Способ исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии и рентгеновская камера для его осуществления

 

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 .

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (l9) ((1) 4 (5)) 0 2 207 г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР по делАм изоБРетений и ОтнРЫтий (21) 3659145/24-25 (22) 15. 11. 83 (46) 15.07.85, Бюл. № 26 (72) В.Н.Корнеев, А.M.Ìàòþøèí и А.M.Øàìàðoâ (71) Институт биологической физики

АН СССР (53) 576.088:548,73(088.8) (56) 1. Huzley Н.Е. et al. Timeresolved Х-Ray ПНfraction Studies

of the Myosin Layer-line Reflections

during Muscle Contraction. J. Моl.

Biol., 1982, 158, 637-684.

2. Bordas J; et.а1. Smallaugle scattering experiments on biological materials using

synchrotron radiation. - Nature.

1976, Vol 262, August 12, (прототип) . (54) СПОСОБ ИССЛЕДОВАНИЯ БИОЛОГИЧЕСIGK ОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ МАЛОУГЛОВОЙ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ДИФРАКТОМЕТРИИ И РЕНТГЕНОВСКАЯ КАМЕРА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕ-

НИЯ. (57) 1. Способ исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии, заключающийся в облучении образца-мышцы синхротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора, перемещении детектора в меридиональной плоскости, определении энергетической картины малоуглового рассеяния и нахождении по этой картине искомых параметров образца, отличающий с я тем, что, с целью повышения информативности исследования sa 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 расположе.нии и возвратно-поступательном перемещении образца-мьппцы в вертикальном направлении в меридиональной плоскости.

1 167

2, Рентгеновская камера для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии., содержащая установленные на основании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковый 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 детекто-! ра,пара средств поворота платформы детектора B сагиттальной и меридиональной плоскостях и устройство возвратно-поступательного перемещения держателя образца в .меридиональной плоскости, причем кронштейн состоит

484 из опорного валика, расположен но го 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 пус-. тотелый валик, и ограничитель поворота штока.

3. Камера по п. 2, о т л и ч а ющ а я с я тем, что, с целью повышения удобства выведения пучка на оптическую ось камеры, опорный валик кронштейна и верхний конец штока снабжены коаксиальными отверстиями для размещения штифтов, один из которых снабжен настроечным отверсти— ем.

Изобретение относится к рентгеноструктурному анализу и предназначено для малоугловых рентгендифракционных исследований с применением источников синхротронноro излучения. 5

Известны спобобы исследования био— логических объектов, заключающиеся в облучении образца рентгеновским потоком от источника с вращающимся анодом или сиихротронным излучением, !О регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью двухкоординатного ипи 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 1).2р

Недостатком известных способов для исследования биологических объектов методом малоугловой дифрактометрии и известных рентгеновских камер для осуществления этих способов являются 25 неудовлетворительное пространственное размешение двухкоординатных пропорциональных детекторов, которое составI ляет 1 мм, что хуже желаемого в 8—

10 раз, а при применении однокоорди- gp натных детекторов, которые располагают вдоль слоевой линии структуры мышцы, — отсутствие одновременного конт,роля за ее положением и интенсивностью в дифракционной картине, что существенно снижает информативность исследования.

Наиболее близким к предлагаемому является способ исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифракroMeтрии, заключающийся в облучении образца синхротронным излучением, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора при его перемешении в меридиональной плоскости, определении энергетической кар:тины малоуглового рассеяния в меридиональной плоскости и нахождении по этбй картине искомых параметров

:образца.

Для осуществления данного способа известна рентгеновская камера, содержащая установле нные на о сновании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковый детектор и средства перемещения детектора в меридиональной плоскости f2).

1167484

Недостатком данного способа и рентгеновской камеры для его осуществления являе тся о тсутств ие ре гистрации 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 tp осуществления мышцей биологической функции, т.е. в процессе ее сокращения или расслабления. Положение слоевых линий на дифракционной картине взаимосвязано с периодичностью 15 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 сар- gp камерах мышцы и о спиральной компоненте толстых филаментов (миозиновые мостики). Причем при исследовании спиральных структур известными способом и камерой дифракционная картина 25 регистрируется с частичной потерей информации, так как рентгенограммы от спиральных структур имеют вид косо.

ro креста, т.е. часть рефлексов лежит вне направлений вдоль меридианальной и сагиттальной плоскостей и наблюдению недоступны. Кроме того, в прототипе первичный пучок синхронного излучения направлен на неподвижный исследуемый объект, что приводит его к значительным радиационным поражени-. ям, в особенности при исследовании биологических объектов.

