Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Biochemie

F. Lvx: Anwendung der AktivierungsanMyse in der Biochemie 107

an Phosphor , Ka l ium, N a t r i u m , Calcium und Eisen bes t immt . I m M1- gemeinen bl ieben die K o n z e n t r a t i o n e n dieser E lemen te zwischen 5-10 -4 u n d 5 .10 -2 g/nl. Das heiBt, dab der s ta t i s t i sche Feh le r die Grenze der Methode da r s t e l l t : bei diesen E x p e r i m e n t e n bl ieb 2 ~ immer kleiner als 5~ und dies is t noch besser als die I~eproduzierbarke i t der P ipe t t en . Es wurden l ineare E i ehku rven erhMten.

Zusammenfassung Einige biologische Anwendungen des E lek t ronens t r ah l -MikroanMysa to r s werden beschr ieben und kurze Hinweise auf die A p p a r a t u r gegeben. I m einzelnen wi rd die F l u o r b e s t i m m u n g in Z/ihnen, die B e s t i m m u n g f remder Teilehen in Lungengewebe und die Ana lyse ge t rockne tc r L6sun- gen erw/thnt.

Literatur 1. CASTAING, R. : Th6ses 1951, Publication ONEt~A No. 52. 2. WEI~Y~, E. : Mikroehim. Aeta 11167, Suppl. II , 173--187. 3. -- Thbses 1965, Facult6 des Sciences de Paris.

Dr. E. W~I~YB Applied Research Laboratories F-78 LeMesnil St. Denis (Frankreieh)

Isotopenverf ahren

Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Biochemie

FRA~z L v x

Institut fiir Radiochemie der Technisehen Hochschule Miinchen

Eingegangen am 3. September 1968

Application o] Activation Analysis in Biochemistry. The first part comprises a short introduction to the basic principles of activation analysis. The second part is a survey of activation analysis in life sciences. The special techniques needed for analys- ing biological material are outlined and using selected examples it is shown how various problems have been solved with ~ctiva$ion ~nMysis. The problems were classified as follows : determination of the main constituents (light elements C, N, 0 ; other elements); derivative activation analysis; stable tracers, isotopic analysis; determination of trace elements; activation analysis in rive.

108 F. Lvx:

Die Anwendung der Radioaktivits ist in der Biochemie weir verbreitet. Dabei handelt es sich vorwiegend urn die Ma'rl~ieruny mit radioaktiven Isotopen. Wenn man die M6glichkeiten der Anwendung yon sogenannten radioaktiven Indicatoren demonstrieren will, sind die entslorechenden biochemischen Anwendungen ja geradezu ein Schulbeisloiel. Die Anwendung der Aktivierungsanalyse auf biochemische Probleme ist dagegen erst in der Entwicklung, hat aber in den letzten Jahren bemerkens- werte Fortschritte gemacht. Die sicher ffir viele biochemische Probleme sehr nutzbringende weitere Ausdehnung dieses Anwendungsbereiches der Aktivierungsanalyse erfordert eine Zusammenarbeit yon Biochemikern und l%adiochemikern. Dabei ist es wichtig, dab die Biochemiker aus- reiehende Vorste]lungen yon den MSglichkeiten der Aktivierungsanalyse haben. Es soil daher in dem naehfolgenden Beitrag sowoh] ein Uberblick fiber die Grundlagen der Aktivierungsanalyse wie fiber die bisherigen Anwendun- gen der Methode auf biochemische Fragestellnngen gegeben werden.

1. Grundlagen der Aktivierungsanalyse Das Prinzip der Aktivierungsanalyse ist folgendes:

X Kernreaktion ~ * X ~

Mit dem zu bestimmenden Element X wird eine Kernreaktion durchgefiihrt. Ein Tell seiner Atomkerne wird in eine andere Atomart umge- wandelt, die radioaktiv is~. Dureh Messung yon Art und In~ensit/~ der yon dieser radioaktiven Atomart ausgesandten radioaktiven Strahlung l/~Bt sieh dann feststellen, welches Element das X und wieviel davon in der Probe vorhanden war. Man kann demnach eine qualitative und quantitative Analyse durehffihren. Die Methode beruht also darauf, dab der zu bestimmende Stoff ktinstlich radioaktiv gemacht wird. Man nennt diesen Vorgang Ak~ivierung und daher die Analysenmethode Aktivie- rungsanalyse : Analyse durch Aktivierung des zu bestimmendcn Stoffes. Die Grundlagen der Methode werden im folgenden kurz beschrieben. Ffir eine ausfiihrlichere Information gibt es mehrere B/ieher und eingehende VerSffentliehungen [20, 21, 39, 43, 47, 56, 76, 85].

