IBA metode za analizu bioloških uzoraka dr. sc. Ivančica Bogdanović Radović, znanstvena suradnica iva@irb.hr Laboratorij za interakcije ionskih snopova Zavod za eksperimentalnu fiziku Institut Ruđer Bošković Zagreb, Croatia http://www.irb.hr/hr/str/zef/z3labs/liis/ Ruđer Bošković Institute, Zagreb, Croatia
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
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)
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
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
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
Primjeri iz biologije: Mikroproba konferencija ICNMTA 2004-99 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
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 1.83-1.87 MeV Preuzeto iz J. Makjanić, F. Watt, Nucl. Instr. and Meth. B 150 (1999) 167
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 1200 1200 µm 2
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 0 60000 0 20000 0 20000 0 60000 Zs. Kertesz et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 231 (2005) 106
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
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