Способ исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии и рентгеновская камера для его осуществления Советский патент 1985 года по МПК G01N23/207 

2. Рентгеновская камера для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии, содержащая установленные на основании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковьй детектор и средства перемещения детектора, . отличающаяся тем, что, с целью повышения информативности исследования за счет контроля положе ния и интенсивности слоевых линий на энергетической картине малоуглового рассеяния, в камеру дополнительно введены кронштейн, платформа детектора, пара средств поворота платформы детектора в сагиттальной и меридиональной плоскостях и устройство возвратно-поступательного перемещения держателя образца в .меридиональной плоскости, причем кронштейн состоит

из опорного валика, расположенного в сагиттальной плоскости, и пустотелого валика, установленного на основании в меридиональной плоскости перпендикулярно опорному валику, платформа детектора установлена с возможностью поворота относительно опорного валика, устройство возвратнопоступательного перемещения образца содержит шток, пропущенный через пустотелый валик, и ограничитель поворота штока.

3. Камера по п. 2,отличающ а я с я тем, что, с целью повышения удобства выведения пучка на оптическую ось , опорный валик кронштейна и верхний конец штока снабжены коаксиальными отверстгими для размещения штифтов, один из которых снабжен настроечным отверстием.

1. Способ исследования биолог ческих объектов методом малоуглово энергетической дифрактометрии, заключающийся в облучении образца-мьтцы синхротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора, перемещении детектора в меридиональной плоскости, определении энергетической картины малоуглового рассеяния и нахождении по этой картуше искомых параметров образца, отличающийся тем, что, с целью повышения информативности исследования за счет контроля положения и интенсивности слоевых линий на энергетической картине малоуглового рассеяния в процессе биологической функции образца, дополнительно производят перемещение детектора в сагиттальной плоскости и осуществляют регистрацию энергетического спектра неподвижным детектором в выбранном участке зоны рассеяния при расположении и возвратно-поступательном перемещении образца -мьшцы в вертикальном направлении .в меридиональной плоскости.

1

Изобретение относится к рентгеноструктурному анализу и предназначено для малоугловых рентгендифракционных исследований с применением источников синхротронного излучения.

Известны способы исследования биологш1еских объектов, заключающиеся в облучении образца рентгеновским потоком от источника с вращают(имся анодом или синхротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью двухкоординатного шш однокоординатного пропорциональных детекторов.

Известны рентгеновские камеры для осуществления I этих способов, содержащие по ходу пучка систему устройств формирования пучка, держатель образца, двухкоординатный или однокоординатный пропорциональные детекторы Ul

Недостатком известных способов для исследования биологических объектов методом малоугловой дифрактометрии и известных рентгеновских камер для осуществления этих способов являются неудовлетворительное пространственное размещение двухкоординатных пропор циональных детекторов, которое составляет 1 мм, что хуже желаемого в 8 10 раз, а при применении однокоординатных детекторов, которые располагают, вдоль слоевой линии структуры мышцы, - отсутствие одновременного конт,роля за ее положением и интенсивностью в дифракционной KapTmie, что существенно снижает информативность исследования.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии, заключающийся в облучении образца синхротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора при его перемещении в меридиональной плос-.кости, определении энергетической кар.тины малоуглового рассеяния в меридиональной плоскости и нахождении ЭТОЙ картине искомых параметров ;образда.

Для осуществления данного способа известна рентгеновская камера, содержащая установленные на основании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковьй детектор и средстрва перемещения детектора в меридиональной плоскости z.