1.1. Kernreaktionen

Wie eben erw/ihnt, ist der wesentlichste Schritt einer Aktivierungs- analyse die Durchffihrung yon Kernreaktionen mit den zu bestimmenden Stoffen. Zur Durchffihrung einer Kernreaktion wird das Ausgangs- material, in diesem Falle die Analysenprobe, als ,,Target" mit dcm Reaktionspartner ,,bestrahlt". Reaktionspartner sind Kernbausteine (Neutronen n, Protonen p), andere Kerne (2H-Kerne oder Deuteronen d,

Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Biochemie 109

3H-Kerne oder Tritonen t, 3He-Kerne, 4He-Kerne oder Alpha-Teilehen ~, sehwerere Kerne) oder Gamma-Quanten (Kernphotoeffekt). Die ffir die Aktivierungsanalyse wichtigsten Kernreaktionen sind in Tab. 1 zusammengestellt und eharakterisiert. Neben der nach wie vor dominierenden (n,y)-Aktivierung gewinnen Aktivierungen fiber (n, p)- und (n, 2n)-Reaktionen mit Hiffe yon sehnellen Neutronen [67] zunehmende Bedeutung und zwar aus zwei Grfinden:

1. Sehnelle Neutronen (vgl. Tub. 2) lassen sieh in relativ kleinen Beschleu- nigern mit guter Flugdiehte erzeugen. Solehe Beschleuniger kosten nieht mehr als andere Grogger/ite wie z.B. R6ntgenfluorescenzspektrometer, Massenspektrometer o./~. Damit kSnnen Aktivierungsanalysen unab- h/ingig yon l~eaktoren an jeder interessierenden Stelle durehgeffihrt werden.

2. Mit (n, p)- und (n, 2n)-Reaktionen kSnnen die leiehten Elemente, z.B. Kohlenstoff, Stiekstoff, Sauerstoff, aktivierungsanalytiseh erfaBt werden (vgl. Tab. 2). (y,n)-Aktivierungen und Aktivierungen mit geladenen Teilchen werden zun/~ehst auf Sonderf~lle besehr~nkt bleiben, da die erforderliehen Bestrahlungseinrichtungen nieht in gleiehem MaBe wie z.B. Kern- reaktoren allgemein zug/~nglich sind.

1.2. Bestimmung der gebildeten Radionu]dide

Die Messung [62] der gebildeten l~adionuklide erfolgt bevorzugt dureh Gamma-Messung [27]. Nur in einigen Sonderf/~llen sind die gebfldeten gadionuklide reine Beta-Strahler, w/~hrend in der l~egel bei ihrem Zer- fall aueh Gamma-Strahlung ausgesandt ws Die Gamma-Messung hat zwei wiehtige Vorzfige: Es gibt praktisch keine Se]bstabsorptions- probleme und man kann spektrometrieren. In Abb. 1 ist am Beispiel des Zerfallsschemas des 6~ gezeigt, wie der Zerfall eines Beta-Strahlers im allgemeinen abl/~uft. Das 6~ geht unter Aussendung eines Beta-Teilchens ins 6~ allerdings in einen angeregten Zustand des 6~ fiber. Dieser angeregte Zustand wande]t sieh dann unter Aussendung yon 2 Gamma-Quanten in den Grundzustand urn. Jedes Nuklid hat ein eigenes, eharakteristisehes Zerfallssehema. Die Aus- sendung diskreter, ffir jedes Nuklid eharakteristischer Gamma-Quanten macht eine Gamma-Spektrometrie mSglieh. Abb.2 zeigt das bei der Messung mit einem NaJ(T1)-Detektor resultie- rende Gamma-Spektrum des 6~ Mit Hilfe der Gamma-Spektrometrie kSnnen mehrere in der Probe nebeneinander vorliegende Radionuklide rein meggeehniseh bestimmt werden. Die rein gamma-spektrometrisehe Bestimmung der einzelnen Komponen- ten wird natfirlieh dureh die m6gliehe ~berlappung und 1)berlagerung

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Tabelle 2. A ]ctivierung mit schnellen N eutronen [83]

Erzeugung schneller Neutronen in Beschleunigern:

3tt(d,n)4He; En = 14,7 • 0 ,3MeV; als Tritium- Target dient Ti tant r i t id

Aktivierung yon leichten Elementen mi t schnellen Neutronen:

12C(n,2n)nc; 11C: •+; t1& = 20,3 rain 14N(n,2n)13N; 13N: fi+; tl& ~ 10,0 min 160(n,p)1SN; lSN:/~-, y; tl/~ = 7,4 sec

60C0 (5,270)

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Abb. 1. Zerfallssehem~ yon 6~

2,50 MeV

1,33 MeY

Zdh~ate 17MeV

33MeV

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Abb. 2. Gammaspekt rum yon 6~ 3" • 3,5" NaJ(T1)-Bohdochkristall

Detektor:

112 F. Lvx:

yon Gamma-Linien begrenzt. (Vgl. Absehn. 1.5.) Eine weitere Behinde- rung tri t t auf, wenn ein in sehr geringer Aktivit/~t vorliegendes Nuklid mit einer Gamma-Strahlung niedriger Energie neben einem in groBer Aktivit~t vorliegenden Nuklid mit einer Gamma-Strahlung hoher Ener- gie bestimmt werden soll. Die niederenergetisehe Gamma-Linie geringer Intensit/~t geht dann im Compton-Untergrund der intensiven hoeh- energetisehen Strahlung unter. Dieses Problem tri t t besonders bei der Aktivierungsanalyse yon biologischem Material auf. (Vgl. Absehn. 2.3.)

Die Sehwierigkeiten in allen diesen F~llen kann man beseitigen, wenn man naeh Zusatz yon Tr/iger eine radioehemisehe Trennung durehfiihrt. Dabei ist keine vollstgndige Trennung, sondern nut eine Trennung in Gruppen yon solehen l~adionukliden erforderlieh, die sigh bei der ansehlieBenden gamma-spektrometrisehen Messung gegenseitig nieht mehr st6ren.

