核分析技术-第六章 穆斯鲍尔效应分析

二、显像剂被脏器或组织聚集的机制：
1、合成代谢： 脏器和组织的正常合成功能需要某种元素或一定
化合物，若用该元素的放射性核素或放射性核素标记的 化合物引入体内，则可进行脏器和组织的体外显像。
甲状腺对碘有选择性吸收功能，利用放射性碘作示 踪剂，可显示甲状腺影像，判断其形态大小及结节的功 能状态。
11C标记的棕榈酸 (11C-PA)可被心肌摄取利用
第六章 放射性核素示踪技术与显像
引言
研究各种物质在生物体内的动态变化规律是医学研究的需要 用直接检测方法难以做到
原因：⑴物质浓度低，超出直接检测的灵敏度 ⑵动态变化，直接检测技术难以跟踪 ⑶无法采集信息
间接检测技术可以做到——包括示踪技术
第一节 放射性核素示踪技术
一、定义 是以放射性核素及其标记的化学分子作为示踪
患者口服131I
甲状腺吸碘功能测定仪
甲状腺吸碘功能测定结果
5．放射性核素显像技术
是根据放射性核素示踪原理，利用放射性核素 或其标记化合物在体内代谢分布的特殊规律，从 体外获得脏器和组织功能、结构影像的一种核技 术（见下图）。
放射性核素显像
向患者体内引入 特定示踪剂（或 显像剂）
核医学显像设备
体外示踪技术（in vitro)
有相同的化学及生物学性质。 如：用放射性131I来研究127I的生物学行为
2、可测性： 放射性核素发出各种不同射线，可被放射性探测仪所
测定或被感光材料所记录。 如：研究物质代谢3H、14C、32P
体外放射分析125I 脏器功能测定与显像131I、99mTc、111In、18F等
三、示踪技术的主要特点
剂，通过探测放射性核素在发生核衰变过程中发射 出来的射线，达到显示被标记的化学分子踪迹的目 的，用以研究被标记的化学分子在生物体系中的客 观存在及其变化规律的一类核医学技术。

穆斯堡尔谱分析实验实验目的：1、了解穆斯堡尔普分析原理2、了解辐射安全防护知识3、能够地定性说明谱线变化4、能够独立制作粉末样品实验原理：穆斯堡尔效应是一种无反冲的γ射线的共振吸收或共振散射效应。

当穆斯堡尔放射源在振子中获得多普勒速度补偿时，它就有可能和吸收体（样品）产生共振吸收。

在共振吸收时，探测器探测到的γ射线强度明显下降，从而可得到样品的共振吸收谱线。

如典型的α-Fe样品谱线共有六个峰，对应于不同的速度值，即不同的补偿能量值。

通用接口送出步进信号给函数产生器。

函数产生器将此序列脉冲分频，获得对称的方波信号，经积分后得到三角波信号，并作为基准信号被送入功率放大器。

同时，对应于三角波的谷点输出正同步信号给通用接口。

振动子处拾波线圈感应的信号也加入到功率放大器，功率放大器放大基准信号和感应信号的差值，将其送入到振动子的驱动线圈上。

在电磁力和弹性力共同作用下，使振动子的连杆系统往返运动。

由于放射源是装在连杆系统上，从而可获得多普勒速度补偿。

探测器探测到未被吸收体吸收的γ射线，经过光电转换后得到负脉冲信号，并经放大器放大后送入模数变换器，再通过高压，放大器和模数变换器的上、下阈调节，选择出对应于第一激发态能量的信号。

所选择的信号通过通用接口，在软件控制下送入到计算机内，显示谱曲线，并进行分析。

改变加到驱动线圈上的信号，从而改变放射源的运动速度，可得到不同速度的共振吸收谱。

普通穆斯堡尔系统的主要构成：典型的等加速穆斯堡尔谱仪由电磁震动器、波形发生器、负反馈放大器、伽玛射线探测和记录系统组成。

Fast mossbouer 系统的主要构成和原理示意图：•PC-based Mossbauer Systems IncludesPC 控制Mossbauer 测量系统包括•MA-250A Mossbauer Velocity Transducer 速度变换器•MR-351A Mossbauer Control/Function Generator控制功能发生器•MCA-3 Multichannel Data Processor/dual MCS MCDWIN Software 多通道数据处理软件•NHQ-103M HV3kV, up/down ramp 4mA, Digital Display, Volt/Current limit, RS232C高压电源•PAS-2 Prop. Counter Preamp/AMP/TSCA 正比计数前置放大•DS7030 200 Watts, 6 Voltages, OVP 电源•Opt-1 Sourceholder and Source Shield 放射源架及屏蔽体•Opt-3 Set of Cables-BNC/LEMO, BNC, MHV SHV,and BNC-,LEMO T-Conn.电缆接头•MB-100 Mossbauer Bench 100cm 支架•PC-MOSII Extended Mossbauer Analysis Program 谱分析软件•45431 Prop. Counter 1 at Kr 正比计数器• CM7070 8k ADC 100MHz, SCA Output for Moss. 模数转换器实验步骤介绍样品制备1）将Fe-C粉末与胶质混合后压延为薄片。

