x射线荧光在医学

美国马特^一个和j·Borjesson^b

^一个辐射物理系,隆德大学、马尔默大学医院,se - 205 02,马尔默,瑞典
^b诊断放射学、县医院,se - 310 85哈尔姆斯塔德,瑞典

介绍

x射线荧光(光谱仪)是二级(或荧光)的排放特征x射线的材料所兴奋的轰炸高能x射线或伽玛射线辐射。一个光子被吸收的过程由一个原子将所有的能量转移到一个电子被称为光电效应。继发于此过程中,光子已经提供足够的能量,电子喷射主要从内壳层,创建一个空缺。这是一个原子不稳定条件,当它返回到其稳定条件下,电子从一个外壳是转移到一个内在的贝壳。在这个过程中,一个特征x射线的能量匹配两者的区别结合能相应的壳,可以创建。因为每个元素都有一组独特的能量水平,每个元素产生一组独特的x射线的能量,让我们无损测量样品的元素组成。

光谱仪的原理已经知道自1913年以来,当亨利G.J.莫斯利(英国曼彻斯特大学)发现一个元素的原子序数(之间的关系Z)和波长、能量的特征x射线发射。莫斯利测量并绘制x射线频率约为40元素周期表。他表明,K_αx射线是一条直线Z与频率的平方根是策划,即莫斯利阴谋。对于测量,莫斯利使用x射线光谱仪与平坦的水晶板照片。前不久,它已被w•h•布拉格和构造。

最初几年,光谱仪技术用于识别元素,但不是非常有用的定量分析,直到的发展和更广泛的介绍固态探测器γ-和x射线谱技术开始发展。第一个应用程序是量化和具体分析在冶金、矿业和金属勘探。后来也用于艺术鉴定和地球化学研究和考古。偶尔相似类型的设备是用于测量人类样本,特别是解决法律问题。

后来,人类的血液样本,对测量尿液,头发,指甲,皮肤,活检等稳步增长,得益于新的x射线技术的集约发展,例如µ-XRF、全反射x射线荧光(TXRF),两极分化的优势x射线和同步加速器辐射Rontgen-fluorescence分析(SR-RFA)。同时,出现了戏剧性的发展替代微量元素的分析方法分析和原子吸收光谱法、电感耦合等离子体原子发射和质谱,icp - aes和icp,分别在过去的二十年。

最终使用的医学分析光谱仪在活的有机体内测量病人在生活中直接或志愿者。它起源于人类甲状腺碘的定量分析。这个想法源自家室的开创性工作,¹谁发明了一种减法技术使用两个x射线放射碘,碘上方和下方K-absorption优势之一。霍夫尔et al。²意识到,如果技术工作,应该有机会看到发射的特征x射线使用半导体探测器,从碘,当时已经开发了核与粒子物理。以这种方式在活的有机体内光谱仪分析,量化人类甲状腺碘浓度,通常大约400µg g¹。

的进一步发展在活的有机体内光谱仪技术与重元素的分析,首先覆盖领先^{3 - 7}后来镉⁸也在某种程度上水银⁹在职业性暴露工人。白金也分析调查吸收和抑制细胞生长的代理cis-platinum动力学肿瘤病人。¹⁰下面的部分将介绍努力学习各种有毒元素在活的有机体内在职业性暴露工人和病人。

光谱仪在活的有机体内

铅

在活的有机体内光谱仪分析人类骨骼的铅水平职业性暴露给了新信息冶炼厂工人。研究清楚地表明,对工人进行曝光,血铅的分析是一个贫穷的估计身体的含铅量(超过90%的铅驻留在骨架)。身体负担或综合接触测量,互补的在活的有机体内光谱仪测量骨的要做。这是一个方法来识别个人携带一个内部来源的铅,而当released-may创建急性中毒。当然这样的高污染水平应该永远不会接受任何现代工作场所。

在活的有机体内光谱仪分析也被证明是一个非常重要的技术在美国和加拿大这样的国家,由于含铅油漆,导致中毒仍然是一个非常严重的问题,特别是对孩子。

在手指骨可以通过辐射测量两个手指⁵⁷有限公司(122和136 keV)来源安装相反,参见图1。铅K壳x射线(K-XRF)和无条理地分散使用高纯锗探测器探测到的光子。