Недостатком данного способа и рентгеновской камеры для его осуществления является отсутствие регистрации малоуглового рассеянного излучения от объекта-мышцы в сагиттальной (экваториальной) плоскости при вертикальном расположении образца, что исключает обеспечение одновременного контроля за положением и интенсивностью слоевых линий в процессе осуществления мьшцей биологической функции, т.е. в процессе ее сокращения или расслабления. Положение слоевых линий на дифракционной картине взаимосвязано с периодичностью

электронной плотности вдоль толстых и тонких филаментов мышцы, обусловленной их структурой. При этом по интенсивно.сти слоевых линий можно судить о взаимной упаковке нитей в capкомерах мышцы и о спиральной компоненте толстых филаментов (миозиновые мостики). Причем при исследовании спиральных структур известными способом и камерой дифракционная картина регистрируется с частичной потерей информации, так как рентгенограммы от спиральных структур имеют вид косого креста, т.е. часть рефлексрв лежит вне направлений вдоль меридиональной и сагиттальной плоскостей и наблюдению недоступны. Кроме того, в прототипе первичный пучок синхронного излучения направлен на неподвижньй исследуемый объект, что приводит его к значительным радиационным поражен1Рям, в особенности при исследовании биологических объектов.

Цель изобретения - повьшение ин- формативности исследования за счет контроля положения и интенсивности слоевых линий на энергетической картине малоуглового рассеяния в процессе биологической функции образца,

Поставленная цель достигается

тем, что -согласно способу исследования биологических объектов методом . малоугловой энергетической дифрактометрии, заключающемуся в облучении образца-мьшцы сиихротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора, перемещении детектора в меридиональной плоскоети, определении энергетической картины малоуглового рассеяния и нахождении по этой картине искомых параметров образца, дополнительно ;

производят перемещение детектора в сагиттальной плоскости и осуществляют регистрацию энергетического спектра неподвижным детектором в выбранном участке зоны рассеяния при расположении и возвратно-поступательном перемещении образца-мышцы в вертикальном направлении в меридиональной плоскости.

Кроме того, в рентгеновскую камеру для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетческой дифрактометрии, содержащую установленные на основании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковый детект.ор и средства перемещения детектора, дополнительно введены кронштейн, платформа детектора, пара средств поворота платформы детектора в сагиттальной и меридиональной плоскостях и устройство возвратно-поступательного перемещения держателя образца в меридиональной плоскости, причем кронштейн состоит из опорного валика, расположенного в сагиттальной плоскости, и пустотелого 1залика, установленного -на основании в меридиональной плоскости перпендикулярно опорному валику, платформа детектора установлена с возможностью поворота относительно опорного валика устройствб возвратно-поступательного перемещения образца содержит шток, пропущенньй через пустотелый валик, и огран11читель поворота штока.

При этом для повьш1ения удобства выведения пучка на оптическую ось камеры опорный валик кронштейна и верхний конец штока снабжены коаксиальными отверстиями для размещения штифтов, один из котор« 1х снабжен настроечным отверстием.

Поворот детектора вокруг двух взаимно-перпендикулярных осей, которые расположены в меридиональной и сагиттальной плоскостях и пересекаются непосредственно на исследуемом объекте в месте его облучения, позволяет регистрировать малоугловое рассеянное излучение не только в меридиональ ной плоскости, но и в сагиттальной плоскости, а также в любой зоне плоскости, . которая расположена по нормали к любому дифрагированному лучу. Причем расположение объекта-мьшцы предусмотрено только вертикальное, что позволяет экспериментатору рабо51

тать при вполне воспроизводимых условиях на разных режимах (изометрический, изотонический и т.д;) и уменьшает аберрационные явления до допустимого предела. Регистрация малоугловей энергетической дифракционной картины

от мьппцы в любом участке зоны рассеяния позволяет определять набор межплоскостных расстояний в дифрагирующем образце-мышце в процессе биологической функции, т.е. исследовать -параметры образца, которые

, характеризуют изменение структуры нитей мышцы и их взаимнзто упаковку. При фиксированном угле рассеяния 0 и использовании полихроматического синхротронного излучения с полупроводниковым детектором межплоскостные расстояния объекта dj /.g однозначно определяются дискретным набором энергий фотонов Е по . cлeдi oщeмy соотношению:

,199/E sin 9 . ,

Таким образом, выполнение приведенных операций, реализ-ующик предлагавмьй способ, обеспечивает одновременный контроль за положением .и интенсивностью слоевых линда мышцы, а также позволяет получить высокое разрешение в малых углах за счет боль- . шой дисперсии по энергиям, регистрировать слабые рефлексы за счет выбора оптимального угла регистрации и обеспечивает выигрыш в интенсивности дифракционных максимумов для слаборассеивающих объектов при усло-вии, когда скорость счета не является лимитирующим фактором.

