（粒子物理与原子核物理专业论文）核分析技术应用于稀土元素毒理的初步研究.pdf

复旦大学硕士学位论文公奋析救求应用于释土无索李皿的初步研究 中文摘要 稀土元素 ( r a r e e a rt h e l e m e n t s , r e e )可以 促进农作物增产，动 物生长， 并且有许多科研药用价值。目 前， r e e己 广泛地在工业、 农 牧业、养殖业及日 常生活中应用，预示着 r e e将越来越多地进入生 态环境，经食物链等渠道进入人体。因此研究r e e的生物学作用及 其机制成为当前迫切需要解决的问题。 我们用质子激发x荧光技术 ( p i x e )对细胞层面上的稀土生物 学效应进行了研究。 通过实验与数据分析我们得到稀土离子可以通过 体外温育及口 服灌胃等不同方式进入各类细胞。 稀土的摄入使细胞内 钙的含量有明显的增加。 除了 对稀土元素的细胞调控作用进行研究， 在稀土元素的毒理研 究方面， 我们以口 给灌胃不同浓度的稀土溶液的方式下培养的wi s t a r 大鼠为对象， 研究稀土元素在生物体内各器官间的分布， 通过消化道 进入生物体内的稀土，经过血液循环比较容易积累在大脑和肝脏中， 而对脾、肾和生殖器官的影响较小。稀土的摄入对肝脏内k . p , c u 的摄入有极大的影响。 研究稀土元素通过消化道在生物体内如何分布是非常重要的， 这 对于安全使用稀土犹有极其深远的意义。 别 厄 f 匕 . 白 月 巨 月 呀 习g听j 月 吐 妇 卜 复旦大学硕士学位论文毅分析搜术应用于释土无紊帝班的初步研究 ab s t r a c t p ix ie a n a ly s is is a p p lie d t o in v e s t ig a t e a lo n g - t e r m d is p u t e d is s u e w h e t h e r t h e r a r e e a rt h e le m e n t ( r e e ) c a n e n t e r t h e c e l l a c r o s s t h e c e l l me mb r a n e o r n o t . i t h a s b e e n i l l u s t r a t e d t h a t ree c o u l d t r a n s p o rt a c r o s s t h e b io m e m b r a n e i n t o t h e c e lls b y c e l l s t u d ie s i n v it r o a s w e l l a s a n i m a ls f e d w it h r e e s d i e t . t h e b i n d i n g o f r e e b y m e m b r a n e c h a n g e s it s p e r m e a b ilit y a n d m a k e s in t r a c e ll u la r io n t r a n s p o rt a b le . it s e n t r a n c e in fl u e n c e s t h e c o n t e n t o f c a 2 + in t h e c e l l . a n o t h e r i m p o rt a n t p r o b le m p e o p le a r e c o n c e r n in g a b o u t is t h e b io lo g ic a l t o x ic it y e ff e c t o f r e e c o m p o u n d . u s in g p ix ie a n a ly s is , w e id e n t if y t h e r e e d is t r i b u t io n in d iff e r e n t o r g a n s . it t u r n s o u t t h a t re e t e n d s t o a c c u mu l a t e i n b r a i n a n d l i v e r . an d t h e a c c u mu l a t i o n o f r e e i n l iv e r i n f l u e n c e s t h e c o n t e n t o f o t h e r e le me n t s s u c h a s c u , k a n d p . 复旦大学硕士学位论文公介析搜术应用于种土无索奇滚怕初步研究 第一章 生物学背景综述 第一节 稀土元素研究的历史 稀土元素是指元素周期表中 斓系 元素 ( 1 5 种) 及其同 族的 杭和忆 n 1 ， 共包括 斓 ( l a ) , 饰 ( c e ) , 错 ( p r ) , 钦 ( n d ) , 枢 ( p m) , 衫 ( s m) , 铺 ( e u ) , 礼 ( g d ) , 试( t h ) , 镐 ( d y ) , 钦( h o ) , 饵 ( e r ) , 饪 ( t m) , 镜 ( y b ) , 蹭( l u ) , 钻 ( y ) , 铣 ( s c ) 1 7 种元素2 1 。 