图1所示。安排的决心在指骨光谱仪。辐射屏蔽,两⁵⁷Co-sources(大约300兆贝可)和finger-holder显示。

不同K-XRF骨铅技术,在胫骨的抽样,跟骨和髌骨,基于88 keV^109年Cd源和一个大的或几个小区域探测器。¹¹这项技术现在看来准备从一般人群即使在测量对象。

镉

镉电池行业的主要问题(镍镉)在焊接和油漆的生产和使用。镉在烟草也被证明是一个重要的暴露源吸烟者。也有增加的镉水平社会由于版本从产业和垃圾燃烧设施和增加农业化肥的使用。

为在活的有机体内分析光谱仪比另一种更有利的使用中子活化技术,由于辐射和较低的检测下限。

镉与K-XRF肾脏和肝脏很容易测量,采用偏振光子从修改x射线机,⁸参见图2。肾脏本地化是用超声波。今天可以进行测量,不仅在职业性暴露的主题,而且在普通人群中。在集团层面,吸烟者和不吸烟者可以区分开来在活的有机体内测量肾镉浓度。

图2。测量设置为在活的有机体内光谱仪的镉和汞。¹⁵

汞

电化学工业金属汞可能是一个问题也与小规模的金矿,在金银矿石与汞合并。最后复苏的精金粒子是通过加热或燃烧混合物中提取导致汞排放量高人们的气氛和内部和外部污染。人类暴露的主要群体是黄金交易商在商店,而不是黄金矿工在户外工作。的甲基汞,沿着河流的下游人口构成了集团面临风险,因为他们依赖于鱼作为主要的蛋白质来源。光谱仪在活的有机体内有可能识别污染最严重,并监控改进使用的例程的影响。

汞被测量在活的有机体内在严重暴露工人的温度计和氯碱行业。高于50µg g¹指出在肾脏和尿和肾汞观察之间的相关性。⁹所使用的光谱仪技术类似于用于测量镉。

碘

甲状腺的生产依赖于碘甲状腺激素三碘甲状腺氨酸(T₃)和甲状腺素(T₄),通过甲状腺控制我们的身体机能和发展。在甲状腺碘是甲状腺碘丰富和存储池。碘池的知识是最有价值的,因为它有助于了解食品中的碘含量,thyroidal疾病甚至预测治疗效果。可以获得这些信息在活的有机体内光谱仪。

在最初,Hoffer工作等。²和光谱仪扫描仪的发展,许多研究intrathyroidal碘,用光谱仪,进行。几年之后,对技术的兴趣下降直到最近当汉森¹²重新调查的技术分析碘在活的有机体内为进一步优化。她还报道非常明确的碘浓度的差异在甲状腺癌组织和正常甲状腺组织。此外,碘含量和分布在良性和恶性甲状腺组织一起组织甲状腺健康受试者进行了分析与二次离子质谱(SIMS)作为补充方法。显著性差异的结果证实碘含量之间的良性和恶性甲状腺组织。

因为大多数x射线造影剂含有碘,对比分子可以通过光谱仪追踪在活的有机体内,如通过测量血液丰富的指尖。另外,血液样本被收集和分析光谱仪。这打开了可能使定量测定肾小球滤过率(GFR),要么后,例如,尿路造影术或作为一个单独的调查使用少量的对比剂。¹³在一个比较x射线造影剂受者和间隙测量,最常用的标记⁵¹Cr-EDTA,之间有很强的相关性的结果两个方法。碘测量使用^241年我(59 keV)源和硅探测器在90°几何。

其他几个元素已经被测量在活的有机体内或显示一个潜在的测量(见表1)。更多细节,读者被称为审查论文Borjesson和马特,¹⁴Chettle,⁷Borjesson和马特。¹⁵

表1。应用程序,主要测量站点(s), K吸收能量和元素的特征x射线在活的有机体内光谱仪。

光谱仪测量样本(光谱仪在体外)