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

Поставленная цель достигается 45 тем, что согласно способу исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифракто-. метрии, заключающемуся в облучении образца-мьппцы синхротронным излучени- Ы ем, регистрации малоуглового рассеянного излучения с помощью полупроводникового детектора, перемещении детектора в меридианальной плоскости, 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 направпении в меридианальной плоскости.

Кроме того, в рентгеновскую камеру для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии, содержащую установленные на основании по ходу пучка систему формирования пучка, держатель образца, полупроводниковый детектор и средства перемещения детектора, дополнительно введены кронштейн, платформа детектора, пара средств поворота платформы детектора B сагиттальной и меридианальной плоскостях и устройство возвратно-поступательного перемещения держателя образца в меридианальной плос-. кости, причем кронштейн состоит из опорного валика, расположенного в сагиттальной плоскости, и пустотелого валика, установленного на основании в меридианальной плоскости перпендикулярно опорному валику, платформа детектора установлена с возможностью поворота относительно опорного валика устройствЬ возвратно-поступательного перемещения образца содержит шток, пропущенный через пустотелый валик, и ограничитель поворота штока.

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

Поворот детектора вокруг двух взаимно-перпендикулярных осей, которые расположены в меридианальной 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 плосKocTEI,, которая расположена по нормали к любому дифрагированному лучу.

Причем расположение объекта-мышцы предусмотрено только вертикальное, что позволяет экспериментатору рабо11 6 7484 6 тать при вполне воспроизводимых условиях на разных режимах (изометрический, изотонический и т.д.) и уменьшает аберрационные явления до допустимого предела. Регистрация малоугловой энергетической дифракционной картины от мышцы в любом участке зоны рассеяния позволяет определять набор межплоскостных расстояний в дифрагирующем образце-мышце d1,1, в процессе 10 биологической функции, т.е. исследовать .параметры образца, которые .характеризуют изменение структуры нитей мышцы и их взаимную упаковку, При фиксированном угле рассеяния В и использовании полихроматического синхротронного излучения с полупроводниковым детектором межплоcKoстные расстояния объекта d однозначно

11М определяются дискретным набором энер- 2б гий фотонов Е по следующему соотношению:

d1,<<=6,199/H sin О .

Таким образом, выполнение приведен25 ных операций, реализующих предлагае-, мый способ, обеспечивает одновременный контроль за положением и интенсивностью слоевых линий мышцы, а также позволяет получить высокое разрешение в малых углах за счет большой дисперсии по энергиям, регистрировать слабые рефлексы за счет выбора оптимального угла регистрации и обеспечивает выигрыш в интенсивности дифракционных максимумов для слабо- 35 рассеивающих объектов при условии, когда скорость счета не является лимитйрующим фактором.

Дополнительное введение в рентгеновскую камеру, осущестляющую предлагаемый способ, платформы, на которой установлен полупроводниковый детектор, и ее взаимосвязь с кронштейном посредством опорного, пустотелого B8JIHKQH .позволяет устанавливать детектор на равных расстояниях от исследуемого объекта при различных уг-, лах рассеянного излучения. Это, в свою очередь, исключает основной источник ошибок при определении межплоскостных расстояний в методе энергетической дифрактометрии, который .взя освязан со смещением оси образца от оси поворота платформы.

Пара средств для вращения платфор- > мы в сагиттальной и меридиональной плоскостях, установленная на основании, позволяет выставлять детектор в требуемый участок зоны рассеяния, что, в свою очередь, обе спечивае т 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 мышцы и ее размеров ° Ограничитель поворота штока позволяют получать рентгенограммы при одинаковых условиях расположения мышцы без изменения эффективного пути прохождения пучка излучения через нее.

На чертеже изображена схема рентгеновской камеры.

Рентгеновская камера для исследования биологических объектов методом малоугловой энергетической дифрактометрии содержит установленные на ос" новании 1 по ходу пучка синхротронного излучения (СИ) систему формирования пучка 2, держатель 3 образца, который установлен на штоке 4 устройства для возвратно †поступательно 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 платформы 6 в меридиональной и сагиттальной плоскостях, средства 12, ограничивающие шток 4 от поворота, и средства 13, обеспечивающие возвратнопоступательное перемещение штока 4.