但由 于枢 ( p m ) 在稀土矿中并不存在，因此也有人认为 稀土元素只有1 6 种3 1 。 根据它们的化学、 物理性质， 在分离工艺上将抗和斓、 钵 至铺称为钟组稀土或轻稀土，将礼至噜和忆称为忆组稀土或重稀土 ( 表1 )。 表 稀上兀素分类 轻稀土 ( 饰组) 重稀l( 忆组) 原子序数兀紊符号 原子序数兀素符号 2 1铣汾39忆y 叼仆伪廊公物伟肠 忆试铺钦饵铁镜锵 m苗肠67璐的力71 公价阳ha阮肠 翎饰错钱枢衫铂 5758势团6162的 最早发现植物中含有稀土元素的是c o s s a ，他于1 8 7 9 年发现葡萄中含有微量 稀土元素，到1 9 1 7 年我国的钱崇澎和美国的o s t e n b o u t 才第一次专门研究了稀土 元素 饰 对水 绵的 生 理 作 用 4 1 。 此 后， 从 3 0 年 代 起， 前 苏 联的 科 学家 掀 起了 研究 稀 土对农作物影响的热潮， 分别阐明了 稀土对小麦、 豌豆、 橡胶草等作物有促进生 长和提高产量的作用。 前苏联萨布斯廷 ( 1 9 3 3 ) 用碳酸斓和草酸饰对两种小麦品 种 做营 养 试 验， 发 现 铜 有 较大的 生 长 刺 激作 用 15 1德罗 布 柯 夫( 1 9 3 7 ) 发 现微 量 稀土对豌豆、 萝卜 、 黄瓜都很敏感， 混合稀土、 饰, 钢和衫分别使豌豆豆荚增产 翻 代 钧 妞 月 呀 ， p 听县 铆 吸 伟 复旦大学硕士学位论文 核分析技术应用于种土无紊幸扭伪初步 研究 4 5 .6 % , 2 6 .0 % , 3 0 . 1 % 和 3 9 .6 % 16 1 。 此 外，日 本、 菲 律宾、 美国 等也 有关 于 稀土 农用的零星报告。 我国的稀土资源十分丰富。 到目前为止， 我国的稀土储量、 稀土生产和稀土 出口均为全球之冠，稀土应用也居世界第二。据公布资料，中国稀土 1 9 % 年后 工业储量为4 3 0 0 万吨( 以氧化稀土r e o计) ， 远景储量4 8 0 0 万吨， 总储量9 1 0 0 万吨。 1 9 9 0 年前， 我国稀土工业储量占世界 8 0 %左右， 现在仍占4 3 %， 其中7 6 % 的稀土资源在内蒙古自治区， 其次是四川省和江西省。 中国稀土资源不仅储量大， 品种全，质量好，而且分布广。现在已在全国2 0多个省区发现稀土矿藏，今后 还有可能继续发现新的 稀土资源。 我国 稀土冶炼企业主要集中分布在内蒙古自 治 区、四川省、江苏省、 甘肃省、 广东省和江西省， 这六个省拥有全国8 0 %以上的 稀土冶炼生产能力。江苏省虽然没有稀土资源，但其稀土冶炼能力约为全国的 2 0 %，且主要以分离产品为主。 近 1 0 年来，中国稀土生产发展迅速，从 1 9 9 0 年 到 1 9 9 9年，稀土矿产量年均增长率为 1 7 .4 3 %，稀土产品产量年均增长率为 1 6 .7 0 %， 稀土产品出口 量年均增长率为2 6 .2 4 % 1 . 作为稀土大国的我国于 1 9 7 2 年起开始了稀土农用的研究。我国科学工作者 凭借稀土大国的得天独厚条件， 围绕稀土农用技术开发进行了农学、 植物生理学、 土壤学、 医学毒理学等多学科的联合攻关。 通过几十年的研究， 我国在稀土农用 方面的成就己居世界先进水平，发表的有关文献逐年增加。 在8 0 年代中期取得 重大突破， 最终形成的稀土农用技术， 促成稀土微肥的问世。 它具有生长调节利 之功效，目 前广为 使用的 稀土 微 肥， 其主要成分是 硝酸稀土 r e ( n o ) 3 . 6 h 2 0 1 . 其中l a , c e 含量各占2 8 % 和5 1 %。 稀土微肥在全国有一定的推广面积。 稀土平 均对农作物的 增产幅度为8 % -1 0 % ， 增产概率为9 0 %， 投入产出比 在1 : 2 .9 - 2 1 .3 之间，主要作物有水稻、小麦和油菜等， 产生了 可观的经济和社会效益7 1 随着稀土的开采以及在工农业中的应用日 渐扩展， 稀土也广泛进入生态环境 并由 食物链进入人体。 因此， 稀土的生物学效应及人体健康效应越来越引起人们 的关注和重视。 稀土元素的大致研究历史如表2 所示. 翻 甲 贬. 白口 . 月 呀 ，听j 润 已口 书 复旦大学硕士学位论文 橄分析搜术应用于释土无t幸理的初步研究 表z 稀土元素的 研究历史 1 9 4 1 年。德罗布柯夫发现稀土可使橡胶草的含胶最增长7 8 1 ，并能改善橡胶草品质。 1 9 5 5 年。德罗布柯夫第一次提出稀土是植物正常发育需要的元素。 1 9 6 1 年， 保加 利亚 伊 凡 诺娃 发 现小 剂 量 氯 化 饰 ( 5 0 一 1 0 0 m g / l ) 能 使小 麦、 玉 米 和 大豆 分别 增 产1 9 .5 %, 2 6 . 7 % 和1 8 . 2 % , 5 0 州l 氯 化 饰 还能 加 强 大 豆 光 合 作 用. 提高 过 氧 化物 酶活 性。 1 9 6 5 年，罗马尼亚赫洛维茨用硫酸杭傲萌发试验，使玉米根干熏增加了3 7 %. 