close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

(1176 Kb).

код для вставкиСкачать
Результаты и состояние дел на
ускорительном масс-спектрометре
С.А. Растигеев
ИЯФ СО РАН
февраль 2014
Принцип работы УМС-анализатора ИЯФ
•
•
•
•
•
Выбивание ионов из образца
Отклонение основных изотопов из ионного пучка
Ускорение ионного пучка
Очищение ионного пучка от изобар
Поштучный подсчет редкого изотопа
Атомные и молекулярные изобары радиоуглерода
• 14N
m/dm=84000
• 13CH, 12CH2
m/dm ~1000
(На каждый ион радиоуглерода приходится примерно 108 молекулярных изобар)
Особенности УМС ИЯФ
Характерные особенности УМС ИЯФ
• Сортировка ионов по энергии сразу после
разрушения молекулярных ионов Æ
эффективное отсеивание осколков
молекул, т.к. энергия кусков молекулы
всегда меньше энергии молекулы (в этот
момент).
• Мишень на парах магния для разрушения
молекул Æ локализованное место
развала молекул
• 2D времяпролетный детектор с
регистрацией момента прилета ионаÆ
надежная идентификация ионов
На УМС ИЯФ производится эффективное
Времяпролетный спектр с графита МПГ
отсеивание ионного фона азота ( та же масса, что
Концентрация радиоуглероода 2*10-15 (14С/12С)
и у радиоуглерода)
Пример устранения ионного фона в УМС ИЯФ связанного с
высоковольтными пробоями за счет регистрации момента
прилета каждого иона.
Зависимость числа
регистрируемых
событий от времени
Регистрация ионов
Проекции типичной трехмерной картины
такой регистрации ионов
Основное назначение УМС ИЯФ
1. Датирование археологических и
геологических образцов.
2. Получение радиоуглеродных
профилей для природных отложений
3. Проведение биомедицинских
исследований с использованием
радиоуглеродных меток.
Биомедицинские применения
В последние годы, число исследований по применению
УМС в биомедицине неуклонно растет. Исследования
направлены как на отработку методик УМС-анализа
образцов, так и на создание новых комплексов УМС.
Высокая чувствительность УМС позволяет проводить
исследования при очень низких биохимических и
радиационных дозах веществ, вводимых в живые
системы. УМС-анализ применяется для исследования
токсичности и метаболизма препаратов, изучения
повреждений молекул ДНК, тестирования новых
лекарственных средств. В мире начали создаваться
первые специализированные комплексы УМС для
биомедицинских исследований.
Использование
радиоуглеродных
меток
позволяет
продолжительные исследования.
Углерод входит состав органических соединений
Углерода в организме человека примерно 21 %
(15 кг на 70 кг массы тела).
В организме человека примерно 20 нанограмм радиоуглерода.
проводить
•
При биомедицинских исследованиях методом УМС биопрепараты помечаются
радиоуглеродными меткам.
После введения биопрепарата в живой организм, концентрация радиоуглерода
увеличивается в местах скопления введенного вещества.
•
Сколько меток 14С необходимо вводить в биопрепарат ?
•
•
Обычная мировая практика – радиоактивность биопрепарата должна составлять
100нКи.
Такого количества меток (100 нКи ), с одной стороны достаточно для мониторинга
долговременных процессов в живом организме, с другой стороны, работы с такими
радиоактивностями можно проводить в обычных помещениях.
По нормы радиационной безопасности в России
активность минимально значимая составляет
2700 биопрепаратов по 100 нКи
Для сравнения, радоактивность 100 нКи
содержится примерно в двух ведрах
картофеля.
Посредством УМС можно проводить некоторые биомедицинские исследования без
добавления 14С – меток измеряя естественное содержание радиоуглерода)
Посредством УМС можно проводить некоторые биомедицинские
исследования без добавления 14С – меток
( измеряя естественное содержание радиоуглерода)
Концентрация радиоуглерода в
объектак сформированных в 60годы 20 века увеличена в 1.5-2 раза,
за счет дополнительного
образования радиоуглерода при
проведении испытаний ядерных
вооружений.
Измеренная на УМС ИЯФ концентрация радиоуглерода в кольцах дерева
из Новосибирска ( аналогичная зависимость должна наблюдаться для
клеток живых систем, сформированных в данное время).
Микродозирование (фаза 0) – новый метод тестирования
лекарственных средств с использованием УМС
Принцип: при тестировании лекарственных средств пациенту вводится 1/100
фармакологической дозы ( не более 100 мкГрамм) что практически безвредно
для здоровья. Если препарат помечен 14С, то чувствительность УМС позволяет
изучать фармакокинетику лекарственного средства.