Рентгеновская камера работает следующим образом.

Вначале осуществляют выведение полихроматического пучка синхротронного излучения на оптическую ось рентгеновской камеры, которая проходИт 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 крон7 t 167 штейна 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 плос-. кости. В глухое отверстие устанавливают второй штифт. При открытой системе формирования пуАка 2 пропус- 10 кают первичный пучок через калиброванное отверстие первого штифта и ось входного окна (приемную щель) детектора 5. Затем юстируют систему формирования пучка 2 и коллимирован- 15 ный пучок также пропускают через оптическую ось камеры.

484 8

С помощью средств 10 и 11 платфор му 6 поворачивают относительно осей опорного 8 и пустотелого 9 валиков кронштейна 7 и устанавливают таким образом; чтобы входное окно детектора 5 было расположено в промежуточной зоне между меридиональной и са1 гиттальной плоскостями под заданным углом к рассеянному излучению. Данная зона выбирается исходя из спектральной плотности источника синхротронного излучения, квантовой эффективности детектора и информатив- ЗО ных периодов повторяемости электронной плотности на выбранных слоеных линиях мьш|цы. Например, для проведения экспериментов на источнике ВЭПП-4 (Институт ядерной физики СО АН СССР) 35 рабочий диапазон спектрального интервала выбирается 5,5 — 70 кэВ. При этом учитывают энергию электронов (5,5 ГэВ), область максимального спектрального распределения (около 40

10 кэВ), протяженность оптического пути в исследуемом образце (около

1 мм), а также квантовую эффектив-. ность полупроводникового Si (Zi) детектора. Наибольший интерес при 45 исследовании мышцы в процессе биологической функции представляет положение трех первых слоеных линий и пОаедение интенсивности на них. Эти линии соответствуют меридиональным 50 периодам 429, 215 и 143 а. На основе приведенных исходных параметров задают угловые диапазоны установки платформы 6 с детектором 5, а именно: вдоль меридиональной плоскости 1,2 - 55

2,6 мрад.; вдоль сагиттальной плоскости 1,8 — 18 мрад. Более широкий интервал углов вдоль сагиттальной плоскости обусловлен тем, что протяженность .слоеной 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 формирования пучка 2.

Исследуемый образец-мьппцу устанав-. .ливают в держателе 3 вертикально.

С помощью средств 13 перемещают держатель 3 возвратно-поступательно вдоль продольной оси мышцы. Осуществляют регистрацко энергетической дифракционной картины как функцию длины 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 слоеной линии. Каждая рентгенограмма представляет собой набор из нескольких (не более шести) перекрывающихся максимумов с полушириной в несколько кэВ рт рефлексов на слоеных линиях, на фоне которых разрешимы три острых пика с полушириной 200 — 400 эВ. Обработка рентгенограмм, полученных в процессе сокращения или расслабления мышцы, дает информацию о двух уровнях структуры: о положении слоеных 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 слоеных линиях в процессе биологической функции мышцы меняется синхронно, Интегральная интенсивность рентге нограммы Х определяется исходя из собственного фона камеры ? ф и суммарной интенсивности на слоеных I „по следующему выражению:

%Ф+ с М 1+ + З где Х„, I q Х вЂ” интенсивность на 1-й, 2-й и 3-й слоеных линиях соответственно.

Составитель К. Кононов

Техред ЛЛартяшова,Корректор Е.Сирохман

Редактор Е. Копча

Заказ 4426/41 Тираж 897 ° Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r.Óæ îðáä, ул.Проектная, 4

9 1167484 !О

Относительный вклад в интенсив- кой дифрактометрии с помощью синхроиость различных слоевых можно интер- тронного излучения при исследовании претировать по отношению .интенсивнос- мьппцы лягушки в процессе сокращения тей острых пиков с учетом квантовой позволила определить такие параметры эффективности, энергетического разре- толстых и тонких филаментов мышцы, шения на энергиях, соответствующих как о сев ая нериодично сть элек тронной каждому пику. плотности, их взаимная упаковка, а также подойти к вопросам, обусловПредлагаемая рентгеновская камера ленным их спиральными компонентами, для исследования биологических объек 10 в частности мостиками на толстых китов методом малоугловой энергетичес- тях.