Det radioaktive stoffet løses i et løsningsmiddel i et plast tellerør, tilsatt en organisk scintillator. Betapartiklene som sendes ut fra den radioaktive isotopen avgir sin energi til løsningsmiddelmolekylene. Energien overføres fra molekyl til molekyl via kollisjoner med scintillatormolekylene. Det betyr at løsningsmiddelmolekylene må ha et eksitert nivå som ligger høyere enn scintillatormolekylene, samtidig som det eksiterte nivået må ha lang nok levetid til at energien kan overføres. Aromatiske løsnngsmiddelmolekyler som benzen, toluen og xylen har pi-bindinger (π-bindinger) med delokaliserte π-elektroner i karbon-karon-dobbeltbindinger, og energien til det eksiterte molekylet påvirkes av sidekjedene. Benzen med ingen sidekjeder, toluen har en metylgruppe, og xylen har to metylgrupper. Jo flere sidegrupper, desto mindre energisprang er det mellom grunntilstand og eksitert nivå.
En ustabil atomkjerne har et overskudd av protoner eller nøytroner, og vil desintegrere med en viss statistisk sannsynlighet. Betastråling (β-stråling) får vi når et nøytron(n) i atomkjernen blir omdannet til et proton (p+), samt en negativt ladet β-partikkel (elektron) og et antinøytrino (ν-). Antineutrino har liten masse, ingen ladning og beveger seg med stor hastighet
n →p+ + β- + ν-
β-spektret er kontinuerlig fra null energi til en maksimal energiverdi Emax karakteristisk for hver radioaktive isotop. Antineutrino er nødvendig for å kunne forklare restenergien fra utsendelse av en beta-partikkel. Energien angis med måleenheten kiloelektronvolt (keV) eller megaelektronvolt (meV).
Lavest energi har tritium 3H med Emax 18keV og halveringstid t1/2 12.26 år. Deretter følger karbon-14:
14C → 14N + β- (Emax 156 keV, t1/2 5730 år)
35S → 35Cl + β- (Emax 167 keV, t1/2 87.2 dager)
32P → 32S + β- (Emax 1710 keV, t1/2 14.3 dager)
Sannsynligheten for at et en ustabil atomkjerne vil desintegrere per tidsenhet er helt tilfeldig og kan behandles statistisk (Poisson-fordeling for prosesser som skjer tilfeldig i tid eller rom). Måleenheten for radioaktivitet er bequerel (Bq), og 1 Bq betyr 1 desintegrasjon per sekund. Den spesifikke radioaktiviteten angir mengden radioaktive molekyler i forhold til det totale antall molekyler, det vil si inkludert de kalde ikke-radioaktive molekylene fra det samme stoffet. Ved tellingen får man uttrykk for et visst antall tellinger per minutt (cpm, counts per minute). Ved å beregne telleeffektiviteten kan cpm-verdiene omregnes til desintegrasjoner per minutt (dpm- desintegrations per minute). Tellingen følge Poisson-fordeling. Det vil si at standardavviket ved tellingen er angitt med +/- kvadratroten til telletallet.
Scintillasjonsteller
En scintillasjonsteller består av to fotomultiplikatorer som arbeider sammen. Det er bare de scintillasjonene som registreres samtidig av begge fotomultiplikatorene som telles. Lysglimt som skyldes termiske elektroner fra fotokatoden blir derved ikke registrert. De forskjellige isotopene telles i egne tellekanaler med en øvre og nedre diskriminator. Eksitasjonsenergien fra løsningsmiddelmolekylene må overføres til den delen av det elektromagnetiske spektrum hvor fotokatoden er mest følsom. PPO (2,5-difenyloxazol) er en vanlig brukt primær scintillator som gir maksimalt lysutbytte med konsentrasjon i området 4 til 6 gram per liter (g l-1). Imidlertid er lysutbytte maksimalt ved bølgelengde 360 nanometer (nm) hvor fotomultiplikatoren er mindre følsom. Vi bruker derfor en sekundær scintillator POPOP med konsentrasjon 0.1 til 0.3 g l-1, for å flytte fluorescensspekteret til det mest følsomme området for fotokatoden. Andre primære scintillatorer er PPP, PPD, butylPBD og BBOT, og sekundære scintillatorer kan være dimetylPOPOP eller bisMSB. Alle disse har egne absorpsjonsspektre og fluorescensspektre.