在体外光谱仪主要用于实验室的分析,例如,金属、矿产、样品的环境,食物,体液和组织标本。光谱仪也可以用来分析元素医学兴趣血液、尿液、汗水,皮肤,指甲,头发,牙齿,活检组织和器官,呼出的空气以及饮用水和食物。

分析大量的生物样品中的微量元素需要一个光谱仪技术具有超高灵敏度和空间分辨率很高。此外,非破坏性的能力,无真空和同时multielemental分析是必要的。今天,可以有一个MDC(最低检测浓度)10⁹(或ng g¹)和x射线µ-beams sub-µ-metre大小使用聚焦镜和针孔或毛细管技术。

元素浓度在血液和尿液很容易分析,例如,化学技术(原子吸收光谱法、原子吸收分光光度法、icp等)和原子/核技巧(PIXE光谱仪,粒子诱导x射线辐射等)。PIXE方法的一个缺点,与光谱仪相比,这个可能破坏样品由于很高的局部能量吸收。然而,随着条件满足,甚至µ-PIXE使用扫描质子微探针,可以用来检测大多数元素Z≥10与检测1 - 10的极限µg g¹。

全反射x射线荧光(TXRF)分析使我们能够进行定量分析的超微量元素使用微量的样品,¹⁶例如从活检获得。活检样本的微量元素分析是一个困难的分析质量问题由于小样本。TXRF分析在传统的光谱仪分析的优点包括极低的背景条件下,极少量(体积)所需的样本(几毫升)和multi-elemental分析技术。

少量的现有x射线荧光光谱仪TXRF非常小的样本的类型和用于分析(≈µL)和电流检测极限attogram (10^-18年g)。正常能量色散光谱仪使用更大的样本量,1 - 10 g,检出限是数量级较大(0.1 -10µg g¹)。

的辐射来源在体外光谱仪可能是放射性核素,x光管或一个加速器产生同步辐射(SR)。SR-XRF分析生物和医学样本将代表一个重要的步骤在理解生物系统中微量元素的作用。随着灵敏度和空间分辨率的提高,新的应用程序打开,可以看到从当前数量的同步加速器radiation-based研究源亮度和映射元素的微观分布的可能性是至关重要的功能。

x射线微光束技术可以结合组织学检查。¹⁷这种技术用于毒理学、环境暴露和工业卫生监测临床科学。今天甚至有集中micro-beams sub-micrometer大小,使测定元素分布在单个细胞。另一个应用程序的µ-beam光谱仪分析金属金属蛋白绑定。最近开发,凝胶电泳阐明蛋白质结构的变化和SR-XRF分析检测的金属蛋白质化学将成为一个方便的组合方法。

即使对于厚目标样本,一些作者声称,最近老设施40 - 100 keV单色x射线可能提供K-XRF分析更好的比一个普通的x射线管。然而,其他人发现光谱仪使用x光管仍然是最好的方式分析元素厚目标样本。在任何情况下,同步辐射设施非常有限的可用性。

一个广泛的回顾在体外技术和最新发展/应用程序被Szaloki呈现et al。¹⁸表2列出了一些例子,光谱仪,TXRF和SR-XRF用于样本的分析男人和他的环境。

表2。一些例子光谱仪,TXRF或SR-XRF已被用于分析样本的男人和他的环境。

为更多的细节在活的有机体内和在体外光谱仪在医学领域,读者被称为最近的一些审查论文(Borjesson和马特^14、15Chettle,^7日19)和最近一期的杂志x射线光谱法,37卷,1号(2008)。

