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原子の同位体の中にエネルギー的な不安定なものがあります。不安定な同位体は放射線(α,β,γ線など)を出してエネルギー的に安定な核種へ変わろうとします。原子核自ら放射線を出すこの性質を放射能といいます。放射能を持つ同位体を放射性同位体と言い、その核種を放射性核種といいます。 原子の同位体の中にエネルギー的な不安定なものがあります。不安定な同位体は放射線(α,β,γ線など)を出してエネルギー的に安定な核種へ変わろうとします。原子核自ら放射線を出すこの性質を放射能といいます。放射能を持つ同位体を放射性同位体と言い、その核種を放射性核種といいます。

 放射線にはアルファー線、ベーター線、ガンマ線、中性子線があります 

 アルファー線(α線)は正の電荷を持ったヘリウムであります。ベーター線(β線)は負の電荷を持った電子の流れ(電子の流れは電流を形成しますので、電流と同じ)であります。ガンマー線〈γ線〉は電磁波で、光と同じでありますが、波長が可視光より短く強いエネルギーを持ち、非常に透過していきますが、鉛板で止められます。中性子線は質量1の中性子の粒子線で、γ線よりも強くあらゆるものを透過します。

 α、β、γ線について表1にまとめました。


表1 放射線の性質

放射線本体 透過力
αHe2+
イオン化したヘリウム原子核
非常に弱い
空気中数cm
体内1mm
βe-
電子
弱い
γ電磁波
非常に強い光線
強い
中性子粒子線 非常に強い

 表1に示しましたように放射性核種はα、βの放出にともなって、核種が新しい原子核に変わります。


 放射性の核種が放射線を出して、親核種から娘核種に崩壊していきます。崩壊速度は、原子数Nに比例する一次反応であります。

                    -dN/dt=λN      1)

 -dN/dtは-⊿N/⊿tの表現と同じで、時間(t)当りの原子数(N)の減少量は、崩壊定数(λ、ラムダ)とNに依存します。

 最初の原子数をN0とすると

                    lnN0-lnN=λt     2)

 ここでlnとは自然対数の記号です。

 N0がN0/2まで崩壊する時間を半減期(τ、タウ)とすると、

                     τ=0.693/λ      3)

 半減期はその核種に特有な値であり、トリチウムはβ線を放出し12年間、ヨウ素131 はβ線、γ線を放出し8日間で半分になる。ヨウ素 は甲状腺ガンの一因であります。

 ヨウ素の崩壊による放射線の減少には、10分の1になるのに、ほぼ1か月かかります。

 ヨウ素131は、崩壊により減少していくが、半減期8日でありますので、8日経過するとヨウ素の放射線量が半分になり、さらに8日経過すると元の4分の1になります。24日目では8分の1になります。このようにすぐに減少するのでなく、10分の1になるには1か月近く(26.6日)要することになります。

 例として図1(a),(b)にセシウムとヨウ素の経過時間と放射線量の減少の関係を示しました。図では初期の放射線量を100として表わしてあります。図からわかりますように、セシウムは半減期が30年なので、放射線量が半分になるには30年、ヨウ素は半減期が8日なので、放射線量が半分になるには8日かかります。セシウムは半減期が長いので、放射線量が10分の1になるには約100年(99.7年)かかります。

図1(a) セシウムの時間経過に対する放射線量の減少

図1(b) ヨウ素の時間経過に対する放射線量の減少

                  表2 おもな放射線同位元素

元素核種放射線種半減期コメント
水素3重水素(トリチウム)β線12年
炭素炭素14β線5730年年代測定に使用
リンリン32β線14日
コバルトコバルト60β線5年
ヨウ素ヨウ素131β線8日原子力発電所
(甲状腺ガンを引き起こす)
ウランウラン235
ウラン238
α線γ線
α線
7.1×10^8年
4.5×10^9年
原子力発電所
(ウラン235は、広島の原爆で
使用された)
プルトニウムプルトニウム239α線γ線24400年原子力発電所(非常に強い毒性)
(長崎の原爆で使用された)
セシウムセシウム137γ線30年原子力発電所 
(筋肉中に分散)


