国内外体内X射线荧光骨铅检测系统比较研究.pdf
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1、第 3 3卷第 2期 2 0 1 0年 2月 诧尉 砝 En v i r o nm e nt a l S c i e n c e& Te c h no l o g y V0 L3 3 No 2 Fe b 2 01 0 国内外体内x 射线荧光骨铅检测系统比较研究 易伟松 ,江厚敏 。 ,后德家 , 罗贤清 ,王海婴 ( 1 华中农业大学理学院, 湖北 武汉 4 3 0 0 7 0 ; 2 武汉大学化学与分子科学学院, 湖北 武汉4 3 0 0 7 2 ; 3 武汉市黄陂区人民医院, 湖北 武汉 4 3 0 3 0 0 ) 摘要 : 血铅生物半衰期较短 , 只能反应人体短近铅中毒状况, 存在一定局
2、限性 ; 骨铅生物半衰期较长, 能够反应人体铅负荷的累积 效应 , 有必要进行检测。体内 x射线荧光骨铅检测系统从发明至今 已有 3 0多年的历史 , 文章根据激发源的不同将其分为三类系统进行 分析讨论, 作为国内开展相关研究工作的借鉴。 关键词 : 骨铅 ;x射线荧光 ;放射源 中图分类号: X5 9 1 ; R 4 4 6 1 9 文献标志码 : A d o i : 1 0 3 9 6 9 0 i s s n 1 0 0 3 6 5 0 4 2 0 1 0 0 2 0 1 8 文章编 号: 1 0 0 3 6 5 0 4 ( 2 0 1 0 ) 0 2 0 0 7 2 - - 0 4 Ad
3、va nc e s i n Re s ea r c h o f i n vi v o M e as ur em e nt o f Lea d i n Bone Us i ng XRF Y I We i s o n g 。 , J I AN G Ho u - mi n 3 , H O U D e - j i a , L U O X i a n q i n g , WA NG H a i y i n g ( 1 C o l l e g e o f S c i e n c e , H u a z h o n g A g r i c u l t u r a l Un i v e r s i t y ,
4、 Wu h a n 4 3 0 0 7 0 , C h i n a ; 2 Co l l e g e o f Ch e mi s y a nd M o l e c u l a r S c i e n c e , W u h a n Un i v e r s i t y , W u h an 4 3 0 0 7 2 , Chi n a ; 3 P e o p l e S Ho s p i t a l o f Hu a n g p i Di s t r i c t , Wu h a n 4 3 0 3 0 0 , Chi n a ) Ab s t r a c t : Cu mu l a t i v
5、 e e x p o s u r e i s mo r e p r e d i c t i v e o f c h r o n i c t o x i c i t y t h a n r e c e n t e x p o s u r e t h a t i s wh a t b l o o d l e v e l s mo s t l y r e fle c t Bon e l e a d l e v e l s h a v e s e r v e d a s a c u mu l a t i ve do s i me t e r o f l e a d e x po s ur e f o
6、r ma n y y e a r s be c a us e o f t h e l o n g r e s i d e n c e t i me o f P b i n b o n e , a n d i t h a s b e e n mo r e t h a n 3 0 y e a r s s i n c e i n v i v o x r a y fl u o r e s c e n c e ( XRF )wa s fir s t ma de Th i s p a pe r s umma riz e s t he wor l dwi de a dv a n c e s i n t he
7、 me a s ur e me nt s ys t e ms wi t h Co I a n d 。O g Cd ex c i t e d r e s p e c t i v e l y Ke y wo r d s: b o n e l e a d ; X r a y fl u o r e s c e n c e f XR F ) ; r a d i o a c t i v e s o u r c e 2 0 0 6年作者 删曾就铅的危害, 血铅检测的局限 性, 骨铅检测的必要性 以及检测技术进行 了探讨与 报道 , 认为应该将骨铅作为铅中毒新的生物标记 。骨 铅活体检测 的主要方法 有中子活
8、化( n e u t r o n a c t i v a t i o n a n a l y s i s , NA n) 和体 内 x射线荧光( x r a y fl u o r e s c e n c e , X R F ) , 本文讨论第二种方法。为掌握国内外 在骨铅检测方面的研究进展 , 在 C N K I 数据库, 以“ 骨 铅” 为题名 , 以“ 2 0 0 6 2 0 0 8 ” 为时间 区段 , 进行检索 , 结果仅仅增加了一篇文献旧 , 还是体P l ( in v i t r o ) 骨铅 检测。从检索结果来看 ,国内在体内 x射线荧光( v i v o X- r a y F