1 9 6 6 年，前苏联德希涅娃研究了混合稀土、 n i , 、 ie l e ,和 a f u 对大豆生长的影响，发现它们 可使大豆生长期给短和产最增加。 日木) i i 崎的专利报道称，将研磨成细粉的褐忆矿施入田中不但可根治水稻枯萎病，而且能预 防自菜的软腐病。 1 9 7 4 年，前苏联齐尔科夫发现润和钟可使玉米产最提高2 0 %一 2 4 ，并能使粗蛋白质含最 提高2 1 ) %左右。 我国从1 9 7 0 年代初开始稀土农用研究，8 0 年代中期大面积推广使用。 1 9 8 4 年， 吴 兆明 用单一 稀土( l a c l, e u (3 , ) 对黄瓜根系 进行的 研究表明， 单一稀土对根系 活力有促进生长作用，是植物生长的重要调节剂。 1 9 8 8 年，郭伯生在总结我国自1 9 7 2 年以来稀土农用成果时确认，稀土是植物生长发育的有 益元素。 第二节 稀土元素对植物的影响 1 . 2 . 1稀土微肥的作用 稀土农用是中国首创并居 世界领先的一项新技术、新成 果。它对稳定我国耕地面积， 提高单产， 促进农业丰收，缓 解人口 增长与土地资源紧张的 矛盾起到了良好的作用，引起 了国际上的广泛关注。 稀土微 肥对粮食作物、果实、蔬菜等 的贡献主要表现为优质增产， 对作物的增产概率 9 0 %， 增 产幅度为: 粮食作物8 %-2 5 %:经济作物1 5 %-3 8 % ( 见 名 称 旅 用效果 场产石 味一 1 5 1麦 较救氮 触 增加 场 产s 一 1 5 % 活 产6 ，- 1 2 % . 蛋自 质、 油 均 有 提 高 趋 势 增 产1 4 %一 3 4 %含油a 摘 加2 % 咐产1 .1 9 s, 一 3 11 % 场产1 53 %. 含油扭提离2 1 9 0 场产1 0 5 5 一 1 2 %. 包心举 埔加3 . v 探 塔产1 0 %一 1 4 5 5 . 徒粉含 任畏离、 % 增产吕 异一 2 0 %. 含 钧最增加0 . 5 % 增 产8 %一 2 a %. 含 特饭 增 加0 1 % 增产7 %- 1 6 % 烟耸 级提离10 % 增 产5 % - 1 2 %, 纤维 堆加0 . 1 %一 0 . 4 % . 单 铃摘 班0 . 1 之 增 产， 肠一 巧 % 、 纤 维 支 敌 扭 高1 0 %一 1 2 % 增产2 1 9 6 , 撼堆3 一 肠， y c 挺d b 4 s y 一 6 % 增产6 9 6 一 2 0 %. 胶可 达一 级员 姗 产6 . 9 4 6 - 1 7 . 8 %增 粉2 . 0 %一 2 .4 9 e 渭 产1 0 %. 增 撼m i lt 扮 两 。 7 ，一 1 。 % 增 产12 %一 加 书 增 特。 . 5 肠 增 产以7 %一 z 9. 乍， 种 子n t 畏a召 .8 f f 一 巧 . 5 % 增产2 0 % 含 撼诀 场加0 ,5 度 增产9民 爷一 肠书 麦粕。父繁子赚菜招蔗瓜草拢眯孩胶记萝材子案麻 白铃 小水大油谷芝大马甘西烟份芒香像拘蔽桃李香胡 j 润 吸 口 卜 表3 稀土徽肥对作物的 优质增产效应 复旦大学硕士学位论文核分析坟水应用于舜土无素幸理的初步研究 表3 ) 18 1 。目 前我国已 在粮食、经济作物、水果、蔬菜，花卉、林木等7 0 余个品 种上应用成功， 年施用稀土微肥面积达5 0 0 0 余万亩. 增产粮油1 x 1 0 k g ， 年增加 直接农业效益1 0 亿元人民币。 施用稀土微肥除了 使农作物优质增产外， 还可以 增加作物的抗病能力。 大田 作物常会遇到诸如干早、 高温、寒冷、盐渍、病虫害等逆境条件，施用稀土可增 强植物对不良环境条件的抵抗能力。 杨家朴 ( 1 9 8 6 ) 报道， 施用稀土后，小麦幼 苗电导率降低， 植株组织蛋白质水解成脯氨酸的量减少， 因而增强了细胞膜对电 解质外渗的控制能力和相对稳定了细胞内的代谢过程， 植株高度和单株重量均比 对照组 ( 水浸种) 提高。 白松 ( 1 9 9 5 ) 用3 0 0 m g / l 稀土溶液处理棉花种子， 棉花 枯萎病发病率降低1 9 . 0 % - i 1 . 5 % ， 病情指数降低2 5 . 6 % -1 7 . 4 % 。 其他作物施用稀 土也都显示出 不同程度的 抗病性川 。 稀土对园 林植物生 长也 有明 显的 促进作用。 王兆 荃r9 1等报道， 稀土对园 林植 物生长作用的研究从种子萌发;根系生长;叶绿素含量;营养生长;开花数量、 花色、大小、 提早开花、 延长花期; 种子产量、 千粒重;促进插条生长等七个方 面进行， 设立与此相应的测定项目 二十多个， 在所有测定的指标中， 与对照相比， 提高的幅度在1 0 % - 1 0 0 %之间，有的 甚至超过更多。 如丰花月季花数， 大花秋 葵花数，扦括生根和根长等指标均比对照多1 0 0 %以 上，尤其是与园林植物观赏 价值有关的项目 如叶色、 花色、 花的大小、 数量、花期等方面的明显效应对于提 高植物观赏价值、 绿化美化水平有很大作用。 将稀土应用在扦播出用中的研究证 明用稀土处理插条生很快， 成活率高， 根系发达， 为园林植物扦插繁殖提供了一 个好方法。 1 . 2 . 