 原子が1個崩壊するごとに一回放射線が出るので、崩壊速度は単位時間当たりの放射線の量でもあります。放射能のSI単位はベクレル(Bq)であり1ベクレルは1dps(毎秒当りの壊変disintegrations per second)であります。ラジウム1gの放射線にほぼあたる7.1×1010dpsを1単位としたキュリー(Ci)も用いられます。

 電離放射線が生体組織に影響を与える単位として、組織の吸収するエネルギー量を用います。生体組織1kgあたり1ジュール(0.239カロリー)の加熱を生じる放射線量を1グレイ(1Gy)とします。また各放射線(α、β、γ、エックス線など)が生体に及ぼす影響を放射線の線種によらずあらわす単位をシーベルト(Sv)で示します。4.5Sv浴びるとヒトの50%が死亡すると想定されます。

 1Gyは1Svに相当するとみなされています。なお放射線の量は、積分(その時間中に受けた放射線の量をたし算する)で示します。1時間に受けた放射線量(Sv/h)、1年間に被曝した放射線量(Sv/年)などで示します。

 一般の人は宇宙からの放射線を年間に約1mSv/年(1ミリシーベルト/年、1mSv=(1/1000)Sv)受けています。

                表3 線量の単位

単位名 記号コメント
照射線量クーロン/キログラムC/kg空気中に1クーロンのイオンを作るγ線あるいはX 線の量
レントゲンR1C/kg=3.876R
吸収線量グレイGy1kgあたり1ジュールのエネルギーの吸収があるときの線量
ラドrad1Gy=100rad
線量当量シーベルトSv生体への影響を表す単位
(吸収線量)×(線質係数)×(修正係数)
レムrem1Sv=100rem

放射線の強さの単位のまとめ

1ベクレル(1Bq)=1秒間に1回放射線が出ます。時間当たりの強さを示します。

1グレイ (1Gy)=生体組織 1kgあたり1ジュールは発熱を与えます。

              1ジュール=0.239カロリー

1シーベルト=1グレイ  γ線及びβ線については、線質係数(Q, 放射線による生体への影響の係数)が等しく、Q=1でありますので、Sv単位とGy単位は等しくなります。

20シーベルト=1グレイ アルファー線

α線などの荷電粒子は生体へ大きな影響を有するので、線質係数が20以上となり、同一Gyでも大きなSv値を与えます。

単位換算

1シーベルト=1000ミリシーベルト=1,000,000マイクロシーベルト

生命とのかかわり

○4.5シーベルト   

50%の人が死亡する。


○自然からの放射線 

 ヒトが年間被ばくする量は、日本では年間1.4ミリシーベルト、世界では2.4ミリシーベルトとされています。世界の年間の自然放射線量 2.4ミリシーベルトの内訳は、宇宙から 0.38mSv, 大地から 0.46mSv, 吸気中のラドンガスなどから 1.33mSv, 食物から 0.23mSvとされています(1988,1993年国連科学委員会、放射線科学センター)。

○子供の放射線感受性 

 一般的に子供は成人よりも放射線感受性が高いので、放射線被ばく線量は十分注意する必要があります。理由は小児の臓器の細胞分裂速度が速い、生存期間が成人よりも長い、遺伝的に有意な期間が成人に比べて長いことによります。

○放射性元素

 ヨウ素―131 

 呼吸や食品(野菜、牛乳など)からヨウ素―131が生体に吸収されたとき、10~30%は甲状腺に24時間以内に濃縮されます。これはヨウ素が甲状腺ホルモンの構成要素であるために集まってくるからです。この傾向は成人より幼児において強くあらわれます。また、放射性ヨウ素が甲状腺に集積することで甲状腺がんを生じる可能性があります。この対処法として、ヨウ化ナトリウムやヨウ化カリウムを製剤化した安定化ヨウ素剤を服用します。放射性ヨウ素が体内に摂取されてから8時間以内に安定化ヨウ素剤を服用すると、放射性ヨウ素の甲状腺への集積を約40%抑制することが期待できます。なお、日本人は日常生活でコンブなどの海草を食べることが多く、ヨウ素を摂取する頻度が高いため、放射性ヨウ素が希釈されることが知られています。