Quenching (slukking)
Stoffer eller prosesser som påvirker dannelsen og overføing av lys fra løsningen til fotomultiplikatoren kalles quenching eller slukking. Quenching gir en reduksjon og slukking av intensiteten til scintillasjonen som når fram til fotomultiplikatoren. Dette vil gi en forskyvning av pulshøydespektret mot lavere energi. Det er to hovedtyper quenching:
Fargequenching som skyldes fargete løsninger, hvor spesielt gul farge er mest aktiv.
Kjemisk quenching som påvirker overføring av energi fra de eksiterte løsningsmiddelmolekylene til scintillatoren. Spesielt polare forbindelser og særlig med ketogrupper (–C=O) gir kjemisk quenching. Vi kan korrigere for quenchingen ved forskjellige metoder. Korrigeringen kan skje ved å telle i to tellekanaler A og B, og sette opp forholdet mellom telletallene i disse to kanalene i et prøvekanalforhold, ”sample channels ratio”-metode. Ut fra en standardkurve beregnes så telleeffektiviteten. En annen metode er bruk av en ytre standard. Dette er en radioaktiv isotop i scintillasjonstelleren som sender ut gamma-stråling (γ-stråling), og som plasseres ved siden av prøven i en periode etter at den ordinære tellingen er utført. Gammastrålingen produserer frie Compton-elektroner i scintillatoren. Pulshøydespektret forskyves mot lavere verdier, og ved å telle i to kanaler kan vi få et forhold som angir telleeffektiviten via en standardkurve.
Hvis scintillasjonsvæsken inneholder et organisk løsningsmiddel som ikke er blandbart med vann vil man få to faser hvis prøven inneholder vann. Problemet kan omgås ved å bruke en tilsetning av detergenten Triton-X100 i en bestemt konsentrasjon.
Cerenkovtelling
Cerenkov-telling brukes til å telle kraftigere β-emittere som fosforisotopen P-32 (32P). Den radioaktive fosforisotopen kan da løses direkte i vann, det vil si uten toluen, og uten primær og sekundær scintillator. β-partiklene beveger seg raskere enn lyset i vann, og lager lyssjokkbølger som kan telles ved å sette scintillasjonstelleren i tritium-tellekanalene. I vakuum kan ingenting bevege seg raskere enn i lyset, men i en vannløsning gjelder ikke dette.
Autoradiografi
Røntgenfilm består av en strålingsfølsom emulsjon (krystaller av sølvhalider) og et støttemateriale laget av gelatin. Strålingsenergien absorberes av sølhalidkornene. I fluorografi anvendes i tillegg en scintillator (PPO), og for 32-P brukes en intensitetsskjerm.
Anbefalte betingelser for optimal følsomhet for eksponering av forskjellige radioisotoper:
3H: Fluorografi, -70oC, røntgenfilm følsom for UV/blå
14C og 35S: Fluorografi, -70oC, røntgenfilm følsom for UV/blå
14C og 35S: Direkte, 20oC, røntgenfilm ”high-speed”
32P: Direkte, 20oC røntgenfil ”high-speed”
32P: Intensitetsskjerm, -70oC, røntgenfilm følsom for UV/blå.
Med den radioaktive isotopen karbon-14 kunne Ruben og Kamen, og seinere Calvin, Bassham og medarbeidere identifisere hvordan fikseringen og omsetningen av karbondioksid skjer i fotosyntesen hos planter, først påvist hos grønnalger. Calvin og medarbeidere anvendte todimensjonal papirkromatografering og autoradiografi.
Tekst til hovedfagskurset BB351 ved Botanisk laboratorium, UiO (HAa/1989).