2稀土元素对植物作用的生理基础 合理使用稀土促进植物生长、 增产、 优质、 抗病的原因可能有以下几个方面。 ( 1 )提高光合作用 储钟稀 ( 1 9 9 4 ) 报道， 稀土能促进高等植物光合作用效率和叶绿素的形成， 推迟叶片衰老过程， 并能促进低等藻类光合放氧活性， 提高蛋白质含量。白宝璋 ( 1 9 9 5 ) 用 c 0 2 示踪法证明， 在甜菜块根膨大期和糖分积累期喷施稀土，可提高 甜菜同 化14 c 0 2 能力， 提高根冠比， 改善光合产物分配。 王辉 ( 1 9 9 6 ) 报道， 用适 当浓度稀土元素可提高花生叶片叶绿素含量和净光合强度。 刘洪章( 1 9 9 6 ) 发现， . 厄 ， 匕 勺 卜 日 . 与 呀 ， 呀j 刀 吸 ， 卜 复旦大学硕士学位论文毅分析救水应用于释土无素音理的初步研究 低浓度 ( 3 0 0 -8 0 0 n g / l ) 稀土喷施能显著增大黑穗醋栗叶面积， 对叶片光通量密 度、 气孔导度和蒸腾速度均有良 好影响， 并能提高坐果率。 张智勇 ( 2 0 0 1 ) 对油 菜叶所做的研究表明， 叶绿体对稀土元素有较强的富集能力， 叶绿体中的稀土约 占叶中总稀土的3 0 % ，相当于每个稀土原子对应约2 0 0 0 个叶绿素分子，但叶绿体 对不同的稀土元素富集程度不同 1 1 1 ( 2 ) 影响矿素吸收 研究表明， 稀土微肥具有促进作物对矿质元素吸收、 转化和利用的功能， 进 而影响作物的矿质营养。如水稻施用微肥后，n ,p ,k 的吸收率分别比对照植株 提高1 6 .4 %, 1 2 %和8 . 5 ， 汤锡坷等人证实，5 m g / l c e 处理黄瓜幼苗，体内 p , k 含量分别比对照植株增加1 0 .3 4 %和1 5 .4 2 yo。 赖忠盛用爪放射示踪法研究了微肥 对番茄吸收氮素的影响， 结果表明， 处理植株n 素吸收量比 对照植株提高8 . 1 3 %. 显然，稀土微肥对作物矿质营养的促进作用，既节省了n ,p ,k 肥的使用量，也 减轻了 多 施化肥对环境 造成的 污染， 其环境学效 应同 样不可忽 视1 1 1 . ( 3 ) “ 超级钙”的作用 在生物体内， 钙离子起着十分重要的作用， 而稀土离子与钙离子的性质、 结 构相似， 离子势比钙还大， 因而稀土离子的结合稳定性要高于钙离子， 它不但可 以占 据钙的 位置与生物大分子结合，而且还可取代包括己 结 合的 c a 。因而有人 将 稀 土离 子 称为“ 超级 钙”( 郭 伯生， 1 9 9 9 ) i ll 。 稀土 离 子 通过 对 c a , m 矿、 f e z 等金属离子的置换与竞争可能影响一些生物酶或生物大分子的生理功能。洪 法 水( 1 9 9 9 , 2 0 0 2 ) f 1 2 j发 现， 低 浓 度 稀土能 激活萌 发 水 稻 种 子的。 一 淀 粉酶 活 性; 在0 . 5 -4 u m o l / l 浓度范围内，c e c 1 3 能使猪胰a 一 淀粉酶的活性提高2 . 7 % 一 3 0 . 8 % ， 而在0 . 5 -1 0 v m o l / l 范围内， 可显著恢复脱钙a 一 淀粉酶的活性， 恢复程 度几乎1 0 0 % . 第三节 稀土元素对动物的影响 1 . 3 . 1稀土对于畜牧养殖业的 增产效应 我国于2 0 世纪8 0 年代开始用轻稀土喂饲猪、鱼、 虾、 兔、 牛、 羊等家畜和食 月 民 ， 匕 . 白 月 皿 月 呀 ，幼踌j 卜 月 吸 口 卜 复旦大学硕士学位论文公分析搜术应用于种土无素夺皿的初步研究 用动物， 同时也开始了一系列动物生物学效应研究， 发现适量稀土化合物作为矿 物添加剂饲喂畜禽， 有增产和提高免疫力的作用。 熊炳昆 ( 1 9 9 4 ) 报道， 每天往 猪饲料中加入 4 0 m g 稀土， 猪的 增重率提高6 % 2 9 % ， 饲料利用率提高1 0 % ;在 蛋鸡饲料中加入1 0 -1 5 m 眺g 稀土， 蛋鸡存活率提高5 % 1 0 % ， 产蛋率增加8 % ; 往鱼 ( 草鱼、 鳞鱼、 鲤鱼) 饲料中加入4 0 -6 0 m g / k g 稀土， 鱼增重3 .4 % -3 . 7 %, 存活率增加5 %。 使用的稀土剂型主要为斓和饰的 有机盐1 1 % 唐化寰 ( 1 9 9 0 ) 发 现， 轻 稀f 元素 l a 3 十 、 l a 3 + , c e ， 十 、 p r 3 + , n d 3 , s m , e u 3 + 对四 膜虫生 长均有明 显的 促 进作用， 重稀土元素如 t m 3 + . y b 3 + 虽 亦有一定的 刺 激 促进， 但浓度稍大即 显出 毒 性抑制作用 ( 表4 ) 。 杨维东 ( 2 0 0 0 ) 用 5 0 m g / k g 和 5 0 0 m 妙g 硝酸饰饲料喂养大鼠， 发现低剂量组对大鼠 生长有明 显促进作用，1 年 后平均体重比对照组增加2 1 . 5 %，高剂量组大鼠体重增长则显著低于对照组，1 年后平均降低4 0 %。 刘颖 ( 2 0 0 1 )发现，低剂量硝酸斓有促进大鼠体重增长和促 进肝糖原合成的趋势， 高剂量时 ( 2 0 m g / k g ) 则有抑制作用。 