1.3. Allgemeines Schema einer Aktivierungsanalyse Das allgemeine Verfahrenssehema einer Aktivierungsanalyse zeigt Abb. 3. Gebr/~uchliehe Verpackungsarten sind: F/Jr kurze Bestrahlungszeiten Einsehwefl3en in Poly/tthylen, fiir lange Bestrahlungszeiten Einsehmelzen in Quarzampullen oder EinsehweiBen in Alumininm-Kapseln.

Vorp okoogvooProb t I I und bekannter Mengen der I . . . . ! zu bestimmenden [-[ ~es~ranmng [ ElementealsStandards II I

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I Tr/~gerzusatz radiochemische Trennung

Abb. 3. Verfahrenssehema einer Aktivierungsanalyse

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Messung [ yon Probe und Standard

Zur Vereinfaehung der Meg- nnd Trennprobleme k6nnen oft die unter- schiedliehen I-Ialbwertszeiten der gebildeten Bezugsnuklide mit heran- gezogen werden. Man kann kurzlebige Aktivit~ten abfallen lassen und nur die verbleibenden lang]ebigen messen und damit noeh die Tatsache kombinieren, dab zur Bildung einer kurzlebigen Aktivit~t nur eine kurze Bestrahlungszeit notwendig ist, w/~hrend man unter sonst gleichen Bedingungen zur Bildung einer langlebigen Aktivit/~t lange bestrah]en muB. Von insgesamt 9 zu bestimmenden Spurenbestandteflen im Blei- weig yon Gem/ilden werden z.B. 4 in einer Kurzzeitbestrahlungsprobe und 5 in einer Langzeitbestrahlungsprobe erfagt, wodurch sich eine erhebliehe Vereinfaehung des Trennungsganges ergibt [53, 5~] (Tab. 3).


1.4. St6rungen bei der Bildung der RadionukIide

Ein spezielles Problem, auf das bei jeder Aktivierungsanalyse geachtet werden muir, sind St5rungen bei der Bildung der Radionuklide. Neben der yon Fall zu Fall sehr untersehiedlichen Selbstabsorption der Probe gegeniiber der aktivierenden Strah]ung spielt folgende Tatsaehe eine Rolle : Das Bezugsnuklid kann sieh auBer in der beabsichtigten Weise aus

dem zu bestimmenden Element auch Tabelle 3. Verein/achung der Me/3- und Trennprobleme dutch Teilung der Ana- lysenprobe in eine Kurzzeitbestrahlungs- probe und in eine Langzeitbestrahlungs- probe. Beispiel: Aktivierungsanalyse yon Bleiweifl aus Gemdilden [53,54]

Bleiweigprobe //\\

4 h Bestrahlung 500 h (20 d) Bestrahlung

56Mn; 2,58 h 51Cr; 27,8 d 6~Cu; 12,8 h 11~ 253 d l~gBa; 85rain n3Sn; 118 d 19SAu; 2,7 d 124Sb; 60 d

2~ 47 d

durch Nebenreaktionen aus einem anderen Element bilden. Anf diesen Fragenkomplex kann hier nicht n/~her eingegangen werden. Die LSsung dieser Probleme maeht oft den speziellen kernchemischen Reiz einer Aktivierungsanalyse aus [49--52, 55].

1.5. Besonderheiten der Aktivierungs- analyse

1. Vor allem die geschilderten MSg]ichkeiten der Gamma-Spektro- metrie (in Sonderfgllen auch andere

MeBteehniken) erlauben die rein instrumentelle, also zerstSrungsjreie Durchfiihrung yon Analysen [57]. Diese MSgliehkeit hat in den letzten Jahren mit der Entwicklung yon Halbleiterdetektoren ffir die Gamma-Spektrometrie sehr stark zugenommen [40,48, 60, 62]. Das Aufl6sungsvermSgen dieser mit Lithium gedrifteten Germa- nium-Detektoren ist um das 10- bis 20lathe besser als das Auf- 16sungsvermSgen der bisher vorwiegend verwendeten NaJ(T1)-Szintilla- tions-Krista]le (vgl. Abb.4). Diese Entwieklung der Ge(Li)-Detektoren ist wohl die ffir die Praxis der Aktivierungsanalyse wichtigste Entwick- lung der ]etzten Zeit. Ein Nachteil der Halbleiterdetektoren ist bisher lediglieh noeh ihre gegenfiber NaJ(T1)-Kristallen erheblich geringere Mel~effektivitgt.