Дополнительное введение в рентгеновскую камеру, осущестляющую предлагаемый способ, платформы, на которой установлен полупроводниковый детектор, и ее взаимосвязь с кронштейном посредством опорного, пустотелого валиков .позволяет устана1вливат7з детектор на равных расстояниях от исследуемого объекта при различных углах рассеянного излучения. Это, в свою очередь, исключает основной источник ошибок при определении межплоскостных расстояний в методе энергетической дифрактометрии, который .взимосвязан со смещением оси образца от оси поворота платформы,

Пара средств для вращения платфор(4Ы в сагиттальной и меридиональной плоскостях, установленная на основании, позволяет выставлять детектор

846

в требуемый участок зоны рассеяния., что, в свою очередь, обеспечивает одновременный контроль за положением и интенсивностью слоевых линий на малоугловой энергетической дифракционной картине при изучении структуры мышцы.

Устройство для возвратно-поступательного перемещения держателя образца, расположенное на основании и вы-, -полненное в виде штока в пустотелом валике, на котором установлен держатель, кинематически связанного с средствами его перемещения, позволяет снизить радиационную нагрузку на образец до требуемого предела. Скорость перемещения штока определяется экспериментально в зависимости от физико-биологических особенностей

мыши) и ее размеров. Ограничитель поворота штока позволяют получать рентгенограммы при одинаковых условиях расположения мышцы без изменения эффективного пути прохождения пучка

из.пучения через нее.

На чертеже изображена схема рентгеновской камеры.

Рентгеновская камера для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии содерж-1Г установленные на основании 1 по ходу пучка синхротронного излучения (си) систему формиро.вания пучка 2, держатель 3 образца, который установлен на штоке 4 устройства для возвратно-поступательного перемещения держателя 3 образца, полупроводниковый детектор 5, установленный на платформе 6, кронштейн 7 с опорным 8 и пустотелым 9 валиками, средства 10 и 11 для вращения плат-. форм151 б в меридиональной и сагиттальной плоскостях, средства 12, ограни41-тающие шток 4 от поворота, и средства 13, обеспечивающие возвратнопоступательное перемещение штока 4.

Рентгеновская каь1ера работает следуйщим образом.

Вначале осуществляют выведение полихроматического пучка синхротронного излучения на оптическую ось рентгеновской камеры, которая проходат через точку пересечения осей вращения платформы 6 с детектором 5. Для этого без пучка и без держателя 3 образца устанавливают штифты (не показаны) в коаксиальные отверстия (не показаны) опорного валика 8 кронштейна 7 и верхнего конца штока 4. Первый штифт, устанавливаемый в меридиальной плоскости в отверстие штока 4, имеет калиброванное отверстие, перпендикулярно которому изготовлено глухое отверстие, расположенное вместе с первым в сагиттальной плос1КОСТИ. В глухое отверстие устанавливают второй штифт. При открытой системе формирования 2 пропускают первичный пучок через калиброванное отверстие первого штифта и ось входного окна (приемную щель) детектора 5. Затем юстируют систему формирования пучка 2 и коллимированный пучок также пропускают через оптическую ось камеры.