Применение метода микродозирования позволит сократить время и
деньги требуемые на создание лекарств на десятки процентов, за
счет возможности получения данных по фармококинетики и
токсичности при клинических испытаниях на человеке на ранних
стадиях создания лекарств .
В Европейских странах и США законодательство позволяет проводить
клинические испытания новых лекарственных средств на человеке в
микродозах без тестирования на животных.
На создание одного лекарства уходит 15 лет времени и
затрачивается примерно 1 миллиард $, 92% лекарств успешно
прошедших тестирование на животных не проходят даже
первой стадии клинических испытаний на людях.
Особенности УМС анализа при проведении
биомедицинских исследований
1. Обычно концентрация радиоуглерода в объектах
превышает природную ( необходимо расширение
диапазона измеряемых концентраций радиоуглерода и
уменьшения эффекта «памяти»).
2. Необходим анализ большого количества образцов ( для
получения зависимостей от времени, фармакологической
дозы и т.д. )
3. Образцы содержат больше примесей ( необходима
надежное выделение ионов радиоуглерода из
сопутствующего ионного фона).
4. Поскольку радиоуглеродные метки вносятся искусственно,
необходимо избегать загрязнение оборудования
повышенным количеством радиоуглерода.
В УМС ИЯФ используется распылительный ионный
источник с барабаном на 23 образца
Образец помещается в ионный источник, где
распыляется ионами цезия. В результате
образуются отрицательные ионы элементов
вещества.
Смена
образцов
Нагретый ионизатор
Барабан ионного
источника с 23 образцами
сопровождается
разгерметизацией
ИИ,
поэтому процесс смены
образцов
достаточно
долгий.
Для
увеличения
производительности УМСанализа
осуществляется
переход на смену образцов
кассетами
и
проектирование
ИИ
с
числом образцов 100-200.
Для ряда биомедицинских задач желательно
уменьшение веса требуемого для УМС-анализа
образца с нескольких мг до 100 мкг и менее.
Фотография образец ( 2мм в диаметре) после УМС-анализа
(с распыленной цезием областью в центре)
Достигнутый на УМС ИЯФ размер области распыления
образца ( области фокусировки пучка цезия) позволяет
рассмотреть возможность уменьшения диаметра образца
и соответственно веса требуемого для УМС-анализа.
Проверка возможности регистрация ионов радиоуглерода на
УМС ИЯФ в образцах с повышенной концентрацией
радиоуглерода для биомедицинских применений.
Двумерные гистограммы регистрации радиоуглерода в образце с естественным уровнем
концентрации и с внесенными метками, увеличивающими концентрацию радиоуглерода в 10 и 100
раз.
Одномерная гистограмма таких
концентраций с указанием места
расположения ближайшего изотопного
ионного фона.
Проверка возможности увеличения диапазона измеряемых
концентраций радиоуглерода на УМС ИЯФ ( концентрация
радиоуглерода в обогащенных радиоуглеродом образцах превышает
естественную в живых системах в 10-100 раз).
Перед барабаном с
образцами на расстоянии
доли миллиметра
установлена диафрагма
диаметром 6 мм. Такая
диафрагма позволяет
прикрыть остальные
образцы от попадания
углерода при анализе
выбранного образца.
Влияние образцов с повышенной концентрацией
радиоуглерода на образцы с естественной незначительно.
Подготовительные работы для анализа на УМС ИЯФ изотопов
других химических элементов (10Be, 26Al и т.д.).
1. Создание системы формирования импульсного пучка ионов.
2. Рассмотрение возможностей по увеличению энергии пучка.
3. Разделение ионных изобар времяпролетным детектором.
Времяпролетные спектры радиоуглерода и
азота при близкой кинетической энергии.
Времяпролетные спектры
радиоуглерода и азота после
прохождения пленки из
майлара толщиной 2.5 мкм.
Совместно с ИК СО РАН был создан стенд для
графитизации биомедицинских образцов.
Образцы под
электронным
микроскопом
Образец сжигается в вакууме с добавлением кислорода . Углерод из образованного СО2 осаживается
на железе при добавлении водорода и нагреве до 550-6500С (с выделением паров воды).
•
Примерно 4 часа необходимо для графитизации 90 % углекислого газа. Для повышения
производительности производится параллельная графитизация нескольких образцов (каждый в
своей пробирке).
• Образованная смесь углерода и железа прессуется в пистон для УМС- анализа.
Тестирование графитизированных
биомедицинских образцов на УМС ИЯФ
содержание радиоуглерода
10
D1k ,1
1
D2k ,1
D3k ,1
D4k ,1
f ( xtk) 0.1
0.01.
