X射线—发现与应用的历程(4)

2010-10-5 00:00| 发布者: lxr| 查看: 3895| 评论: 0

X射线的特性及应用

    科学家们逐渐揭示了X射线的本质,作为一种波长极短,能量很大的电磁波,X射线的波长比可见光的波长更短(约在0.001~100 纳米,医学上应用的X射线波长约在0.001~0.1 纳米之间),它的光子能量比可见光的光子能量大几万至几十万倍。因此,X射线除具有可见光的一般性质外,还具有自身的特性。正由于X射线的特性,使其在发现后不久,很快在物理学、工业、农业和医学上得到广泛的应用。特别是在医学上,X射线技术已成为对疾病进行诊断和治疗的专门学科,在医疗卫生事业中占有重要地位。

       X射线探伤机

1.X射线的物理效应

(1)穿透作用。X射线因其波长短,能量大,照在物质上时,仅一部分被物质所吸收,大部分经由原子间隙而透过,表现出很强的穿透能力。X射线穿透物质的能力与X射线光子的能量有关,X射线的波长越短,光子的能量越大,穿透力越强。X射线的穿透力也与物质密度有关,利用差别吸收这种性质可以把密度不同的物质区分开来。

         X射线行李检查仪

(2)电离作用。物质受X射线照射时,可使核外电子脱离原子轨道产生电离。利用电离电荷的多少可测定X射线的照射量,根据这个原理制成了X射线测量仪器。在电离作用下,气体能够导电;某些物质可以发生化学反应;在有机体内可以诱发各种生物效应。

(3)荧光作用。X射线波长很短不可见,但它照射到某些化合物如磷、铂氰化钡、硫化锌镉、钨酸钙等时,可使物质发生荧光(可见光或紫外线),荧光的强弱与X射线量成正比。这种作用是X射线应用于透视的基础,利用这种荧光作用可制成荧光屏,用作透视时观察X射线通过人体组织的影像,也可制成增感屏,用作摄影时增强胶片的感光量。

(4)热作用。物质所吸收的X射线能大部分被转变成热能,使物体温度升高。

(5)干涉、衍射、反射、折射作用。这些作用在X射线显微镜、波长测定和物质结构分析中都得到应用。

         X射线显微镜

澳大利亚制造的新型X射线显微镜拍摄的物体内亚结构高分辨率图像

2.X射线的化学效应

(1)感光作用。X射线同可见光一样能使胶片感光。胶片感光的强弱与X射线量成正比,当X射线通过人体时,因人体各组织的密度不同,对X射线量的吸收不同,胶片上所获得的感光度不同,从而获得X射线的影像。

(2)着色作用。X射线长期照射某些物质如铂氰化钡、铅玻璃、水晶等,可使其结晶体脱水而改变颜色。

 

3.X射线的生物效应

    X射线照射到生物机体时,可使生物细胞受到抑制、破坏甚至坏死,致使机体发生不同程度的生理、病理和生化等方面的改变。不同的生物细胞,对X射线有不同的敏感度,可用于治疗人体的某些疾病,特别是肿瘤的治疗。在利用X射线的同时,人们发现了导致病人脱发、皮肤烧伤、工作人员视力障碍,白血病等射线伤害的问题,在应用X射线的同时,也应注意其对正常机体的伤害,注意采取防护措施。

 

         治疗肿瘤的X刀

与X射线相关的诺贝尔奖

    从1901年获诺贝尔物理奖的伦琴开始,一个多世纪以来,因研究X射线技术、以及使用X射线进行研究、与X射线有关的研究而获得诺贝尔奖的已有多人,可见X射线在科技发展中占有的重要地位。以下统计可能不完全:

[1]1901年,诺贝尔奖第一次颁发,伦琴就由于发现X射线而获得了诺贝尔物理学奖。

[2]1914年,劳厄由于利用X射线通过晶体时的衍射,证明了晶体的原子点阵结构而获得诺贝尔物理学奖。

[3]1915年,布拉格父子因在用X射线研究晶体结构方面所作出的杰出贡献分享了诺贝尔物理学奖。

[4]1917年,巴克拉由于发现标识X射线获得诺贝尔物理学奖。

[5]1924年,西格班因在X射线光谱学方面的贡献获得了诺贝尔物理学奖。

[6]1927年,康普顿与威尔逊因发现X射线的粒子特性同获诺贝尔物理学奖。

[7]1936年,德拜因利用偶极矩、X射线和电子衍射法测定分子结构的成就而获诺贝尔化学奖。

[8]1946年,缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而获诺贝尔生理学.医学奖。

[9]1954年,鲍林由于在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构而获得诺贝尔化学奖(他的成就与X射线衍射研究密不可分)。