此前， 周莉 ( 1 9 9 6 ) 和马文彬 ( 1 9 9 0 ) 也分别观察到低剂量氯化斓、 氯化镜及低剂量氯化衫对大鼠有 增重效果h l 表4 稀上 元素对四 膜虫生长的影响 ( 浓度单位: a g ; l - ) 稀_ 卜 离 了抑制浓度 洲期200姗2(d l a i i 功为川为 y 今 ( m 1 1 ) . 促进浓度 1 5、5 0 1 0-仅) 1 0-5 0 1 0-2 5 5-2 0 5-2 0 1 0-2 0 52 0 0 . 82. 0 犷叻砂犷犷 1 . 3 . 2稀土的生物毒性 稀土微肥经食物链传递， 最终必将进人人体。 因此， 微肥的毒性便成为人们 关注的焦点。 早在1 9 1 0 年， 人们就开始了稀土生物效应研究， 1 9 3 5 年即已出 现 有关稀土毒性和药理作用专著。稀土的中毒症状主要是:痛苦扭动、供给失调、 . 厄 甲 贬 角 白 月 . 月 呀 ，听j 月 民 口 卜 复旦大学硕士学位论文核介析搜术应用于种土无紊夺皿的初步研究 呼吸困难、抑郁、脚趾背面轻度拱起等，死亡高峰时间在中毒后4 8 - % 小时; 若未立即死亡将出现弥漫性腹膜炎、腹膜粘连、血性腹水、肝浑浊肿胀等病理。 稀土的毒性作用遍及动物体各系统， 包括消化系统、 神经系统、呼吸系统、 心血 管系统、 血液系统、 免疫系统乃至运动系统等等。 一般来说， 稀土毒性的大小与 染毒的途径、 动物的种属、 性别及稀土化合物的性质有关， 毒效应最大的染毒途 径是静脉注射， 其次为腹腔注射， 最小是经口染毒。 也有个别例外情况，比如有 人发现给大鼠 静脉注射高 浓度的p r ( n 几) 3 ， 大鼠并未有中毒的迹象; 不同的 稀土， 其毒性差异很大; 稀土对生物体的影响与稀土离子半径大小有关; 同一种稀土的 不同 盐，其毒性也有明显差异” 3 1 稀土对动物内 脏器官的影响因器官而异， 其中以肝组织和肺组织的影响为最 甚。一次性注射高剂量的稀土后，肝细胞内内脂滴、黄疽增多，血液中 g p t , g o t水平升高1 4 1 ， 线粒体骨缩髓样变、 糖原颗粒减少、 滑面内 质网 扩张， 次级 溶酶体增多; 稀土以胞吞方式进入肝细胞。 肺出现局灶性出血， 重量增加， 噬中 性粒细胞数目 明 显增多， 稀土以 非溶解形式沉积在肺中 1 5 1 ; 长期吸入可导致肺 纤维化， 形成尘肺。 稀土对心脏、肾 脏和脾脏的影响不大， 可抑制豚鼠心前房肌 和乳头肌收缩， 引起明显的电 位颤动; 使小鼠脾脏出现边缘损耗， 并出现坏死点， 肾 脏重量发生轻微变化; 肝脏、 脾脏和肺组 织中 c a 2 + 含量明 显增加 1 6 。 最近一 项研究表明 1 7 1稀土尚 可诱导心脏 胶原蛋白 和非 胶原蛋白 合成增加; 腹腔注射 高 浓度 ( 6 m g / k g ) 的 l a ( n 0 3 ) 3 可显著减少胃 液和胃 蛋白 酶的分泌， 但低浓度 ( l m g / k g ) 时 作用相反， 不 过两 种浓 度对胃 粘液的 分泌和胃 粘膜均无损伤作 用。 稀土 元素 对生 物 体内 分 泌 系 统也 有一 定的 影响 18 1 ， 腹腔 注 射高 剂 量 s m c 13 后可使大鼠 血清中生长激素 ( g h ) 水平升高8 倍，而碘甲 状腺原氨酸 ( t 4 )水 平明显降低， 甲 状腺滤泡上皮细胞受到损伤， 低剂量则可使两者水平均有所升高， 同时甲 状腺滤泡上皮细胞未受损伤; 小剂量的氯化稀土， 不管是腹腔注射、 静脉 注射还是口 服， 均可使小鼠 体内 胰岛 素含量升高， 血糖降低对胰岛细胞受损的糖 尿动物模型， 氯化稀土具有明显的恢复作用。 这些结果表明， 小剂量的稀土进入 体内后对反应比较灵敏某些激素会产生明显的变化， 由此而产生的近期及长远效 应是值得注意的问 题 19 细胞培养实 验表明， 较高 浓度 ( 3 x 1 0 - 5 m o l / l ) 的y c l : 还可改 变红细胞 膜 . 民 们 洲 幽 月 吐 月 呀 国 g 听j 月 件 复旦大学硕士学位论文 核分 析获术盛用于舜土无紊幸扭钧初步 研究 蛋白构象并导致膜骨架蛋白的交联或聚合， 使红细胞变形性降低而引起溶血， 低 浓度 ( 0 .s “ m o l / l )则影响很小。 稀土元素对某些离子的流动及离子通道有一定的拮抗作用2 0 . w h o l e - c e l l p a t c h c l a m p 技 术 测 定 结 果 显 示: g d 3 + 对 大鼠d r g ( d o r s a l r o o t g a n g l i o n ) 细 胞 系 17 1 1 - b 9 和细胞、 大鼠 和青蛙外围 神经细胞以 及大鼠 心肌细胞b 矛 + 的流动存在剂 量依赖性拮抗作用， 这种作用是不完全的; l u , l a 十 亦存在类似的作用。 y b 3 1 , n d 3 1 , y , g d 3 , h o 3 + , l a , e r a + 对t - 型电 压门 控c 扩 + 通 道 也 具 有 拮 抗作 用， 其作用与稀土离子的半径有关， 半径越小， 作用越强; 拮抗作用是电压非依赖性 的， 存在剂量效应关系; 竞争性实验表明这一拮抗作用可能是由于稀土离子与钙 离子竞争性结合某一结合部位的 缘故， 因而， 当细胞外c a t + 增加时， 拮抗作用明 显减弱。 