2. Mit Hilfe der Aktivierungsanalyse lassen sieh yon den meisten Elemen- ten erheblieh geringere Mengen als mit anderen Analysenmethoden bestimmen. Die Naehweisgrenzen liegen sehr oft bei 10 -1~ bis 10 -11 g. In besonders gfinstigen F/s kSnnen noch 10 -16 g erfaBt werden (z. B. Europium bei Bestrahlung in einem HochfluBreaktor). Noch wiehtiger als das tiefe Niveau der Absolutwerte der Nachweisgrenzen ist ffir die Praxis die Tatsache, dab es bei der Aktivierungsanalyse fast kein Blindwertproblem gibt. Beim entscheidenden Schritt, bei der Kernreaktion, werden als Reagentien keine Chemikalien verwendet, die Verunreinigungen enthal-

8 Z. Anal. Chem., Bd. 243

114 F. Lvx:

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Abb. 4. Gamma-Spektrometrie mit Ge(Li)-Detektoren. Vergleich yon Gamma- Spektren derselben Probe bei Aufnahme mit einem Ge(Li)- bzw. einem NaJ(T1)- Detektor [54a]. Probe: neutronenbestrahltes SiliconS1

ten k5nnen, sondern die Re~gentien sind Neutronen, G~mm~-Quanten usw. Verunreinigungen kSnnen hSchstens bei der Vorbereitung zur Bestrahlung und v o n d e r Oberfl~ehe des Bestrahlungsbeh~lters in die Probe gelangen. 3. Mit der Aktivierungsanalyse kSnnen nur Elemente bestimmt werden. Man erh~lt keine Auskunft fiber den chemisehen Zustand, in dem die Elemente vorliegen. 4. Re~ktionspartner sind bei Kernre~ktionen die einzelnen Nu/~lide. Bei Elementen, die aus Isotopengemischen bestehen, erfolgt demnach mit


]edem der Isotope eine eigene, spezifische Kernreaktion. Man kann also mit Hilfe der Aktivierungsanalyse Isotopenanalysen durchffihren.

2. Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Biochemie

2.1, Allgemeine Ge~iehtspunlcte

Bei der eigentlichen Schilderung der Anwendungen erscheint es yore Aktivierungsanalytiker aus gesehen zwecknls yon einer Anwendung auf die Analyse yon biologisehem Material zu sprechen, da die Analyse biologischcn Materials im Vergleich zur Analyse anderer Stoffe besondere methodische Schritte erfordert, unabh/~ngig davon, ob eine biochemische oder eventuell eine Frage der forensischen Chemic gel6st werden soil. Zur Charakterisierung des Anwendungsgebietes yon den Fragestellungen her spricht man im Angels~chsischen yon der Anwendung in ,,Life Sciences".

Tabelle 4. Haupt- und Spurenbestandteile im menschlichen K6rper [44, 47], Mengen in Gramm im 70 kff-Standardmensch

Hauptbestandteile Spurenbestandteile

0 45 500 C 12600 H 7000 N 2100 Ca 1050 P 700 K 245 S 175 Na 105 C1 105 ~[g 35 Fe 4

96 ~ praktisch keine l~eaktion mit niederenergetisehen :Neutronen

Mit Funktion im Stoffwechsel Zn 1,9 Cu 0,2 J 0,03 Mn 0,02 Mo 0,015 Co 0,003 Se ?

Funktion im Stoffwechse] vermute~: F, Si, V, Cr, Ni, Rb, Cd

Funktion im Stoffwechsel bisher nichb bekannt: Li, B, A1, Sc, Ti, Ga, As, Br, Sr, Ag, In, Sn, Sb, Cs, Ba, Le, Ce, Hf, Os, Pt, Au, Hg, Pb, U

In Tab.4 sind die Gehalte der einzelnen Elemente in biologischem Materia ! zusammengestellt. Daraus ergeben sich bereits die Bedingungen ffir die Aktivierungsanalyse yon biologischem Material:

Die Hauptbestandteile kSnnen nur mit (n, p)-, (n, 2 n)-, (y, n)-geakt ionen oder l~eaktionen mit geladenen Teilehen erfal]t werden, da bei ihnen eine (n,y)-Aktivierung durch niederenergetische Neutronen praktisch nieht erfolgt.

8*

116 F. Lux:

Ffir die iiberwiegende Zahl der anderen Bestandteile ist die (n,~)-Akti- vierung aus zwei Grfinden sehr gut geeignet:

1. die allermeisten dieser Elemente lassen sieh durch (n,y)-lZeaktionen sehr gut aktivieren.

2. die mengenmii/3ig wesentlichen Hauptbestandteile reagieren, wie gerade erw~hnt, nahezu nicht mat niederenergetisehen IXTeutronen. Dadurch treten keine Selbstabsorptionseffekte auf und die Gesamtaktivit/~t der Probe wird nieht zu hoeh.

Biologisches Material ist also insgesamt ftir die Aktivierungsanalyse mit thermisehen bzw. niederenergetischen Neutronen eine fast ideale Matrix. I m folgenden wird der derzeitige Stand der Aktivierungsanalyse yon biologischem Material skizziert. Die zur Erl~uterung erw/s Beispiele wurden als eharakteristiseh angesehen. Ihre Auswahl mul3te sehr knapp gehalten werden. Fiir vollst/~ndige Literatur-Zusammenfassungen wird auf entsprechende LTbersiehtsreferate [15, 57, 33,19, 80, 86, 46, 41,23] und den laufenden Referatendienst der Zentralstelle ffir Atomkernenergie- Dokumentat ion (ZAED) [1] verwiesen 1.

