IBA metode za analizu bioloških uzoraka

Transcript

1 IBA metode za analizu bioloških uzoraka dr. sc. Ivančica Bogdanović Radović, znanstvena suradnica Laboratorij za interakcije ionskih snopova Zavod za eksperimentalnu fiziku Institut Ruđer Bošković Zagreb, Croatia Ruđer Bošković Institute, Zagreb, Croatia

2 Laboratorij za interakcije ionskih snopova Direct extraction duoplasmatron S3 ts1 S4 Sputtering ion source tm1 te1 F 1 ts1 tl1 1.0 MV HVE Tandetron tq1 ts2 tm2 sw1 F 3 tq2 M2 F 3 D2 sw2 F 2 Q1 6.0 MV EN Tandem Van de Graaff D1 F 1 Sputtering ion source S1 E1 E2 M1 S2 Alphatross ion source external beam PIXE Q3 PIXE/RBS TOF ERDA Nuclear reactions DM implantation & HR PIXE Nuclear microprobe Nuclear microprobe Ruđer Bošković Institute, Zagreb, Croatia

3 Ion Beam Analsis (IBA) metode NRA Nuclear reaction products PIGE γ rays Ion beam PIXE X-rays RBS Backscattered particles SEI Secondary electrons ANALIZA (elementi, izotopi) koristeći ione MeV-skih energija - (na, pa): -elementi Z > 12(PIXE) - C,N,O (RBS) -H(ERDA) -isotopi nuklearne reakcije γ -zrake(pige) čestice (NRA) Light IL TARGET Charge pulse IBIC Recoil nuclei ERDA Transmitted particles Forward scattered particles STIM KARAKTERIZACIJA s MeV pojedinačnim ionima -(fa): - gustoća - (STIM) - prijenos naboja - (IBIC) - kristalna struktura - channelling (RBS, STIM, PIXE) - morfologija sekundarni elektroni (SEI) - Kemijske veze - svjetlost, x-zrake (IL, PIXE)

4 Protonska mikroproba što je to? proton beam object slits quadrupole doublet focusing lens sample Y scan generator X x-ray detector amplifier Y X X-ray energy spectrum Fe Ca S Pb elemental maps

5 Komora za protonsku mikroprobu 2 mikroskopa 9 ulaza za detektore load-lock komora nosač uzoraka: -grijanje/hlađenje - višepinski el. kontakt xyz manipulator goniometar 2x2 µm 2 u modu velikih struja 500x500 nm 2 u modu malih struja Ruđer Bošković Institute, Zagreb, Croatia

6 2D distribucija elemenata Si Micro-PIXE, RBS, ERDA koncentracija i distribucija elemenata u raznim uzorcima. Ca Kod bioloških uzoraka vrlo važna je priprema uzoraka a nepravilna priprema može dovesti do kontaminacije uzorka, gubitka ili redistribucije elemenata. Cl

7 Primjeri iz biologije: Mikroproba konferencija ICNMTA znanstvenih publikacija objavljeno u Zborniku radova s konferencije od toga njih 31 je povezan s biomedicinskim aplikacijama - Distribucija elemenata u stanicama -Istraživanje neurodegenerativnih bolesti (Alzheimer, Parkinson) određivanjem distribucije elemenata u tkivu mozga - Prostorna distribucija elemenata u tragovima s morfološkim osobinama arterosklerotičnih nakupina - Distribucija metala u tkivima i organima nakon akutne izloženosti tim metalima - Studije apsorbcije pojedinih spojeva iz kozmetičkih preparata u kožu (metalni oksidi npr. TiO 2 koji služi kao zaštitni faktor u kremama za sunčanje) - Analiza metala u proteinima -Proučavanje uloge Ca i ostalih bioloških elemenata u tragovima tijekom fotodinamičke terapije tumora -Proučavanje distribucije elemenata u bioindikatorima i and bioakumulatorima kod mjerenja zagađenja zraka

8 Istraživanje neurodegenerativnih bolesti (Alzheimer, Parkinson) lokalizacija oboljelog tkiva i određivanjem elemenata : proton Uzorak STIM Sekcija tkiva (nekoliko µm) izolirane stanice Princip STIM metode - čestica prolaskom kroz uzorak gubi energiju u sudaru s elektronima. Mjerenjem gubitka energije individualnih čestica u transmitiranom snopu dobijemo informaciju o gustoći ili debljini uzorka. STIM slika neurona identificiranog u 5 µm debelom tkivu mozga zahvaćenog AD 30x30 µm 2 Shematski diagram NFT (neurofibrillary tangles) neurona i zdravog neurona Energija protona 2 MeV: Transmitirani protoni energijski prozor MeV Preuzeto iz J. Makjanić, F. Watt, Nucl. Instr. and Meth. B 150 (1999) 167

9 Prostorna distribucija elemenata u tragovima s morfološkim osobinama arterosklerotičnih nakupina : F. Watt et al., Nucl. Instr. And Meth. B 249 (2006) 646 STIM i elementne mape ranih lezija (bijeli zečevi hranjeni 8 tjedana masnom hranom (1% kolesterol)). Na STIM slici lezija se prepoznaje preko veće gustoće i povećane koncentracije fosfora. Veličina mape je µm 2

10 Studije apsorbcije pojedinih spojeva iz kozmetičkih preparata u kožu TiO2 se često koristi u kozmetičkim preparatima. Ipak, malo je eksperimenata napravljeno da bi se proučilo koliko duboko prodire kroz kožu i kakvi su njegovi efekti na organizam. Mikro-PIXE,RBS i STIM koriste se u kombinaciji za mapiranje elementnog sastava i idetifikaciju slojeva kože STIM + Ti Cl P S Ti Zs. Kertesz et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 231 (2005) 106

11 Ozračavanje pojedinačnih stanica - Mikroproba je posebno zanimljiva jer je u stanju predati stanici preciznu dozu zračenja - Za istu dozu zračenja teže čestice su mnogo efektnije od lakših ili od x-zraka zbog veće gustoće ionizacije proizvode štetu koju je teže popraviti -Proučavaju se efekti koje na stanicu i njezinu okolinu izazivaju pojedinačni teži ioni -Proučavanje bystander efekta 1. put opazili Nagasawa i Little, Cancer Res. 52 (1992) 6392 Iako je samo 1% stanica bio izložen snopu α čestica oštećenja kromosoma primjećena su u oko 30% stanica

12 Zaključak - Protonska mikroproba s prostornim rezolucijom snopa od 2x2 µm 2 i nuklearne analitičke tehnike PIXE, RBS, ERDA, STIM omogućuje 2D mapiranje gotovo svih elemenata u uzorcima s velikom osjetljivošću (u području ppm) - Veliki je interes u svijetu za analizu različitih vrsta bioloških materijala na mikroprobi (otprilike 1/3 objavljenih radova vezanih za mikroprobu odnosi se na takve uzorke) - Definicija problema + priprema uzorka (od izuzetne važnosti za uspjeh) - biolozi, medicinari, botaničari - Posljednjih godina raste broj uređaja posvećenih ozračivanju pojedinačnih stanica