С помощью средств 10 и 11 платформу 6 поворачивают относительно осей опорного 8 и пустотелого 9 валиков кронштейна 7 и устанавливают таким образом, чтобы входное окно детектора 5 бьшо расположено в промежуточной зоне между меридиональной и сагиттальной плоскостями под заданным углом к рассеянному излучению. Данная зона выбирается исходя из спектральной плотности источника сйнхротронного излучения, квантовой эффективности детектора и информат шных периодов повторяемости электронной плотности на выбранных слоевых линиях мьш1цы. Например, для проведения экспериментов на источнике ВЭПП-4 (Институт ядерной физики СО АН СССР) рабочий диапазон спектрального интервала выбирается 5,5 - 70 кэВ. При этом учитывают энергию электронов (5,5 ГэВ), область максимального спектрального распределения (около 10 кэВ), протяженность оптического пути в исследуемом образце (около 1 мм), а также квантовую эффективность полупроводникового Si (Zi) детектора. Наибольший интерес при исследовании мьш1цы в.процессе биологической функции представляет положение трех первых слоевых линий и поведение интенсивности на них. Эти лиНИИ соответствуют меридиональным

периодам 429, 215 и 143 S. На основе приведенных исходных параметров задают угловые диапазоны установки платформы 6 с детектором 5, а именно: вдоль меридиональной плоскости 2,6 мрад.; вдоль сагиттальной плоскости 1,8 - 18 мрад. Более широкий интервал углов вдоль сагиттальной

плоскости обусловлен тем, что протяженность слоевой линии (ширина рефлексов вдоль сагиттальной плоскости) примерно на порядок больше, чем ее высота (ширина рефлексов вдоль меридиональной плоскости). Конкретные значения углов установки платформы 6 выбирают непосредственно при эксперименте в зависимости от толщины образца, собственного фона камеры и па раметров системы устройств формирован ия пучка 2..

Исследуемый образец-мьшгцу устанав .ливают в держателе 3 вертикально. С помощью средств 13 перемещают держтель 3 возвратно-поступательно вдоль продольной оси мьшцы. Осуществляют |регистрацгоо энергетической дифракционной картршы как функцию длитны волны при заданных фиксированных углах рассеяния. При исследовании мышцы имеют три рентгенограммы,каждая из которых- получена при таком угле наблюдения, что максимум спектральной плотности располагается на соответствующей слоевой линии. Каждая рентгенограмма представляет собой набор из нескольких (не более шести) перекрывающихся максимумов с полушириной в несколько кэВ Р-т рефлексов на слоевых линиях, на фоне которых разрешимы три острых пика с полушириной 200 - 400 эВ. Обработка рентгенограмм, полученных в процессе сокращения или расслабления мьш1цы, дает информацию о двух Зфовнях структуры: о положении слоевых линий (по координатам трех пиков и об интенсивности рассеянного излучения вдоль них (по интегральной оценке площадей под общим графиком). Одним из облегчающих обстоятельств при расшифровке рентгенограммы представляет то, что интенсивность рефлексов на первых трех слоевых линиях в процессе биологической функции мышцы меняется синхронно.

Интегральная интенсивность рентгенограммы I определяется исходя из собственного фона каме 1 и суммарной интенсивности на слоевых 1 по следующему выражению: I VJ4,+Ic ; ICA 11+14+13,

где ,, Ij- интенсивность на 1-й 2-й и 3-й слоевых линиях соответственно.

. 9 .1167484 10 .

Относительный вклад в интенсив-кой дифрактометрии с помощью синхро

йость различных слоевых можно интер-тронного излучения при исследовании

претировать по отношению интенсивное- мышцы лягушки в процессе сокращения тей острых пиков с учетом квантовойпозволила определить такие параметры

эффективности, энергетического разре- 5 толстых и тонких филаментов мышцы, тения на энергиях, соответствующихкак осевая периодичность электронной

каяздому пику.плотности, их взаимная упаковка,

Предлагаемая рентгеновская камераленным их спиральными компонентами,

для исследования биологических объек to в частности мостиками на толстых нитов методом малоугловой энергетичес-тях.

а также подойти к вопросам, обуслов