2.2. Bestimmung der leichten Hauptbestandteile

Wie erw~hnt, ist fiir die Bestimmung der mengenm~13ig dominierenden leichten Hauptbestandtei le die Aktivierung mit schnellen Neutronen, mit Gamma-Strahlung oder dureh geladene Teilehen notwendig. Zur Zeit ist diese AnwendungsmSglichkeit noch im Stadium der Modellunter- suehungen und Testanalysen. Dutch Aktivierung mit 14 MeV-Neutronen wurden z.B. Stiekstoff, Sauerstoff sowie Phosphor und Schwefel in Glyein, Cystin und Casein instrumentell best immt [26]. Die Ergebnisse st immen mit den chemisehen Analysen iiberein. Das Verfahren lieBe sich bei Bedarf automatisieren. Die Autoren weisen darauf hin, da~ nach der Bestrahlung keine mef3baren Strahlenzersetzungen, auch nieht an den Sehwefel-SchwefeI-Bindungen im Cystin, festzustel]en waren und dem- naeh die Substanz nach der instrumentellen, zerstSrungsfreien Bestim- mung der Hauptbestandtei le ftir weitere biologische Tests zur Verffigung stehe.

1 Die ~bersiehtsreferate in ,,Nuclear Activation Techniques in the Life Sciences. Wien: I.A.E.A. 1957 (Proceedings of the Symposium on Nuclear Activation Techni- ques in the Life Sciences held by the International Atomic Energy Agency in Amsterdam, 8--12 May 1967)" behandeln folgende Themen: W. S. LYo~I: Physical techniques of activation analysis [57]. F. GIRARDI: Radiochemical scperations in activation analysis of biological specimens [33]. H.J .M. Bow~r Activation analysis in botany and agriculture [19]. N. SPl~OCCX: Nuclear activation in the animal seienc,s [80]. D. M. TA:~LOR: Activation analysis in human biochemistry [86]. J. M. A. LnI~II~N u. H. S~ITg: Activation analysis and public health [46]. R. E. JEI~VIS: Activation analysis in forensic science [41].


2.3. Bes t immung der schwereren Hauptbestandteile

Die Gruppe der sehwereren Hauptbestandteile (vgl.Tab. 5) ist fiberwiegend dureh (n,y)-Aktivierung sehr gut zu erfassen. ~4Na, 3sC1, 42K und 3ap bilden nach der Neutronenbestrahlung die Itauptaktiviti i ten in bio- ]ogischem Material. Das Aktiviti~tsniveau dieser I tauptaktivit~ten liegt welt fiber dem der anderen gebildeten Aktivits Am weitaus st~rksten ist die 24Na-Aktiviti~t. Schwefel wird aus mel~technischen Grfinden besser durch Aktivierung mit sehnellen Neutronen bestimmt [58].

Tabelle 5. Bestimmung der echwereren Hauptbestandteile. Hauptaktivitgte~ nach der Bestrahlung von biologischem Material mit niederenergetischen Neutronen

Element durch (n,y)-Reaktion gebildetes Radionuklid; Zerfallsdaten

Na 24Na; 15,4 h; y: 1,37; 2,75 MeV C1 3sCl; 37,3 min; y: 1,60; 2,16 MeV K ~2:K; 12,5 h; y: 1,52 MeV p ~2p; 14,3 d; fi-: 1,71 ~eV; kein y

Aktivierung mit schnellen Neutronen : 32S(n,p)~2P; 14,3 d; fl-: 1,71 MeV [35S aus der (n,y)-Aktivierung hat fl- yon nur 0,167 MeV].

Die Bestimmung dieser schwereren Hauptbestandteile ]~13t sich rein instrumentell durchffihren. Es werden automatische Aktivierungs- analyse-Anlagen besehrieben, mit denen 4000 solehe Analysen pro Tag durchgeffihrt werden kSnnen [88]. Gegebenenfalls ist eine chemische Abtrennung der starken 24Na-Aktiviti~t zweckmal3ig [13, 36, 61, 70, 79]. Die Gamma-Energien der verschiedenen Nuklide liegen zwar genfigend weir auseinander. Leider ist aber gerade die Gamma-Strahlung des dominierenden 2aNa sehr hochenergetisch, so dab yon dem intensiven Compton-Kontinuum die Messung der niederenergetischen Linien der anderen gebildeten Radionuklide beeintr~ehtigt wird. Die grol3e Empfindlichkeit der Aktivierungsanalyse kann bei der Bestim- mung der Hauptbestandteile zur Analyse so extrem kleiner Proben- mengen ausgenutzt werden, wie es mit anderen Methoden bei weitem nieht mSglich ist. Als Beispiel werden oft Natrium- und Kalium-Bestim- mungen in 1 ~l Blur zitiert [68]. Im fo]genden sind einige Anwendungsbeispiele ffir die aktivierungsanalytische Bestimmung der sehwereren Hauptbestandteile zusammengestellt : Natrium- und Kalium-Bestimmung in einzelnen Nervenfasern [42]; Natrium-, Kalium-, Phosphor-Bestimmung in bioptisch gewonnenem Material aus Muskeln [11, 28, 69] ;