 放射性セシウム 

 ウランやプルトニウムの核分裂によって作られた放射性セシウムは人体に吸収されたのち、血液によってまんべんなく人体に分布しその後、筋肉部分に集まります。半減期が30年と長いので、注意が必要です。なお、ヒトの体内の代謝や生命活動によって、体外に排出されるが、成人男性で半減するのに110日間かかるとの見方もあります。(放射線と人体、福利他、研成社、1999)

 ウラン 

 ウランが人体にとりこまれると白血病を引きおこすとされています。ウランには同位体が3つ存在し、ウラン238が地球上に最も多く存在する同位体(存在比が99.275%)であり、次に多い同位体はウラン235(存在比0.72%)である。原子力発電に用いられるのはウラン235であるが、存在比が小さいためウラン235を濃縮して使用します。

 プルトニウム 

非常に毒性が強く、製造工程などでの吸引による生命への障害が伝えられています。日本ではMOX燃料(混合酸化物燃料)として原子力発電所(福島第一原子力発電所3号機)で使用されていました。MOX燃料とは、ウランとプルトニウムの酸化物から構成される燃料で、プルトニウム濃度は4~9%程度です。

<単一細胞>

細胞培養にへの工学的なアプローチが求められる時代になっております。
細胞への成長への環境を整えることや、細胞の動きを動的に観察して細胞からの情報を得ること、
細胞の成長の環境を整えることや、細胞への動きを動的に観察し細胞からの情報をえること
細胞融合の際の環境を、細胞増殖の際の環境などに現代科学への手法が適用されることが
求められています。






<電気浸透流>

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・再生をしてダブルクリックすると拡大します。(終了する場合は、ダブルクリックをして下さい。)

 

<圧力差流によるプロファイル>

 <薄層クロマトグラフィによるインクとマジックペンの色成分の分離>


薄層板とは、ガラス版やプラスチック板に吸着剤シリカゲルの粉を塗布しています。

この薄層版の下部にインクやマジックペンのカラー成分をスポットします。

展開液は、薄層板を下から上に毛管現象により、登って行きます。この時に薄層下部にスポット
した色成分も展開液により、上昇して移行します。

展開液と吸着剤の間を色成分は移動して吸着剤についたときは止まり、展開液の中にいるとき
は上昇して移動します。これによってカラー成分がもとのよい調合された色成分へと分かれます。

細胞取扱いに関する弊社の技術


細胞培養への工学的なアプローチが求められる時代になっております。

細胞の成長の環境を整えることや、細胞の動きを動的に観察し細胞からの情報を得ること、細胞融合の際の環境、細胞増殖の際の環境などに現代科学の手法が適用されることが求められています。

A. 弊社のこれまでの細胞に関する経験を紹介し、これからの細胞培養等の技術展開の参考にしていただければ幸いです。

1.キャピラリー電気泳動による赤血球のシングルセルレベルでの分離

  ヒトの赤血球は、脊髄で作られ時間がたつと死滅していきます。すなわち血液中の赤血球は、若い血球と古い血球が混在しています。これらは赤血球膜表面の電荷の状態にも反映します。装置はキャピラリーカラム(内径50マイクロメートル、有効長 20mm)中に赤血球を注入し、電場下での赤血球の移動を見ますと分布のあるパターンになります(下図参照)。すなわち電気移動度の異なった個々の血球に分散していることが分かります。本方法により、血球の個々の移動度と全体の分散が求められます(1)。

 A:キャピラリー管、C:マイクロスコープ

.赤血球を充填剤として詰めたキャピラリーカラムを作成し、このカラムを用いてピリドキサミンやセロトニンが赤血球の膜を経由して赤血球内部にいたり別の化合物に変化するのを見出しました。赤血球のカラム(下図参照 サイズA, カラムB)は赤い色をして,作成後電場下では約一時間は安定しており、この間に実験を実施しました。電場を印加しない時は23日安定でした。赤血球カラムの試みは、細胞の群としての挙動を検討する一つの手段として成り立ちます(2)

1:赤血球カラム、4:アガロースゲル(キャップ)

3. 糖尿病疾患の血液細胞の電気泳動分布と疾病の重症度との関連

血球の個々の細胞の電気泳動を調べその分布と重症度との関連を調べました。疾病の及ぼす影響が個々の赤血球の電気移動度に反映され、また移動速度分布に反映されていることが分かりました。小型のキャピラリーカラムを用い、細胞を光学的に測定してカウントします(3)