1 . 3 . 3稀土生物生理基础a il 稀土参与机体功能的调节主要有以下几方面: ( 1 ) 稀土与动物体内配体的作用 报道较多的是稀土与各种氨基酸的络合行为， 相平衡及其晶体结构， 曾总结 了这类配合物的结构特点。稀土与维生素、多肚及柠檬酸等配合物亦已有报道 3 1 9 1 。 关于稀土与体内 大分子的作用，已 证明稀土能与血红蛋白 结合， 引起血红 蛋白 氧亲和力改变。 在动物实验中 观察到稀土可使血红素f e ( i i ) 氧化成f e ( 1 1 1 ) 四。 稀土与牛 血清白 蛋白 及人血 清白 蛋白 作 用的 研究亦已 有 报道3 1铺 ( m) 与 脱铁铁蛋白的作用的研究指出，铺 ( i i i )通过占据马脾脱铁铁蛋白 ( i i )结合部 位而使其对铁 ( i i )吸收的初始阶段受到抑制。还研究了稀土离子与人血清脱铁 转铁蛋白 及伴清蛋白 等的 作用2 3 1 稀 土与t - r n a的 相 互作 用研究 指出t - r n a中 有3 组c e 3 十 的结合位置。 稀土 还能催化水解核普酸中的磷酸二酷键， 而c e 4 1 具有很高的 催化活性3 1 9 1 ( 2 ) 稀土对细胞的跨膜行为 稀土能否通过细胞膜的问题长期以 来存在着不同的认识。 有报道认为稀土进 入 肝 细 胞是以 胞 吞小 泡 方 式 摄 入的 13 1 。 对红 细 胞的 实 验 证明 稀 土 络阴 离 子 经阴 离 子通道进入， 稀土阳离子通过打洞增加膜通透性实现自 推动转运。 用激光共聚集 . 厄 甲 七 咭 卜 月 . 月 呀 ，j 听j 吞 扣 吐 铆 卜 复旦大学硕士学位论文 教分 析搜术 应用于释土无食幸理的初步 研究 显微法加光切技术等， 推定了跨膜过程中的动态变化， 提出 稀土在各个部位的不 同结合态间的分布。 低剂量长时间经消化道给予稀土， 稀土能进入血流和血细胞 2 4 1稀土 对m y e l o m a ( s p 2 / 0 ) 的 跨 膜 行为 研究 指出 ， 当 浓 度 低于i m m o l/ l 时 并 不能通过细胞膜， 而稀土浓度增大细胞膜受到损坏。y 3 十 对大鼠 嗜铬细胞瘤细胞 的 跨膜行为 特点 是在静息条 件下y 3 + 不能 跨越细胞膜， 但可 经n a / y 3 十 交换机 制 过膜而 进入细胞内2 5 1 。 给兔注射不同 剂量的 稀土后， 经不同时间取血， 用i c p - m s 及n m r均未 发现稀土 进入红细胞 膜2 6 1 。 总之稀土离子 及其化 合物的 跨膜行为复 杂， 由于实验条件、 方法及细胞种类的不同而具有一定的差异， 因而其跨膜行为 及其机理仍需要深入研究。 ( 3 ) 稀土生物效应的小剂量兴奋效应 在研究稀土的生物效应过程中曾发现剂量与效应的关系曲线不同于必需和 有毒金属的曲线， 而在比较窄的低浓度范围内产生一定的刺激作用， 称为兴奋效 应。如当 0 . 0 1 m m o l / l氯化稀土作用于人二倍体细胞，分裂指数及 d n a的合成 均 高 于 对 照 组 3 1 。 给 小鼠 腹 腔 注 射l .o m g / k g 的 柠 檬 酸 稀 土 ， 观 察 到 中 性 多 形 核白 细 胞 吞噬 功能 增强 为 对 照组 的2 .9 倍 2 7 1 ， 对 肌 质网( c a 3 十 + m 扩 十 ) - a t p 酶、 大鼠 血 清中的生长 激素3 1 、 脑组 织中的 胆碱乙 酞化酶亦具 有这种小 剂量兴 奋效应。 但 这些生物效应随着剂量的增大明显受到抑制。 这种兴奋效应的作用机理尚缺少深 入的研究， 特别是小剂量稀土对动物长期的刺激后所产生的后续效应尚不清楚。 ( 4 ) 稀土对不同生物效应的影响 稀土 元素 进 入体内 后， 随 剂量 变 化 对许多 生 物效 应 均 产 生 影响 3 1 。 早 在1 9 9 0 年我国科学工作者已报道了稀土对内 分泌系统的影响。 最近又报道了稀土对肝细 胞环核昔酸的影响、 大白鼠 心 肌动作电 位【2 8 1 以 及对大鼠内 脏组织、 大脑、 肌肉 n o及n o s 活性的影响等。 第四节 本论文研究的焦点 以上三节内容介绍了稀土研究的生物学背景和目 前研究现状， 第一节介绍了 稀土元素的基本物化属性和研究发现的历史; 第二节介绍了稀土元素对植物生长 的宏观促进作用以及对植物作用的生理基础; 第三节介绍了稀土元素对动物生长 月 厄 ， 七 月 白 目 皿 月 呀 ， u 呀翻 目 晚翻 卜1 4 复旦大学硕士学位论文毅分析坟术盛用于舜土无索理的初步研究 的 宏观调节作用， 着重介绍了目 前稀土元素在动物实验中的各种研究和进展， 包 括稀土的毒性作用机理以及进一步的亚细胞层次上的分析。 在动物稀土效应这个 方面现在仍有许多悬而未决的问题，本论文主要关注的是以下两大方面问题: 首先我们关注的是细胞层面上的稀土生物学效应研究。 包括稀土离子能否进 入细胞， 稀土离子是通过何种方式进入细胞的， 不同培养方式下是否会影响稀土 离子进入细胞等等。 稀土元素能否通过细胞膜对于进一步探讨其功能意义至关重 要， 但却长期未决。