引用

1. 路上,“色吸收放射显影术,dichromography”,Acta Radiol。39 (6),437 - 452 (1953)。https://doi.org/10.3109/00016925309136730
2. P.B.霍夫尔,琼斯。b, R.B.克劳福德r·贝克和A . Gottschalk以及“荧光甲状腺扫描:一种新的成像方法甲状腺”,放射学90年,342 - 344 (1968)。https://doi.org/10.1148/90.2.342
3. l . Ahlgren k .资金上,马特和s . Tejning“x射线荧光分析的人类骨骼中的铅在活的有机体内”,Scand。j .工作环境。健康2,82 - 86 (1976)。https://doi.org/10.5271/sjweh.2815
4. l . Ahlgren和s .马特”x射线荧光技术在活的有机体内决心在骨基质”,理论物理。地中海,杂志。24日,136 - 145 (1979)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/24/1/011
5. 剩下Somervaille,湄Chettle,贝拉斯科特。”在活的有机体内测量骨骼中的铅使用x射线荧光”,理论物理。地中海,杂志。30 (9),929 - 943 (1985)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/30/9/005
6. 交流托德,湄Chettle。”在活的有机体内在骨x射线荧光的铅:审查和当前的问题”。环绕。健康教谕。102 (2),172 - 177 (1994)。https://doi.org/10.1289/ehp.94102172
7. 湄Chettle“职业核医学:微量元素分析人类的主题”,j . Radioanal。诊断。化学。268 (3),653 - 661 (2006)。https://doi.org/10.1007/s10967 - 006 - 0206 - 6
8. J.-O。Christoffersson和s .马特”两极分化x射线在XRF-analysis改善在活的有机体内镉的检测能力的人”,理论物理。地中海,杂志。28日,1135 - 1144 (1983)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/28/10/005
9. j . Borjesson l . Barregard g . Sallsten a·舒兹r·琼森m . Alpsten, s·马特。”在活的有机体内水星光谱仪分析:肾和尿液中的浓度之间的关系”,理论物理。地中海,杂志。40岁,413 - 426 (1995)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/40/3/006
10. r·琼森马特和b . Unsgaard”的方法在活的有机体内分析铂与顺铂化疗后”,理论物理。地中海,杂志。33岁的847 - 857 (1988)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/33/7/008
11. h·聂,d . Chettle O ' meara罗和j . .“在活的有机体内一个新的调查^109年Cd伽马射线诱导K-XRF骨铅测量系统”,理论物理。地中海,杂志。51 (2),351 - 360 (2006)。https://doi.org/10.1088/0031-9155/51/2/011
12. m·汉森x射线荧光分析(光谱仪)甲状腺碘含量的测定。博士论文,辐射物理系,Goteborg大学卡大学医院,Goteborg,瑞典(2008)。
13. t . Gronberg s Sjoberg t . Almen k . Golman和s·马特无创性评估肾功能的x射线荧光分析。消除间隙率和尿路造影术造影剂注射的人”,投资。Radiol。18日,445 - 452 (1983)。https://doi.org/10.1097/00004424 - 198309000 - 00008
14. j . Borjesson和s·马特”,新的应用程序。在医学科学”,在x射线荧光分析x射线光谱法:最近的技术进步由k教授埃德·j·Injuk和r . Van Grieken。威利,第515 - 487页(2004)。https://doi.org/10.1002/0470020431.ch7
15. j . Borjesson, s·马特。”在活的有机体内x射线荧光测量的铅、镉和汞在职业和环境研究:回顾工作在瑞典进行的1970 - 2005”,x射线范围。37 (1),58 - 68 (2008)。https://doi.org/10.1002/xrs.995
16. p . Wobrauschek“全反射x射线荧光分析审查”,x射线范围。36 (5),289 - 300 (2007)。https://doi.org/10.1002/xrs.985
17. n . Zoeger c . Streli p . Wobrauschek c . Jokubonis g . Pepponi p . Roschger j . Hofstaetter a . Berzlanovich d . Wegrzynek e . Chinea-Cano a . Markowicz r·西蒙和g法”测定元素分布在人类SR微型光谱仪联合骨”,x射线范围。37 (1),3-11 (2008)。https://doi.org/10.1002/xrs.998
18. C.U. Ro I.I. Szaloki, S.B.托罗,j . Injuk右眼Van Grieken,“x射线光谱法”,肛交。化学。72 (12),211 - 233 r (2000)。https://doi.org/10.1021/a1000018h
19. d . Chettle“x射线光谱在医半岛综合体育官方APP下载德甲学”,x射线范围。37 (1),1 - 2 (2008)。https://doi.org/10.1002/xrs.1008