαθμός ευαισθησίας Υψηλός Μυελός, λεμφαδένες, επιθύλιοι ιστοί, έμβρυα Μέτριος Αρτηρίες, κόκαλα Χαμηλός Νευρικό σύστημα (μη-ανατάξιμη βλάβη) 20/10/10 Page 19 of 25 20/10/10 Page 20 of 25

11 Αποτελέσματα διαφόρων δόσεων : η έκταση της καταστροφής εξαρτάται από την απορροφηθείσα ενέργεια ανά gr του οργανισμού. Δόση Αποτέλεσμα <25 rad rad Μυελός, λεμφαδένες, σπλήνα rad + κόπωση, πεπτικό (ανατάξιμη με αντιβίωση) rad ++ Νευρικό σύστημα (μεταγγίσεις, μεταμόσχευση μυελού οστών) >1000 rad Θάνατος (κατάρρευση κυκλοφορικού + αναπνευστικού) Μακροχρόνιες επιπτώσεις στην υγεία των κατοίκων Hiroshima μετά την έκρηξη της ατομικής βόμβας. ----λανθάνουσα περίοδος ----υποψία αύξησης Μακροχρόνιες επιπτώσεις Καρκίνος των οστών Λευχαιμία Hiroshima 1945 Εκδήλωση Manhattan project 2 ος παγκόσμιος πόλεμος Μετά από 20 χρόνια θάνατοι από καρκίνο 20/10/10 Page 21 of 25 20/10/10 Page 22 of 25

12 Νόμοι λογαρίθμων y=10 x x=log y log(xy)=logx+logy y=e x x=ln y, e=2.718 log x y =logx-logy 10=e ln 10=2.303 log y n =n log y πηγές Ρελατιβιστικά ηλεκτρόνια, με E GeV, εκτρέπονται από την ευθύγραμμη τροχιά τους υπό την επίδραση μαγνητικού πεδίου εκπέμπουν ευρύ φάσμα, από το υπέρυθρο έως τις σκληρές ακτίνες Χ, με πολύ υψηλή ένταση. Η ακτινοβολία εκπέμπεται εφαπτομενικά στο σημείο καμπής της τροχιάς των ηλεκτρονίων. Η ακτινοβολία SR βρίσκει εκτεταμένες εφαρμογές στις φυσικές επιστήμες, τη φαρμακευτική και την ιατρική, την μικροηλεκτρονική, τη μικρομηχανική και την κοσμετολογία. 20/10/10 Page 23 of 25 20/10/10 Page 24 of 25

13 Τα εργαστήρια παραγωγής ακτινοβολίας synchrotron ESRF-Greboble & BESSY-Βερολίνο. Ενδεικτική διάμετρος δακτυλίου αποθήκευσης 240 m Η φωτεινότητα της δέσμης των ακτίνων Χ αυξήθηκε κατά 13 τάξεις μεγέθους (10 13 φορές) από το /10/10 Page 25 of 25