1 . 3 . 3 ( 2 )中， 详细介绍了目 前学术界的研究，我们将通过 一系列的实验来进行进一步地探讨。 其次， 除了对稀土元素的细胞调控作用进行研究， 在稀土元素的毒理研究方 面，我们以口给灌胃不同浓度的稀土溶液的方式下培养的w i s t a r 大鼠为对象， 研究稀土元素在生物体内各器官间的分布， 以 及摄入的稀土元素与器官内其他元 素的含量之间的相关性。 研究稀土元素通过消化道在生物体内如何分布是非常重 要的，这对于安全使用稀土犹有极其深远的意义。 口 厄， 匕. .日 . 月 阵，呀j 刀 巨口 卜 复旦大学硕士学位论文核介析技术应用于舜土无素奇皿的初步研究 第二章 实验手段:p i x 技术概况 二十世纪六七十年代蓬勃发展的半导体工业中离子注入工艺和各种薄膜技 术的发展，导致以 低能加速器为基础的粒子束分析技术应运而生。质子激发 x 荧光分析方法( p r o t o n i n d u c e d x - r a y e m i s s i o n ，简称 p i x e ) 自 1 9 7 0年 s v e n a . e . j o h a n s s o n等人进行的开创性研究工作以来， 因为具有独特的优越性， 得到 越来越广泛的应用。1 9 7 6年， 在瑞典隆德( l u n d ) 召开了第一届 p 工 x e国际学术讨 论会， 并出 版了 会议专 辑2 9 随 后， 每四 年就召开一次 关于p 工 x e 技术的 最新发展 和应用的国际学术讨论会。 p i x e 在生物学、医学、环境科学、表面科学、材料 科学、 考古学、 法庭科学、 地质学、 冶金学等各个方面应用也越来越成熟。 同时， 在 外 束 技 术 基 础 上 发 展 起 来 了 外 束p i x e 3 o 和p i g e 13 1 ( p r o t o n i n d u c e d g a m m a - r a y e m i s s i o n ) 痕量元素分析技 术; 与p i x e 结合而 产生的 扫描质 子微探针3 2 1 3 3 13 4 技 术。当前我们实验室正在建设一个质子核微探针系统，因为它不仅能象p i x e 分 析一样给出样品中元素的种类和含量的信息; 而且能对样品进行扫描分析， 显示 样品的两维元素分布图像;特别是和位置灵敏谱仪的结合，使能量分辨率比 s i ( l i ) 探测器高1 - 2 个量级， 可以 测量重基体中轻元素， 可进行化学态研究。 而 p 工 x e技术，由于其具有灵敏度高、准确度好、不破坏样品 宏观结构、多元素同 时分析、易于实现自 动化分析等优点， 广泛应用于生物、 医学、 地质、 考古、 环 境、 材料等多个学科领域，目 前仍是一种非常重要的用于元素含量分析的核分析 手段。 第一节 p i x e 基本原理 p 工 x e 分析的 基本原理 3 5 1 是: 当m e v 级 的离子轰击到样品上时， 与样品中原子发 生碰撞， 离子能量不断损失。 在碰撞过程 中，离子会激发样品原子的内壳层电子， 在电子轨道上产生空穴。 原子外壳层电子 寸 图1光电效应、特征x 射钱和 俄歇电 子的发射示意圈 口 匕 甲 眨 月 白 月 . 月 呀 ， 斤j 脚 吸 口 卜 复旦大学硕士学位论文杜介析技术应用于舜土无素夺理岭初步研究 会填补空穴， 释放出俄歇电子或特征x 射线。 探测出射x 射线的能量和强度就可 以确定样品中所含元素的种类和含量。反应过程图如图1 所示。 第二节 实验装置 实验所采用的是复旦大学加速器实验室n e c 9 s d h - 2串列加速器。加速器的 端电压为0 . 3 - 3 . o m v ，加速后的粒子经磁分析器可以分别进入五根不同的管道， 见图2 。本实验采用的是最中间的一根。由加速器产生的质子束在通用 p 工 x e 靶 室轰击靶样品， 利用s i ( l i ) 探测器测得发出的x 射线的能量和数量来决定元素的 种类和含量。得到一个p i x e 能谱， 并利用计算机使用 a x i l 程序对谱图进行处理 和分析。 放置 样品的 靶室 系 统3 6 如 下图3 : 能 量为2 . 0 - 3 . o m e v 的 质子束， 经过 石墨准直器射到靶上， 束点面积可在1 2 -6 0 m m ， 间选择。 准直器前加了厚度为1 1 a 的t i 散射箔，以改善束流的均匀性。为降低本底，靶室外壳用有机玻璃制造， 真空度为1 0 - t o r r o靶室内有四个长条靶架，可装自 制的约 1 0 0 个靶，大大提 高了分析效率。 换靶控制器通过两台步进马达使靶架做垂直移动或转动完成。 靶 子发射的特征 x 射线穿过真空密封窗进入 s i ( l 约探测器，用计算机记录数据。 探测器与束流方向夹角为9 0 0 。探测器前加了有机膜作吸收片，以降低低能韧致 辐射本底。为了兼顾对较轻元素分析的灵敏度，吸收片中间开一小孔。 a lp h a t r os s s our ce arg盯 ham ber b erbe r c ons ol e 图2 n e c 9 s d h - 2 串 列加速器及管道示意图 月 厄 甲 匕 月 . 