9、l u o r e s c e n c e , i n v i v o X R F ) 骨铅检测方面 没有多少新进展 。以同等条件在 “ S C I E ”和“ S C I E N C E D I R E C T ” 等数据库中检索, 文献较多, 说明国 外在体内 x射线荧光骨铅检测方面又有新 的进展 。 为 了研制我们 自己的体 内 x射线荧光骨铅 检测 系 统 , 有必要掌握国内外的研究进展。本文将从国内外 研究历史与现状出发 , 进行 比较讨论 , 从而作 为我们 研究工作的借鉴。 1 体内 X射线荧光骨铅检测原理 x射线是一种电磁辐射 , 与物质相互作用十分复 杂, x射线荧光是其中一
10、种现象。当x射线照射人体 骨骼时 , 铅原子受激, 逸出电子 , 而外层 电子就会向内 层跳去 , 填补空位 , 从而发射 出一定能量的特征 x射 线 , 又叫 x射线荧光( xR F) 。x射线荧光的波长取决 于铅元素的特性, x射线荧光的能量与铅元素的含量 相关 , 根据骨骼被激发的 x射线荧光的强度 , 就能测 收稿日期: 2 0 0 8 0 8 1 o d in 2 0 0 8 0 8 1 6 基金项目: 华中农业大学科技创新基金( 2 0 0 6 - 7 ) ; 武汉市科技攻关项目 ( 2 0 0 8 6 0 4 2 3 2 2 3 ) 作者简介: 易伟松( 1 9 7 7 一 )
11、, 男 , 讲师 , 硕士, 研究方向为生物物理学 , ( 电子信箱) we i s o n g _ y i ma i l h z a u e d u c n 。 第 2 期 易伟松, 等国内外体内x射线荧光骨铅检测系统比较研究 7 3 出其中铅元素的含量 ,这就是体 内 x射线荧光技术 ( i n v i v o XR F ) ,是一种无创伤测量人体骨骼 中铅含 量 的方法 , 原理如图 1 所示 。 l n c i d e n t r a d i a t i o n f r o m pr l m a r y x。 r a y S OUr e0 1 X射 线 荧 光 婵 Fi g 1 Pr
12、i nc i pl e of XRF 根据这种原理研制的体内 x射线荧光骨铅检测 系统 ,主要 由激发源系统 、 x射线探测系统及信号处 理系统 3部分组成。根据激发源不同, 可 以将 国内外 体 内 x射线荧光骨铅检测系统分为三类1 6 1 , 分别为 : 5 7 C o激发 K系、 2 5 I 或偏振 x射线激发 L系 、 O 9 Cd激 发 K系。 本文根据激发源不同的分类方法 , 比较国内 外研究历史与现状 , 作为研制新 的 i n v i v o X R F检测 系统的借鉴 。 2 以 7 C o为激发源的体内 X射线荧光骨铅检测系统 世 界上 第 一套 i n v i v o X
13、 R F检测 系统 于 1 9 7 6 年 , 由 A h l g r e n等首次报道。他们采用 7 C o 作为激发 源 , 研 C o放 出的 射线能量为 1 2 2 k e V ( 8 0 )和 1 3 6 k e V( 1 1 ); 铅受激后发出的 K系 x射线能量为 7 2 8 K e Y( K 和 7 5 0 K e V( K。 ) , 用 G e ( L i ) 探测器探测 , 通 过多道能谱仪得到手指骨铅含量,建立了世界上第 一套 i n v i v o X R F骨铅检测系统 。该系统的探测下限 ( t h e mi n i mu m d e t e c t a b l e
14、 l i m i t , 简称 MDL) 约为每克 骨 2 0微克铅( 2 0 1x g P b g b o n e w e t w e i g h t ) , 有效剂量 当量 ( e f f e c t i v e d o s e e q u i v a l e n t ) 约 0 1 i x S v t 。Ah l g r e n 等_8 - 9 继续不 断发展和完善这套系统 , 世界上其他实 验室也纷纷建立基于 7 C o激发源 XR F系统 , 并且应 用到铅接触工作者 的铅 中毒上来 o 。 从文献报道来看 国内还没有开展这类系统的研究。 基 于 7 C o的 XR F系统在探测系统
15、方 面也是 不 断改进 , 从 开始的锗锂 ( G e L i ) 探测器到现在普遍 使 用的高纯锗( H P G e ) 探测器 , 探测下限不断下降。 随着 数字技术的发展, 信号处理系统也在不断发展 , 数字 信号系统取代模拟信号系统,也提高了整套系统的 性能l l ” 。 基于 7 C o的 XR F系统不断发展 , 但其基本框架 结构仍然保持着相对的稳定 。I n v i v o X RF系统激发 源常常是两个点源相对放置 , 手指置于 中间, 探测器 在 9 0 。 方向上探测散射信号,具体结构和几何尺寸, 如图 2所示I l 2 。 圈2 C o 源XR F i , 0 节 系统