118 F. Lux:

Natrium- und Kalium-Bestimmung in 1 --10 ~l Blur [68] ; Natrium- und Kalium-Bestimmung in der Innenohr-Flfissigkeit [65] ; Natrium-Bestimmung in 0 ,2- -44mg Fingern~geln; bei Kindern mit eystischer Fibrose ist der ~qatriumgehalt zwei bis viermal grSBer als bei gesunden Kindern [3, 8] ; Basenverh~Itnis in Nucleins/iuren dureh Elektrophorese und Phosphor- Aktivierung; erforderliche Substanzmenge 1/10 der Menge ffir optisehe Bestimmung [30]. Zur Bestimmung der Hauptbestandteile dureh (n,y)-Aktivierung gehSrt aueh die quantitative Bestimmung von Verbindungen, die ein mit niederenergetisehen Neutronen aktivierbares Atom enthalten. Die Aktivierungs- analyse ist zwar, wie erwi~hnt, eine Elementanalyse. Die Verbindungs- bestimmung kann jedoch durch Kombination yon z.B. zuerst dureh- geffihrter Chromatographie oder Elektrophorese und ansehlieBender Aktivierung der versehiedenen Fraktionen vorgenommen werden. Ein Beispiel ist die Bestimmung der Schilddr~isenhormone, die das gut akti- vierbare Jod enthalten. Dijodtyrosin, Tyroxin und Trijodthyronin im Serum konnten bis zu Mengen yon etwa 10 -9 g bestimmt werden [81].

2.4. A]ctivierungsanalyse nach Derivatbildung

Die meisten der biologiseh wichtigen Verbindungen enthalten natfirlieh keine dutch (n,y)-Reaktion aktivierbaren Atome. In vielen Fs kann man jedoch die Verbindung in ein Derivat iiberffihren, das ein aktivierbares Atom enthi~lt. Aus Aminos~uren warden z.B. die entspreehenden p-Brombenzo]sulfonamide gebildet. Da Brom sehr gut aktiviert wird, ]assen sieh nun wieder wie bei dem am Schlu~ des vorstehenden Abschn. 2.3 geschilderten Beispiel durch Kombination yon Chromatographie und ansehlieBender Neutronenbestrahlung die bromhaltigen Derivate und damit die einzelnen Aminos~uren bestimmen. Ebenso wurden Carbon- s~uren, Ketosiiuren und Zucker bestimmt [82].

2.5. Inaktive Markierung, Isotopenanalyse

Wenn eine Verwendung yon radioaktiven Indicatoren mSglichst ver- mieden werden soll, z.B. bei Stoffweehseluntersuchungen yon Kindern [12] oder schwangeren Frauen, kann man Pr/~parate verwenden, in denen ein sehr gut aktivierbares stabiles Isotop des interessierenden Elementes angereichert ist. Beispiele fiir solehe gut aktivierbaren Leit- isotope sind 48Ca, 5SFe, 129j [15, 37, 86]. In den Blutproben l~l~t sieh dana aktivierungsanalytisch das ,,inaktiv markierte" interessierende Element ebenso gut bestimmen wie im Falle einer radioaktiven ~arkierung. Mit der inaktiven ~arkierung verwandt ist die aus mel3technisehen Griinden manchmal vorteilhafte niehtisotope Markierung mit einem

Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Bioehemie 119

chemisch sehr/~hnhehen Element. So wird Selen zweekm/~gigerweise als Indicator fiir Sehwefel verwendet, um ein gamma-strahlendes Nuklid zu erhalten [15, 86]. Auch in den Fgllen, in denen wegen des Fehlens geeigneter l~adionuklide eine Markierung mit stabilen Isotopen vorgenommen werden mug, kann start der Massenspektrometrie eine aktivierungsanalytische Isotopen- analyse durchgefiihrt werden. 190-Bestimmungen kSnnen mit Hilfe der bei der Bestrahlung im l~eaktor entstehenden Rfickstol3protonen durchgefiihrt werden [5,7]. Deuterium kann man durch Bestrahlung mit Gamma-Strahlung bestimmen; es werden die bei der (y,n)-Reaktion 2It(y, n)lI-I entstehenden Neutronen gemessen [38, 64].

2.6. Spurenbestimmungen

2.6.1. Methodisches. Die bereits bei den Mlgemeinen Ausfiihrungen er- w/~hnte hohe Naehweisempfindlichkeit und das Fehlen des Blindwert- problems geben der Aktivierungsanalyse ffir Spurenbestimmungen eine dominierende Stellung. Damit ist die Methode nattirhch aueh fiir die Analyse der Vielzahl yon Spurenelementen im biologischen Material pr~destinier~. Als Beispiel ffir die geringen Gehalte an m~nchen biologisch wichtigen Spurenelementen sei daran erinnert, dag im Serum Mangan [25] und Kobalt [66] nur jewefls zu etwa 10 -9 g pro 1 g Serum enthalten sind. Ftir die Analysentechnik gibt es zwei Gesichtspunkte: Bestimmung nur eines Elementes oder einiger weniger Elemente bzw. Bestimmung m5g- lichst aller Spurenbestandteile. Ein gemeins~mes Problem ffir beide F/~lle ist das bereits erw~hnte starke Dominieren der Aktivit~tten der schwereren Hauptbestandteile (Abschn. 2.3). Die Bestimmung einzelner Spurenbestandteile erfolgt naeh den fibhehen Prinzipien der AktivierungsanMyse. Es gibt eine Reihe yon Angaben sowohl ffir chemisehe Abtrennungen wie ffir instrnmentelle Durehftih- rung [1,15,16, 23, 33, 57, 74a]. Auger der gezielten Bestimmung einzelner Spurenbestandteile ist die Bestimmung mSglichst aller Spurenbestandtefle in biologischem Material yon grogem Interesse, um bisher noch gar nieht bekannte Zusammenh~nge zwischen bioehemischen oder biologischen Vorg~ngen und dem Gehalt irgendwelcher Spurenbest~ndteile erkennen zu k5nnen bzw. um Ver- ~nderungen in den Gehalten vieler Spurenbest~ndteile in einer Probe erfassen zu k6nnen. Die Bestimmung so vieler Bestandteile ist ftir die Technik der Akti- vierungsanalyse ein Sonderproblem. Wie erw~hn~, ist die Gamma-Spek- trometrie mit NaJ-Detektoren beimVorhegen so zahlreicher Komponenten fiberfordert. Eine ehemische Trennung etwa des hMben Periodensystems mit dem Ziel, jede8 in der Probe gebildete Radionukhd auch zu messen,