月 口 月 阵 ， p听翻 脚砚伟 复旦大学硕士学位论文毅分析技术应用于释土无素帝理伯初步研究 图3 p i x e 分析装置示意图 第二节 实验数据处理 2 . 3 . 1 谱的 分析 p i x e 技术诞生3 0 多年来，已 经发展成为一种较为成熟的分析方法。 从一开 始的定性分析的测试， 发展成为一种具有高灵敏度和准确度的定量分析手段， 主 要得益于以 下几个方面工作的进展: 一是激发截面数据精度的提高; 二是对探测 器效率及参数的精确测定;三是p i x e 能谱解谱软件的完善:还有基体效应修正 等计算精度的提高。 p 工 x e 的 应用刺激了p 工 x e 定量分析技术的发展， 反过来p 工 x e 定量分析技术的完善又大大加强了p i x e 技术在其它各领域的广泛应用。 p 工 x e 的高精度定量分析一直是p i x e 技术中的难题。 这是由于由s i ( l i )探 测器得到p 工 x e 能谱非常复杂:一般来说，每个低z 元素贡献大约6 条k x 谱线， 而每个高z 元素则会贡献大约2 0 条谱线，这样一个包含众多元素的样品，如果 考虑逃逸峰 ( e s c a p e p e a k s )和迭加峰 ( p i l e - u p p e a k s ) ，其 p i x e 能谱中可能 . 吐 甲 七 月 白 目 皿 布 呀 ， 翻斤j 吞 加 吸 俘 复旦大学硕士学位论文公分析搜术应用于释土无素李班钧初步研究 会有几百条谱线。 众多的谱线叠加在由 于韧致辐射、 y 射线等构成的边连续本底 上， 困难 又由于探测器的能量分辨率有限， 各元素各谱线间存a叠加， 使得分析非常 本工作采用一款经典的解谱软件a x 工 l 对实验数据谱进行分析处理。关于a x i i 程 序将在下章进行详细介绍。 2 . 3 . 2内标法 p 工 x e 定量分析3 7 有多 种方法， 随 样品而异. 下面就我们实验中 用到的方法加以 简单介绍. 内标法: 须经预处理制成薄靶的样品， 可以加入内 标元素， 用相对的单标 准测定( 常称灵敏度曲 线法) ， 这方法简便、精度也高。计算公式为: w , = 77 , w , n , / n r 式 中 w , w , 分 别 为 靶 中 待 测 元 素 和 内 标 元 素 的 含 量 ， n ;, n : 分 别 为 相 应 元 素 特 征x 射线峰 面积， 11 ,r 为i 元素的 相 对灵敏 度因 子， 它 是由 制 备一组标样靶 测得的。 使用事先确定的该探测系统对各元素的灵敏度因子， 根据上面的公式就可以 得出 其他元素的 含量。77 取决于元素本身特性、 入射质子能量以 及探测器、 质子束和 样品之间几何条件等，测量时的实验条件与校刻时完全相同. 我们通过实验测得 的各元素的灵敏度因子， 然后通过拟合程序进行拟合计算， 得到最终灵敏度因子。 说明一点， 灵敏度因子与灵敏度是两个不同的概念， 探测灵敏度即探测限， 而灵 敏度因子实是薄靶中元素含量的相对测定法中一个比例因子， 其依据是样品中元 素含量与测得该元素特征x 射线峰计数成正比。 一个系统的各元素的灵敏度因子 由该系统的实验条件， 靶室位置， 探测器与薄靶之间的距离， 束流能量等固定因 素 决 定。 因77 ,r 与 实 验 条 件 有关 ， 故 分 析 样品 时的 条 件和 测7/ ,r 时 的 实 验条 件 应 相 同。 忆元素稳定、 不易挥发、 在通常的样品中又不含丫 ， 故常用作内标元素。因 为 灵 敏 度因 子 是随 着原 子 序数 光 滑 变 化的， 若缺 少 某 种 元素的77 ,r ， 则可由内 插 法求得。如果再具体到实际操作，我们可以 再简化一下表达形式:用a x i l 程序 解谱后， 得到扣除本底后的谱线净峰面积计数。 通过确定实验能谱中不同能量处 的峰位和峰面积，可以确定样品中所含有的元素以及他的含量。 月 厄 甲 七 . 七 . 呀，j 踌j 刀 巴 甲 卜 复旦大学硕士学位论文核介析技术应用于释土无索李皿钧白步研究 第三节 测量精度 p i x e 的分析灵敏度与实验条件有关。它对大多数元素 (z 刁2)是很灵敏 的， 相对灵敏度为p p m 量级。 p i x e 分析技术对元素含量的测试精度，因 样品中 元素种类、含量以及具体实验方法的不同会有所差别。综合所有p 丁 x e分析中各 参数的精度，p 工 x e 分析中x 射线产额的计算精度约为2 - 5 % ，当某一元素自身含 量较少， 并且其x 射线在能谱中受到其他元素x 射线强峰的干扰时， 其分析精度 会大大下降。 而在一般情况下，p 工 x e分析技术对元素含量的测试也会受到探测 器、 束流状况、 测量方法等因素的影响， 其测量精度没有绝对统一的数值。 排除 特殊因素的作用， p 工 x e 分析方法的精度一般为3 - 5 % ， 若实验条件的选择不合适， 精度会下降到大约1 0 % 也是正常的。 . 厄 甲 匕 . 卜 月 巨 月 呀 ，p 斤月目 砚口 卜 复旦大学硕士学位论文 核分 析技术 应用于舜土无素帝理场初步研究 第三章 数据处理与统计分析原理 实验测量的x 射线谱储存在计算机中作离线分析， 解谱使用a x i l 1 1 程序以 及自己编译的一套程序，数据的分