16、几何示 意 图 Fi g2 S c h e ma t i c d i a g r a m o f theg e o me tr yo f CoXRFme a s e n t s ys t e m 基于 7 C o的体 内 x射线荧光分析具有 自己的优 点 : 一是放射性剂量较小。放射 眭点源的强度由最初 的 1 0 0 2 0 0 mC i ,现已降低 到 2 0 5 0 mC i ,甚 至 2 = 3 mC i , 常用于手指骨铅测量 , 时问较短 , 人体接受放射 性剂量少 。 二是设备小巧灵活。三是可以利用相干散 射归一法 1 。该系统 o放射源半衰期较短( 2 7 0 d ) , 测量
17、精度不够 ,检测下限难以满足人们对健康 的关 注与要求 。 3 以 2 S I ( 或偏振 X 光 ) 为激发源的体 内 X射线荧 光骨铅检测系统 2 0世纪 8 0年代 , Wi e l o p o l s k i 等提出了以 为 激 发 源探 测 胫 骨 铅 含 量 的 i n v i v o X R F 。他 们 用 l O O mC i e s I放 射性 源激 发铅 L系特征谱 线 ( L o L 为 1 0 6 k e v和 L B 为 1 2 6 k e v ) ,用 S i L i 探测器进行探测 , 如图 3所示Il 3 1 。 T1 Bl A SK 1 N M USC LE
18、 F I BUL A Si ( Li ) DET ECTOR f 8 0 ram 2 ram) Al S S T EEI ! I S OURCE A1 ABS 0RBE R LJ上LJ 0 2 5 5 图3源 、胫 骨 干 u 探 测器 构造示 意图 Fi g 3 Sc h e ma t i c di a gr a m of t h e s o u r c e t i bi a a n d d e t e c t or c o n fig u r a t i o n 国内曾做过类似 的研究 , 1 9 9 3年黄士斌等【 采用 I 为激发源,以石蜡胫骨模型测定铅辐射 的 L系特 征射线 , 但
19、该方法灵敏度不高。 不久 Wi e l o p o l s k i 等( 包括清华大学张 日清 ) 又 提出采用偏振 x射线管作为激发源的设计方案 , 探 测胫骨皮质层 , 探测下限可 以达到 6 4 1x g g ,整个测 量耗时约 1 6 5 min , 整个身体的有效剂量当量为确良 2 6 1x S v , 如图 4所示 。文章还认为提高激发光的偏振 程度 , 可缩短检测时间并提高检测下限 1 5 2 个因子。 7 4 砭尉 数 第3 3 卷 T l Bl A S K l N MUS CL E FI BULA ZE0 PLAN E Cl 1 1 图4偏瓠 射 线源 、胫 骨和探测 器构造
20、示意 图 Fi g 4 Co nfigu r a t i o n o ft h e p ol a r i z e d r a di a t i o n , t h e l e g a n d d e t e c t or 基于 2 5 I ( 或偏振 X光 ) 的 XR F系统其理论上的 优点是可以为骨膜下骨铅水平提供特有的信息 , 在骨 膜下区域的铅较致密的骨皮质内的铅容易转移 , 可以 较快地反映环境铅污染状况及机体生理的变化 。因 为 L - XR F只能测量骨内 2 - 3 mm的铅 ,对覆盖在骨 上的皮肤厚度轻微变化高度敏感,也对转动敏感, 所 以这项技术多被应用在儿科学的研究中。
21、总之 , 从 国内外文献报道来看 , 这类系统的后续 研究并不多见 ,可能的原因是该方法灵敏度不高, 适 用范围较窄 ,放射性源的半衰期太短 ( 2 5 I 半衰期为 6 0 d ) , 限制了这类系统的发展。研究者为了解决这些 问题 , 发展了基于 d体内 x射线检测系统。 4 以 埘c d为激发源的体 内 X射线荧光骨铅检测系 统 也是在 2 0世纪 8 0年代 , S o me r v a i l l e等首次采 用 d作为激发源测量人体骨铅含量。这种经过改 良的系统 ,很好地解决 了 X R F系统定量化校准的问 题。 因为基于 d激发源的系统 , 其相干散射信号直 接正 比于骨铅含量
22、 , 与其他因素无关。 d辐射的 射线能量为 8 8 0 3 5 k e V,恰好高于铅的 K层吸收限 8 8 O 0 5 k e V, 激发效率高 , 半衰期较长( O g C d半衰期为 4 6 3 d )是一个理想的激发源。从此基于 呻 C d的 X R F 系统得到了不断的发展 ,并且成功地进行 了商业化 , 拥有一批用户。 研究者和用户也在不断发展和优化这 套系统 , 主要途径是采用更大体积探测器以及更快的 电子器件。 国内以 d作激发源的研究工作也有报道口 8 - 1 9 1 , 他们探讨铅作业工人 的活体胫骨铅含量测定方法, 并 成功地测定了铅接触工人的骨铅含量 , 其结果高于对
23、 照组 。 基于 d的 XR F系统不断发展 , 但其基本框架 结构仍然保持着相对的稳定。I n v i v o X R F 系统激发 源常常是两个点源与胫骨平行放置 ,探测器在 1 8 0 。 方向上探测散射信号 , 具体结构和几何尺寸如图 5所 示【 切。 基于 l O 9 C d的 XR F系统常用于胫骨测量 , 优点显 5 Cd 源 、胫 骨 和 探 测 器 构 造 不 恿 图 F i g 5 Sc h e ma t i c di a g r a m o f t h e Cd , t i b i a a nd d e t e c t o r c o n fig u r a t i o
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