[10]1962年,沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了诺贝尔生理学.医学奖(他们的研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的)。

[11]1962年,佩鲁茨和肯德鲁用X射线衍射分析法首次精确地测定了蛋白质晶体结构而分享了诺贝尔化学奖。

[12]1964年,霍奇金因在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构取得的重大成果获诺贝尔化学奖。

[13]1969年,哈塞尔与巴顿因提出“构象分析”的原理和方法,并应用在有机化学研究而同获诺贝尔化学奖(他们用X射线衍射分析法开展研究)。

[14]1973年,威尔金森与费歇尔因对有机金属化学的研究卓有成效而共获诺贝尔化学奖。

[15]1976年,利普斯科姆因用低温X射线衍射和核磁共振等方法研究硼化合物的结构及成键规律的重大贡献获得诺贝尔化学奖。

[16]1979年,诺贝尔生理.医学奖破例地授给了对X射线断层成像仪(CT)作出特殊贡献的豪斯菲尔德和科马克这两位没有专门医学经历的科学家。

[17]1980年,桑格借助于X射线分析法与吉尔伯特、?伯格因确定了胰岛素分子结构和DNA核苷酸顺序以及基因结构而共获诺贝尔化学奖。

[18]1981年,凯.西格班由于在电子能谱学方面的开创性工作获得了诺贝尔物理学奖的一半。

[19]1982年,克卢格因在测定生物物质的结构方面的突出贡献而获诺贝尔化学奖。

[20]1985年,豪普特曼与卡尔勒因发明晶体结构直接计算法,为探索新的分子结构和化学反应作出开创性的贡献而分享了诺贝尔化学奖。

[21]1988年,戴森霍弗、胡伯尔、米歇尔因用X射线晶体分析法确定了光合成中能量转换反应的反应中心复合物的立体结构,共享了诺贝尔化学奖。

[22]1997年,斯科与博耶和沃克因籍助同步辐射装置的X射线,在人体细胞内离子传输酶方面的研究成就而共获诺贝尔化学奖。

[23]2002年,贾科尼因发现宇宙X射线源,与戴维斯、小柴昌俊共同分享了诺贝尔物理学奖。

[24]2003年,阿格雷和麦金农因发现细胞膜水通道,以及对细胞膜离子通道结构和机理研究作出的开创性贡献被授予诺贝尔化学奖(他们的成果用X射线晶体成像技术获得)。

[25]2006年,科恩伯格被授予诺贝尔化学奖,以奖励他在“真核转录的分子基础”研究领域作出的贡献(他将X射线衍射技术结合放射自显影技术开展研究)。

诱发遗传突变

    1927年,美国生物学家缪勒(Hermann Josepn Muller,1890~1967)在研究基因突变的过程中,用X射线照射了上百个果蝇,观察它们与未经照射的果蝇交配后所产生后代的变异。他意外地发现,X射线大大加速了果蝇的变异,并广泛地涉及到眼睛、刚毛、触角、翅膀、个体大小、活泼程度等各个方面。这些变异现象,显然是由基因突变引起的。人工诱发遗传突变获得成功,开辟了辐射遗传和人工诱变研究的新领域,在理论和实践上均有重大意义。

    缪勒的工作使他的老师摩尔根(T.H.Morgan)所创立的基因学说在实践上得到了发展,缪勒因发现X射线能人为地诱发遗传突变而被授予1946年诺贝尔生理学.医学奖[8]。缪勒最早指出放射线对人类的遗传有危害作用,他认为核(弹)试验的放射性尘埃能引起大量有害突变,可能殃及后代。