V (r ) =
V (r ) =
Ze r
Ze R r (3 （4）
(r ≤ R )
因此，有限体积原子核的静电能量为
E=
Zeρ R
∫
R
0
2 2 2π r R (3 2 − 2 R 2 − r ) 4πr dr = − 5 ZeρR =
2
2π 5
Ze 2 R 2 φ (0)
俘获一个 K 层电子时，形成处于高激发态的 57Fe，它分别有 9％和 91％的概率辐 射 137keV 和 123keV 的γ射线跃迁至第一激发态和基态。 当 57Fe 原子核由第一激发 态跃迁至基态时，辐射出穆斯堡尔实验所需的 14.4keV 的γ射线。119mSn 源是通过 中子辐照 118Sn 来获得的。 亚稳态的 119mSn 衰变到处于激发态的 119Sn， 然后跃迁到 基态发射出 23.875keV 的 γ 射线为穆斯堡尔实验所用。 为了观测到无反冲的γ射线 吸收现象，一般采用将穆斯堡尔源的放射性同位素扩散到固体晶格（基质材料） 中，对于
2
（5）
其中 Ze 为 核电荷， φ (0) 为核处的电子波函数， ρ 为电子密度。 原子核在激发态和基态时的半径不同， 因此原子核在激发态与基态之间的跃迁 中，由于静电相互作用所引起的γ射线能量改变为
∆E = δE e − δE g =
2π 5
2 Ze 2 φ (0) ( Re2 − R g )
2
γ 射线吸收强度随着温度降低而增强这一与当时共振吸收观点不一致的 “反常” 现
象。穆斯堡尔及时敏锐地抓住这个“反常”现象，以严谨的科学态度从实验上进 行了多次重复，证实了其实验结果的可靠性，最终认识到在他的实验中共振原子 核是置于紧束缚的晶格中，部分原子核在发射和吸收 γ 射线时，消除了反冲能量 的损失，实现了无反冲共振吸收。他在两年多的时间内从实验上和理论上对这一 “反常”现象进行了解释，攻下这个当时许多物理学家为之努力近三十年而未能 解决的难题。穆斯堡尔实验非常精确，具有非常高的能量灵敏度，利用它可方便 地研究共振核与周围环境的超精细相互作用，为研究物质的微观结构提供了十分 重要的信息，而且对设备的要求相对简单，可以在一般大学实验室中进行。因此， 在很短时间内，这个效应便得到公认，并付诸于应用。由于穆斯堡尔本人在这方 面做出的杰出贡献， γ 射线无反冲共振发射和吸收现象被命名为穆斯堡尔效应， 并 于 1961 年被授予诺贝尔物理学奖。利用穆斯堡尔效应研究物质微观结构已经发展 成为一门独立的学科穆斯堡尔谱学，它是迄今为止能量分辨本领最高的物理研 究手段。经过四十多年的发展，穆斯堡尔谱学已在物理学、化学、生物学、地质 学、冶金学、材料科学、环境科学以及考古学等科学的领域中得到了广泛的应用。 3.11.18.1 穆斯堡尔效应无反冲 γ 射线共振发射和吸收 共振吸收是自然界存在的一种普遍现象。在 1929 年后的二十多年的时间内， 不断有人试图通过实验来观测 γ 射线共振吸收现象，但是都没有成功，其原因是 由于他们没有考虑和解决自由原子核在发射 γ 射线时存在反冲作用所产生的影 响。 自由的激发态原子核在发射γ射线时将发生反冲,其反冲能量 E R 为 ER ≅

a)O—八面体晶位 b)T—四面体晶位
(二)研究淬火钢的回火
图6-13 碳钢淬火不同温度 回火后的穆斯堡尔谱
a)淬火态 b)140℃回火1h c)220℃回火1h d)340℃回火1h A，B，C，D和E分别表示α、α′、γ、χ
和θ相穆斯堡尔谱线的位置
(三)研究低温马氏体和碳的晶位
图6-14 =6% =1.8%的钢低温淬火
(三)磁位移
铁磁金属具有很强的内场(超精细场)，因此，相 对顺磁状态来说，它们的共振频率将移动相应的 数量，如图6-18c所示。内场和核外结构状态有 关，不同的结构有不同的内场，共振频率也不同， 由此可能产生具有精细结构的NMR谱。如图6-18 d所示。
四、在金属材料研究中的应用
(一)测量超精细场 (二)研究局域环境和有序结构 (三)沉淀现象的研究 (四)缺陷的研究
四、穆斯堡尔谱学在研究金属中的应用
(一)碳钢淬火组织的研究 (二)研究淬火钢的回火 (三)研究低温马氏体和碳的晶位 (四)研究固溶体分解
四、穆斯堡尔谱学在研究金属中的应用
图6-11 碳钢淬火态的穆斯堡尔谱 A，B和C分别表示α′，α和γ相谱线的位置
(一)碳钢淬火组织的研究
图6-12 体心立方和面心立方 点阵中碳原子的间隙位置
(一)测量原理 (二)测量条件
二、穆斯堡尔效应的测量
(一)测量原理
图6-6 透射谱仪测量原理示意图 1—放射源 2—试样 3—γ射线探测器
(一)测量原理
图6-7 多普勒速度谱示意图
(二)测量条件
对放射源的主要要求是发出没有能级分裂的γ射线，有高的无反冲分数。
三、超精细相互作用及穆斯堡尔参量
(一)同质异能移位 (二)四极分裂 (三)磁超精细场