4.赤血球の一細胞の膜の溶解を、顕微鏡下で溶解液の流れの中で観察した。溶解液として0.03%の過酸化水素を含む生理食塩水を電気浸透流で細胞に導き、細胞膜の溶解のプロセスを1000倍の顕微鏡で一個のセルごとに観察した。溶解には約400秒の時間を要ました。膜が損傷し形態が変化し、次いで細胞内液が流出するのが観察できた(4)。

個々の赤血球についての光の透過率の変化

. 無重力下での赤血球の電気移動度は、1G(地上)での電気移動度より約30%高い値を示しました。これは細胞の無重力下でのフローティングによる影響と思われます。装置は非常に小型のセル泳動装置を作成し、1000倍の画像で細胞の挙動を捉えました。実験は飛行機のパラボリックフライトによる無重力時の環境下で測定しています(5)。

6.細胞の表面の電荷を利用して、血液判定を試みました。すなわち赤血球は表面電荷がプラスで、血漿はマイナスまたは中性の電荷を有しますので、両者はキャピラリー管中で互いに出会うことができます。この血漿が赤血球と異なるタイプである時血球の凝集が観察できます。血液型判定が微小空間で可能となります。装置は10mmのキャピラリー管(内径50マイクロメートル)とCCDカメラで構成しました(6)。

7.単一細胞のマニピュレィションを行いました
神経芽細胞一個をガラス製のキャピラリー管内部に取り込む方法として、培養液がキャピリー管内部に入り込まない方法を提案した。キャピラリー内部から常に新鮮な液を電気浸透流により培地に注ぎながら、その流れに抗して細胞をキャピラリー内部へ洗浄しながら細胞を取り込むことが出来ます。この原理は細胞表面が正電荷を持っていること、キャピラリー管内部が負の電荷を持っていることの利用で実現できます(7)。

. 極微量インジェクターの製作

一細胞の内溶液や極微小領域の溶液を採集して、局所の情報を得ることが細胞を取り扱うには重要な事柄です。今まで液体クロマトグラフィーにおける注入方法はサブマイクロリットルが限界でした。ローター内部の試料を採集する小さな穴の製作に限界がありました。この穴にキャピラリー管を埋めこむことにより20ナノリットルのインジェクターが開発できました。タンパクの測定などマイクロからナノ液体クロマトグラフィー領域における唯一のインジェクターを作成できました。

. 小さなクロマトグラフシステムを顕微鏡ステージ上に構築

 極微量の資料の取り扱いには、非常に小さなクロマトグラフシステムが必須となる。特に一細胞の取り扱いを目指して、顕微鏡のステージ上にクロマトグラフシステムを構築しました。

B.これからの細胞培養への工学的なアプローチにおいて弊社の技術的な視点

培養細胞のセル内での増殖を図るには、セル内の環境の維持、クリーン化、自動的な保障システムの構築など様々な生命維持の観点からの工夫が必要になります。

 システムには、微小なセンサーが必要とされます。

また新しい工夫や視点を変えた工夫などが必要です。 小型の電導度システム、溶液の流れを感知するシステム、pH測定システム、培地の健康状態を検知するシステム、培地自体の検知系や間接的に培地からの発生ガスの検知システムが必要になるでしょう。 これらの技術はミクロ化を追求してきました弊社の経験がお役に立てると考えております。

 また香り、匂い、臭いが生命体の健康状態を反映しますので、培地の匂い検知システムに長年にわたってヒトの匂い、香りを検討してきた弊社の技術が貢献できると考えております。

文献

(1)Analytical Sciences, 16, 847-850, 2000

(2) Analytical Sciences, 21, 453-456 (2005.

(3ELECTROPHORESIS, 20: 2560–2565, 1999

(4) Chromatography, 23, 33-38,2002

(5)Electrophoresis, 13, 2035-2039, 2002

(6)分析化学、47 355-3591998

(7)Electrophoresis, 16, 1364-1368,1995

(8)Analytical Chemistry, 75, 3929-33, 2003.

(9)Chapter 9, Electrokinetic Phenomena: Principles and Applications in Analytical Chemistry and Microchip Technology, Marcel Dekker, 2004.

 
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