        缪勒

    一是伦敦国王学院的威尔金斯(Maurice Wilkins,1916-2004)、富兰克林(Rosalind Elsie Franklin,1920~1958)实验室,他们用X射线衍射法研究DNA的晶体结构。当X射线照射到生物大分子的晶体时,晶格中的原子或分子会使射线发生偏转,根据得到的衍射图像,可以推测分子大致的结构和形状。英国女生物学家富兰克林最早认定DNA具有双螺旋结构。1952年5月,她运用X射线衍射技术拍摄到了清晰而优美的DNA照片,照片表明DNA是由两条长链组成的双螺旋,宽度为20埃,这为探明其结构提供了重要依据。

   威尔金斯(左)和富兰克林(右)

         DNA照片

    二是加州理工学院的莱纳斯.鲍林(Linus Carl Pauling,1901-1994)实验室。早在20世纪30年代初,鲍林对生物大分子结构研究产生了兴趣,最初的工作是对血红蛋白结构的确定。为了进一步精确测定蛋白质结构,他想到他早期从事的X射线衍射晶体结构测试的方法,将这种方法引入到蛋白质结构测定中,并且推导了经衍射图谱计算蛋白质中重原子坐标的公式。至今,通过蛋白质结晶进行X射线衍射实验仍然是测定蛋白质三级结构的主要方法,人类已知结构的绝大部分蛋白质都是经由这种方法测定获得的。结合血红蛋白的晶体衍射图谱,鲍林提出蛋白质中的肽链在空间中是呈螺旋形排列的,这是最早的α螺旋结构模型。1954年,鲍林由于在化学键的研究以及用化学键的理论阐明复杂的物质结构而获得诺贝尔化学奖(他的成就与X射线衍射研究密不可分)[9]。

        鲍林

    三是沃森(James Watson,1928-)和克里克(Francis Crick,1916-2004)的研究小组。沃森1951年在剑桥大学做博士后,研究DNA分子结构,课题项目是研究烟草花叶病毒。克里克当时正在做博士论文,论文题目是“多肽和蛋白质:X射线研究”。沃森需要克里克在X射线晶体衍射学方面的知识,他说服克里克参加DNA分子模型的研究。他们从1951年10月开始拼凑模型,几经尝试,终于在1953年3月获得了正确的模型。

    DNA双螺旋模型的发现,是20世纪最为重大的科学发现之一,也是生物学历史上惟一可与达尔文进化论相比的最重大的发现,它揭开了分子生物学的新篇章,人类从此开始进入改造、设计生命的征程。同时,它也是许多人共同奋斗的结果,克里克、威尔金斯、富兰克林和沃森,特别是克里克,是其中最为杰出的。

    沃森、克里克、威尔金斯因发现核酸的分子结构及其对生命物质信息传递的重要性分享了1962年的诺贝尔生理学.医学奖(他们的研究成果是在X射线衍射实验的基础上得到的)[10]。

    沃森(左)和克里克(右)

       沃森和克里克

测定蛋白质晶体结构

    英国生物化学家肯德鲁(John Cowdery Kendrew,1917-1997)和佩鲁兹(Max Ferdinand Perutz,1914-),用X射线衍射分析法研究血红蛋白和肌红蛋白。肯德鲁用特殊的X射线衍射技术及电子计算机技术描述肌球蛋白螺旋结构中氨基酸单位的排列,他与佩鲁茨共同研究X射线衍射晶体照相术,以及蛋白质和核酸的结构与功能。

    1960年,他们把一些蛋白质分子和衍射X射线效率特别高的大质量原子(如金或汞的原子)结合起来,首次精确地测定了蛋白质晶体的结构。佩鲁茨和肯德鲁分享了1962年的诺贝尔化学奖[11]。

      肯德鲁(左)和佩鲁兹(右)

 

测定生物分子结构

    英国女化学家霍奇金(Dorothy Mary Crowfoot Hodgkin,1910~1994)研究了数以百计固醇类物质的结构,其中包括维生素D2(钙化甾醇)和碘化胆固醇。她在运用X射线衍射技术测定复杂晶体和大分子的空间结构的研究中取得了巨大成就。1949年她测定出青霉素的结构,促进了青霉素的大规模生产。1957年又成功测定出了抗恶性贫血的有效药物——维生素B12的巨大分子结构,使合成维生素B12成为可能。

    由于霍奇金这两项成果意义重大,影响深远,她于1964年获诺贝尔化学奖[12],成为继居里夫人及其女儿伊伦·约里奥—居里之后,第三位获得诺贝尔化学奖的女科学家。

        霍奇金

  维生素B12的分子结构

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