120 F. Lvx:

erfordert natiirlich andere Arbeitsweisen als die oft sehr einfach durch- zuffihrende Isolierung einzelner Radionuklide selbst aus einem gro]3en Aktiviti~tsgemisch. Die Trennung mul3 ja au~erdem noch mit einem vertretb~ren Zeit- und Arbeitsaufwand durchgeffihrt werden kSnnen. Es wurden Ionenaustauscher-Verfahren ausgearbeitet, mit denen mehr als 40 Elemente getrennt werden kSnnen [71--73,75]. Ffir Multielement- Aktivierungsanalysen werden auch Kombinationen yon F~llungen und Extraktionen [53, 87], zum Teil noch kombiniert mit Destillationen [31] angegeben. Auch eine Automatisierung solcher radiochemischer Viel- komponenten-Trennungen, und zwar ~uf der Grundlage von Ionen~us- tauscher-Trennungen, wird beschrieben [34, 35, 74].

Tabelle 6.A lctivierungsanalyse von biologisehem Material ohne chemische Trennung [ 2~ ]

(n, y)-A lctivierung : :M:essung sofor~ nach der Bestrahlung: K, Cu, Mn Messung 10--12 d nach Bestrahlung (2~Na abgefallen): Sn, Hg, Cr, Cd, Au, Sb, Br, Ag, l~b, Fe, Zn, Co

(y,n)-A]ctivierung (keine Bildung yon 24Na): Messung sofort nach der Bestrahlung: C,N,O Messung 2 h nach Bestrahlung: J, Mg, Ba

Mit Hflfe der Halbleiterdetek~oren ist bei der Bestimmung einer grS~eren Zahl yon Spurenbestandteilen eine rein instrumentelle Analyse mSglich geworden. Tab. 6 zeigt ein Schema fiir die instrumentelle Bes~immung yon 15 Spurenelementen und 6 Hauptbestandteilen in biologischem Material [24]. Zuerst wird eine (n,y)-Aktivierung durchgefiihrt. Die dabei nicht aktivierbaren Elemente bzw. die Elemente, deren (n,~)-Reaktions- produkte nach dem Abfall des ~41Ya nicht zu messen sind, da sie sehr knrzlebig sind, die aber auch nicht wie die ebenfalls kurzlebigen (n,y)- Produkte yon Kalium, Kupfer und Mangan neben dem ~4Na gemessen werden kSnnen, werden durch (y,n)-Aktivierung erfal~t. Fiir die Bestimmung sehr vieler Bestandteile ist allerdings auch bei Ver- wendung yon Halbleiterdetektoren eine chemische Auftrennnng des Aktivitatsgemisches zumindest in einige Gruppen solcher l~adionuklide notwendig, die sich nebeneinander messen lassen. Erg~nzend ist noch festzustellen, d~l~ die Erreichung der ~uBersten Nachweisgrenze nur mit Hilfe einer radiochemischen Isolierung der einzelnen zu messenden Nuklide mSglich ist. 2.6.2. Anwendungsbeispiele. Die besondere Eignung der Ak~ivierungs- analyse for die Spuren-Bestimmung beruht nicht nur auf der bereits erwahnten Tatsache, dab auf Grund der hohen Nachweisempfindlichkeit


und des weitgehenden Ausschlusses des Blindwertproblems sehr geringe Mengen erfagt werden kSnnen. Dureh die ganz erhebliehe Reduzierung des Blindwertproblems ist die Spurenbestimmung mit Hilfe der Akti- vierungsanalyse aueh viel genauer als mit anderen Methoden, wie die in Tab.7 gegeniibergestellten Analysendaten fiber den Mangangehalt im Blur zeigen [18, 47].

Kobalt kommt selbst im kobaltreiehsten Organ, der Leber, nur zu etwa 0,1 ~g/g Gewebe vor [86]. Mit Hilfe der Aktivierungsanalyse lassen sieh jedoeh aueh die Kobaltgehalte in den kobalt/~rmeren Geweben bestimmen und Differenzierungen des Gehaltes in den versehiedenen Geweben feststellen. Bei Neugeborenen zeigten die Kobaltgehalte yon Niere, Milz

Tabelle 7. Genauigkeit yon aktivierungsanalytischen Spurenbestimmungen. Vergleich der mit verschiedenen Methoden ermittelten Mangangehalte im Blut [18, 47] ~g Mn/ml Blu~

Aktivierungs- Colorimetrie Spektro- Flammen- mikrobiologische analyse mettle photometrie Bestimmung

0,024 (1956) 0,020 (1912) 0,12 (1940) 1,03 (1957a) 0,065 (1947) 0,029 (1961) 0,098 (1920) 0,0016 (1948) 0,46 (19575) 0,014 (1961) 0,58 (1955) 0,48 (1956) 0,012 (1961) 0,15 (1958) 0,010 (1957) 0,011 (1962) 0,32 (1961) 0,044 (1960) 0,011 (1963) 0,15 (1962) 0,20 (1962)

und Leber nur geringe Untersehiede, wahrend sich bei Erwachsenen eine starke Differenzierung fand; in der I~eihenfolge Serum, Niere, Milz, Leber liegen die Kobaltgehalte zwischen einigen 10 -l~ g/g Gewebe (Serum)und fast 10 -v g/g Gewebe (Leber) [66].

Bei kfinstlich erzeugtem Cholin-Mangel als Modell fiir Cirrhose wurde in IIerz und Leber yon Rat ten eine Abnahme des Mangangehaltes und eine Zunahme des Zinkgehaltes festgestellt. Der Mangnesiumgehalt bheb unver/~ndert [9].

Im Plasma yon Ur~mie-Patienten war der Arsengehalt etwa 3fach erhSht. Die Gehalte an Gold, Kobalt, Kupfer, Eisen, Antimon, Zink zeigten keine Ver/~nderung [32].

Von einer grSgeren Zahl yon Spurenelementen wurden die Gehalte in Krebsgewebe und vergleichbarem gesundem Gewebe untersucht. Unter anderem wurden in gesundem und Krebsgewebe der Leber 19 Elemente [75],im Tumor- und Muskelgewebe yon Rat ten l0 Elemente [22] bestimmt. Es werden jeweils ffir einige Elemente signifikante Gehaltsunterschiede fiir gesundes und Krebsgewebe angegeben. Die Ergebnisse sind abet noch nieht fibereinstimmend.

i22 F. Lux:

Von einigen Autoren wurden die Gehalte an Spurenelementen in den Z/~hnen untersuch~ [46,47,63,86]. Probenmengen yon einigen Milli- gramm sind ausreichend. Dadurch ist auch eine gesonderte Bestimmung der Spurengehalte im Zahnschmelz m6glich [63]. Das Ziel solcher Unter- suchnngen ist u. a., die Zusammenhs zwischen Caries-Anf~lligkeit und dem Gehalt an Spurenelementen zu ld~ren. In diesem Zusammenhang wurden auch die Kohlenstoff-, Calcium- und Phosphorgehalte yon Zahn- schmelz dutch Aktivierung mit geladenen Teilchen untersucht [84]. In den bereits erw~hnten ~bersichtsreferaten werden weitere Anwen- dungen der Aktivierungsanalyse in Botanik und Agrikultur [19], in Zoologic und Veterin/~rwissenschaft [80], in der Biochemie des Mensehen [86], im 5ffentliehen Gesundheitsweisen [46] und bei forensischen Unter- suchungen [41] beschrieben.

2.7. Alstivierungsanalyse in vivo

Aktivierungsanalytische in vivo-Bestimmungen des Jodgehaltes der Sehilddrfise wurden bei Sehafen [45], sp~tter auch an Menschen [14] durchgeffihrt. In letzterem Fall wurden Schilddrfise und Naeken mit einer Dosis you 15 rein belastet. Das sei vergleiehbar mit der Dosis bei einem Schilddrfisen-Funktionstest mit 131j. In Modellversuchen an Phantomen wurde auch die MSglichkeit einer in vivo-Bestimmung yon Natrium, Chlor, Calcium, Stickstoff und Phosphor studiert [10]. Der l~berblick fiber die Anwendungen der Aktivierungsanalyse in der Biochemie zeigt, dab in Einzeluntersuehungen solche Anwendungen schon bei den verschiedenartigsten Problemen vorgenommen wurden. Die Aktivierungsanalyse ist aber in der Biochemie noch zu keiner breit angewendeten l~ou~inemethode geworden. Eine intensivere Ausnutzung der potentiell vorhandenen MSg]iehkeiten, die in vielen F/~llen sicher sehr nfitzlich sein kSnnte, lieBe sieh bei entspreehender Zusammenarbei~ yon Biochemikern und Radioehemikern erreichen.

Zusammenfassung Im ers~en Tell der Arbeit wird eine kurze Einffihrung in die Grundlagen der Aktivierungsanalyse gegeben. Der zweite Tell ist ein Uberblick fiber die Anwendungen der Aktivierungsanalyse in der Biochemie. Es werden die methodischen Besonderheiten der Aktivierungsanalyse yon biologischem Material beschrieben. An Hand ausgew/~hlter Beispiele wird gezeigt, wclche biochemischcn Probleme bisher mit ttilfe aktivierungs- analytischer Methoden bearbeitet wurden. Dabei wurde folgende Ein- teilung vorgenommen: Bestimmung der leichten Hauptbestandteile; Bestimmung der schwereren Itauptbestandteile; Aktivierungsanalyse nach Derivatbildung; inaktive Markierung, Isotopenanalyse; Spuren- bestimmung ; Aktivierungsanalyse in vivo.


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Dozent Dr. F. Lvx Insti tut ffir Radiochemie der Technischen Hochschule Mfinchen 8046 Garching (bei Miinchen)

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Anwendung der Aktivierungsanalyse in der Biochemie