1 10
0.01
0.1
1
10
Ток пучка ионов на выходе
УМС с графитизированных
биомедицинских образцов
1.03
16
значение для образца
среднее по образцам
1.02
концентрация радиоуглерода
концентрация радиоуглеродных меток
0.04
0.03
0.02
0.01
0
12
10
8
6
4
1.01
1.00
0.99
0.98
2
0.97
печень
0
5
10
15
20
25
30
почки
кровь
мозг
Биоматериал для графитизации образцов
Радиоактивность введенного метанола, Бк
Дозозависимые эффекты
1
2
3
4
5
6
образец
Зависимость измеренной
концентрации радиоуглерода от
степени обогащения метанола
14С метками.
0
0.05
0
3
D1k ,4 + dx , D2k ,4 + dx , D3k ,4 + dx , D4k ,4 + dx , xtk
14
0.06
Естественная концентрация
радиоуглерода в органах
мышей
Испытания чистоты 5-ти образцов.
Проведенные
тестирования
продемонстрировали
возможность
проведения первых
биомедицинских
исследований на УМС
ИЯФ.
Совместно с НГУ, ИК СОРАН, НИИ МББ
СОРАМН были проведены первые
биомедицинские исследования с
использованием УМС ИЯФ по теме:
«Развитие перспективных методик анализа биомедицинских образцов
для исследований токсичности и фармакокинетики химических
соединений с использованием сверхчувствительного метода ускорительной масс-спектрометрии»
Исследования проводились на самцах мышей линии CBA массой 23-25 г из питомника
ФГБУ «НИИ КИ» СО РАМН. Животные содержались в клетках в условиях 12-часового
режима освещения и свободного доступа к корму и воде. Перед экспериментами мыши
проходили карантин и акклиматизацию в условиях вивария в течение 7 дней. Условия
содержания животных исключали воздействие внешних факторов, способных повлиять на
качество получаемых результатов. Воздух, корм, вода и подстил не содержали токсичных
агентов.
14C- метанол объемом 20мкл вводился мышам внутрибрюшинно с радиоактивностью 20Бк на
одну мышь. После введения мышам 14С-метанола, их умерщвляли методом цервикальной
дислокации через фиксированные интервалы времени (1, 3, 10 и 24 ч), по 5 животных на
каждый интервал, отбирали исследуемые органы печень, почки и мозг. В качестве контроля
использовались интактные мыши. Отобранные органы замораживали в жидком азоте и
хранили при температуре -80оС до последующей пробоподготовки для УМС-анализа.
Радиоактивность 20 Бк эквивалентна естественной радиоактивности
½ обычного банана.
Концентрация радиоуглерода в почках мышей в зависимости
от времени после внутрибрюшинного введения метанола.
Статистический разброс
подсчета числа ионов
радиоуглерода на УМС ИЯФ
много меньше естественного
разброса для отдельных
особей, обусловленного
индивидуальными
особенностями метаболизма.
Концентрация метанола в
почках меченых и не
меченных мышей
В контрольных образцах тканей (с метанолом без 14С
меток) регистрируется примерно одинаковая
концентрация радиоуглерода, соответствующая
естественному содержанию в живых системах. Во всех
исследуемых органах мышей после введения им 14Cметанола радиоактивностью 20 Бк, концентрация
радиоуглерода в разы превышает естественную.
Содержание метанола, меченого углеродом 14C, в
разных органах мышей в зависимости от времени
после внутрибрюшинного введения
После введения 14С меченого
метанола объемом 20 мкл,
содержание метанола и его
метаболитов в печени
оставалось стабильно высоким
(400-500 мг/кг) в течение всего
исследуемого интервала
времени, тогда как в головном
мозге этот показатель к 24-ем
часам снизился до 40 мг/кг.
Кинетика элиминации
метанола и его метаболитов из
почек была замедлена по
сравнению с головным мозгом:
к 24-ем часам до уровня 100
мг/кг.
1- печень,
2- мозг,
3- почки.
Следует отметить, что принцип УМС-анализа основан на регистрации
введенных радиоуглеродных меток, фармакологическая доза не имеет
значения для УМС-анализа, поэтому используя УМС, можно проводить
исследования при дозах введенного препарата на порядки меньших, чем
предельные значения по чувствительности других методов.
Параметры фармакокинетики метанола
в мозге мышей (двухкамерная модель
аппроксимации измеренных значений )
В течении отчетного периода был
проведен УМС-анализ ВСЕХ
археологических и геологических
образцов графитизированных группой
пробоподготовки ЦКП « Геохронология
кайнозоя».
Пример УМС-анализа:
Радиоуглеродный возраст донных осадков.
Образцы для УМС анализа: Калугин И.А., ИГМ СО РАН
.
Заключение
В 2013 году проводились работы направленные
на расширение области применения УМС ИЯФ
и радиоуглродный анализ археологических,
геологических образцов. .
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа