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Einige chemisch-biologische Anwendungen der schnellen Neutronen und der knstlich radioaktiven Stoffe.

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ANGEWANDTE CHEMIE
54.Jahrgang. Nr. 4 1 / 4 2 , Seiten 437-452,
11. O k z o b e r 1 9 4 1
Einige chemisch~biologischeAnwendungen der schnellen Neutronen und der kiinstlich
radioaktiven Stoffe*)
V o n N . W . T I M O F e E F F - R E S S O V S K Y . Genetiscke A b t e i l u n g d e s K a i s e r - W i l h e l m - I n s t i t u t s i n B e r l i n - R u c h
D
Einleitung .
ie im Laufe der letzten 5-6 Jahre entwickelten leistungsfahigen Neutronengeneratoren haben es ernioglicht, da13
die Neutronen heute nicht nur in kernphysikalischen Versuchen,
sondern auch verschiedentlich in Chemie und Bidogie mit
Erfolg angewendet werden konnen ; besonders interessante
Moglichkeiten ergeben sich dabei aus der Anwendung der
Indicatormethode mit durch Neutronenbestrahlung auf den1
Wege der Atomanderung bzw. -zertriimmerung erzeugten
kiinstlich-radioaktiven Isotopen. Es sollen hier solche Anwendungen im allgemeinen und einige konkrete Beispiele auf
diesem Gebiete schon geleisteter Arbeit kurz dargestellt werden .
Die Neutronen sind Teilchen von dcr Masse eines Wasserstoffatoiukerns (Protons), tragen aber iin Gegensatz zu letzterein keine
Allb. 1. Ansicht des Neutronengenerators nach A . Bouwers, F . A . Heijn
u. A . Kuntke mit horizontaler Anordnung der Neutrorienrijhrc.
[.inks die H~,chspai~niiiigSquellefiir dss Gnnentladnugsrohr; reclits i l i ~ v o ndie Neiitrniii,nrijhre niit deni linkeii, ilns Entladungsrohr enthaltendcn positivcn Teil, iler greralt.t,rti
Mittelwand u i u l Clem rechten, negativen Teil, der d;ts Target mit Litiiiuin enth%lt.
Ladung, was auch den AnlaR zur Bezeichnung ,,Neutronen" bildete.
Die Neutronen komnien als solche normalerweise nicht frei vor,
sondern nur zummnien mit Protonen, mit denen sie die Atomkerne
der chemischen Elemente aufbauen. Zur Erzeugung freier Neutronen
rniissen deshalb Atomkerne zertrumrnert oder wenigstens die Neutrorien ails ihnen abgespalten werden. Die dazu benotigten Geschosse
hoher Energie stehen uns in der Form der oon radioaktiven Stoffen
ausgesandten a-Teilchen zur Verfiigung oder konnen niittels
holier elektrischer Spannungen aus leichten Ionen erzeugt werden.
L4~1fden1 ersteii Wege erhalt man sog. ,,natiirliche N e u t r o n e i i p r a p a r a t e " ; fur den zweiten benotifit man sog. ,,kiinstliche N e u tronengeneratoren".
Mischt man z. B. Radium mit Beryllium, so wird das Beryllium
(Re) durch BeschieRen mit a-Teilchen ( a ) in Kohlenstoff (C)
verwandelt, wobei Neutronen (n) abgespalten werden :
Be + a -+ C
+
Noch haufiger wird an Stelle von Beryllium das noch leichtere Metall
Lithium (Li) verwendet, das durch DeuteronenbeschuR (d) in Helium
(He) und Neutronen (n) aufgespalten wird:
1,i + d --f 2He
n.
+
Kiiiistliche Neutronenquellen kiinnen bei Verwendung entsprechend
leistungsfahiger Apparaturen und hoher Spannungen rnehrere
huutlert- bis tausendmal starker als die starksten natiirlichen Radiuni-
Abb. 2. Teilansicht des Neutronengenerators.
Im Hintergrunrl reciits die negative ~ F o c h s p a n n u n ~ q u r l fiir
l e : N O ()(XI Y ; v~irii1i11h.;( I i v
gerrdete Mit,lelwt~ndder Neutronenriihre niit P n n q - nnrl hlt,Ugar;it,cii; v(ir11 rwlitq 11e.r
negntive Targetteil i l e r iientroneiiri~liru.
Bervlliun-Pra~arate in bezun auf Neutronenerzeununn sein. In
Abd. 1 und 2 kt die von uns benutzte, nach dein Prinzip>on A.Bou.wers, F . A . Heijn und A . Kuntke (Philips Bindhoven) von der Firma
C. H. F. Miiller, Hamburg, erbaute Apparatur dargestellt; Abb. 3
zeigt ein Schema des Neutronenrohres. Das Entladerohr arbeitet
mit etwa 40000 V Betriebsspaunung, die gebildeten Deuteronen
werden niit Spannungen bis zu 600000 V beschleunigt, wonach sir
+ n.
Solche natiirlichen Neutronenpriiparate sind, wegen der uur geringeu
zur Verfiigung stehenden Radiutiinienge, recht schwach ; groRere
Neutronentnengen konnen cleshalb uur auf ,,kiinstliche~n"Wege
erzeugt werden.
Als ,,kiinstliche" Geschosse konimen fur die Neutronenerzeugutlg
vorzugsweise die Ionen des schweren Wasserstoffs (Deuteronen) i n
Betracht, die man iii einer geeigneten Apparatur durch Gaseritladung
Angewandle Chemie
54. Jahrg. 1941. N r . .11/42
erzeugt. Diese Deuteronen setzt man dann eineni durch Hochspannung erzeugten starken elektrischen Felde aus, wobei sie eine
erhebliche Bewegungsenergie erhalten; mit dieser prallen sie aiii Ende
ihres Weges auf ein geeignetes Material, das sie unter Neutronenabspaltung zertriirnmern. So wird z. B. das Beryllium (Be) durch
Deuteronen (d) untcr Abspaltung von Neutronen (n) in Bor ( B )
verwandelt :
Be + d - t B
n.
Abb. 3 . Schernatischer Sclinitt durch die Neutronenrolire.
Xllstronlstellc des scliweren LVassrrP
~TakuierliiJ~~stutzeii ~11.1'
iT;icI~
beschleui1iguiigsr0i~r~
;
stoffu zu dein ~asentl;i,ilitigsroI,r;
zur
ilrr Itlek+,r,,,lel, 1'11 Der linke und reclite ' C r i l clar N ; I C . I L beschleuniguiigsrolir~;
des Gasentlailnngsroliis ;
'1 T:arget niit Lithium;
fT Hnhn Tor ileni 'Cwget;
V Ventil ziir Ilegelutig clw X i i s I n , i t ~ >
01 Olkiililung;
~ 0 1 1 r)mt.rriinIi.
I)ie linke Elrkt,roilc ist positiv (his z u 4 YO0 kV Spsiinung), die niittlerr i
ii11.1 die rechte ist negativ (bis zu -300 kV Spnnnung).
(Aus Borti, Tirno/dt?/f-Rrs.rocsl.y11. Zinimer, 1941.)
,;
43 7
ouf ein Target (= Auffaiigplatte) iiiit Litliiuin aiifpralleii und clort
Neutronen frei iiiacheiil).
Die Nrutroiien liabeii folgciidc fur ilirc Aiiweiiduiigrn wichtige
Eigeuschftcn. 8ie sind elektriscli uiigcladen iiiid haheii e t w a dic
,1Iassc eincs Protons. Sic hesitzeri a k r daiiebrn eiiie bctrachtliclic
Beweguiigseiiergie, die sie beini Aufsyalteii der Atoinkerne gewinneii ;
z. I%. ktragt bei cler von uns beiiiitzteii Li + d-Reaktioii die Energie
cler Neutronen iiii Durchschnitt 4 Mio. Elektronvolt. wihrend die
schnellsten 13 No. Elektronvolt erreiclien. Die hohe Eiiergie. zusaiiiiiieii iiiit der elektrischeii Neutralitat, befaliigt die Neutroneii
zu deli zwei folgenden wichtigen Wirkungen: 1. Eiiidringcu in iiiid
Reaktionen iiiit antlereii Atoiiikernen, woki als Ergebiiis oft solche
cntstehen. dic instabil sind iiiid unter Abspaltiiiig von Teilchen in
andere iibergelicn. dic ,,k ii iist lic h r adi oa k t i v en 1sot ope" ;
2. ubertraguiig erheblicher Eiicrgiektrap auf riiheiide leiclitc
Atoinkerne bei Zusaiiiiiieiistolkii : dic aiif diese Wcise weggcstolleiien Atoiiikeriie. (lie iiii Gegensatz zu den Neutronen elcktrisch gelaclen sind. koniien d a m ihrersrits Wirkiingen hervorbringeii.
E'iir die uiis liier aiti iiieisten interessierenden biologisclien Wirkiingeii
sind die sog. RiickstoBprototien ani wichtigsten; sic rntsteheii,
wenn ein sclinellrs Neutron gegeii \\.'asscrstalfntoniktrne stiiBt.
Unmittelbare biologische Anwendungen der Neutronenstrahlung.
Die Neutroiienstrahlung kann zuiiachst als Solche in
einigen biologischen (mid u. iJ. auch photoclielllisclien) Versuclieii angeweiidet werden, u. zw. vor allerii iiberall dort. wo
es auf dichtionisiereiide und dabei in die Stoffe leicht eindringende Strahlung aiikoiiunt.
Dies geliiigt den Neutronen iiifolge ilirer ,,Neutralitat" ;
sie h a k n aber selbst keine neiiiienswerte biologische Wirkung.
da sie als ungeladene Teilchen utiterwegs nicht ionisieren
koiinen. Ihre biologisclie Wirkung beruht auf den erwahnten
RiickstoBprotonen, die in wasserstoffhaltigem Material (wie
es clie Gewebe shiitlicher Organisiiien sind) durch Neutronen
erzeugt werden. Die rasch sicli bewegeliden RiickstoBprotonen
rufen iiii Gewek Iaiigs ihrer Bahn Ionisationen anderer Atome
in selir dichter Folge hervor; die Ionisationsdichte I h g s der
Bahii eines Riickstofiprotons niihert sicli der eines a-Teilchens
und ist weseiitlicli holier als diejenige l h g s der B a h e n der
Sekundiirelektroiien auch sehr weicher Roiitgenstrdilen und
der verschiedeiieti p-Stralilutigeii.
Die Neutrotietistrahlutig bietet soiiut eiiie Miiglichkeit, in
tieferen Cewebeschicliteii diclitioiiisierende Strahlung zu erzeugen, was soiist auf Schwierigkeiteii stofit, da z. B. die
a-Teilchen (utid aiicli Protoiien, falls iimi sie von au&n applizieren wiirde) schoii in diinneii Gewebeschichten schnell absorbiert werden uiid deslialb in die Tiefe des Objektes gar
nicht einziidringeii verniogeii. Itiwieweit nun eine derartige
Stralllung in hiologisclieii bzw. therapeutisclien Versuchen
von Interesse oder Bedeutung ist, Jiaiigt ganz voii dem betreffetideii s t r a h 1e ii hi o 1og i sc h e ii P r i iii a r v o r g a ii g ab.
Erfordert die entsprecliencJe biologische Reaktionseinlieit (z. B. die Totuiig bzw. Atidermig einer tioriiialen oder
patliologisch entarteteii Zellej weiiig Energie, also wenige
Ionisatioiieii innerlialb des subiiiiliroskopisch kleineii ,,enip f i ti d I i c he t i Vol u
iiieiis"
ocler des
, , ' h e f f berei cli es",
6
~
5
.sotiiufi die Wirksamkeit der cliclit ionisierencleii Strahlun(2. B. d e Riick~
stofiprototien) bei
gleichen Dosen geringer seiii als die
der weniger dicht
iotiisierendcn (z. B.
Rotitgenstralilen).
Eixi solclier Fall liegt
k i cler Erzeugung
Do*rinr
voii Mutationen(ErbAbb. 4. Auslosiiiigen geschlechtsgebundener hdemngeii)
durcl,
JIutatioiieii bei Drosophila iiielanogaster Rontgeii- 'Ind
durcli Iquiralente Dosen voii Roiitgenuiid NeutroiienLwstrahluii~.
troiietibestralilung
(?Iwli Tinio/&//-Rrmovahy 11. Zirnnrer. I!*s.)
vor (Abb. 4). Bei an-
deren bioiogischen Strahlenreakdoneii, die vie1 Jhrgie
je Reaktionseinheit (also mehrere Ionisationen pro Treffbereich) erfordern. kann sich die relative Wirksamkeit cler
clicht uiid weniger diclit ioiiisierenden Strahluigen umgekehrt verhalten. Drei verscliiedene diesbeziiglicb untersuchte Falle sind in Tab. 1 angefiihrt. Viele solche Ver,
T a b r l l e 1.
Verglelch der Veniichncrgebnlrre inlt der treflertbeoretlrehcn Emnrtung
bezUilloh der Verh&llnlrre n,lDn. dcr Rbntgenrtrahl-(D,) und Neutronendurcn I$,). dle glelclie blologlrche W r k u n g e n erzeuicn.
(Nnch tinuiier 1938.)
I)nnuphiln, IiitaLinnurciqloRllng
. . . . . . .. .
.
I)
Lwr ~eutroiiengeueraIur u'iinle iiiid finuiidlia!hcrwoisc 4iin.h olie Auc~rgf~lLieh;dl
A.-G., Berlin. iuiL deren wiweiiwhnftlirhrii LaboraLorieu wir iii Zus;uiiiiiciimrbciL
:iiifgvlxiut.; zii Iwmiercni
stnhcii, ziir Ynrfiipig p s t e l l t uirl in UII~ICIII 1,~iIwr~f~~riitiii
I h i i k fiir wn.r'ullo . \ n ~ u n p niiirl Hilfe riiid wir den 1)irektomii tlrrm Dr. P. .If.
Il'oI/ rim Jer Iki4icilnCiu:heii Ahwiliiiig un4 Hrrrii Dr. X. II'. Rfdd run der \ViNunsr?IiafLlic*lrii H;mptnIelle &r Aiierpellschnff n*rpfliclituI. Eiii Tril &r VCRU~IN!
win1 4imn*li nlic lkutrchr Y i , ~ . I i i i i i ~ i i i ~ i n ~ . l i :hzw.
l ( t aliirrh 413s RFirhs;iiut fiir
\ ~ i r I ~ . l , ~ , f t ~ ~ , i iulihmIiif.zt.
~l,;,ii
43 8
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(1.1;
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2.i
- :.-I
1
Timol&//
11.
Zinunrr
tirkle 11. Mitnrb.
l i r k k 11. Uitwh.
suche sind noch nicht abgeschlossen oder m a t e n erst durchgefiihrt werden, bevor die R a g e nach der Bedeutung der unrnittelbaren Neutronenbestrahlurig, vor allem in der Strahlentlierapie, als endgultig geklwt angeselien werden kann. Aus
einigen amerikanischeii Versuchen scheint hervorzugehen.
daB das Tiiiiiorgewebe durch Neutroneiibestrahlung relativ
starker als durch Rontgenbestralilung im Vergleich zum noriiialeii angegriffen wird; sollte sicli dies bestatigeii, so konnte
die Neutroiieiibestraliluiig in Zukunft g r o k therapeutische
Bedeutung gewiniieii.
Zunachst aber niii.ssen auf dieseni Gebiet noch weitere
Versuche durchgefiilirt werden. Und es iniissen auch die Neutronengeneratoren hoher Leistung fur Dauerbetrieb noch
weiter vervollkonirnnet werden.
Einige Anwendungen der Indicatormethode.
Vie1 wichtiger ist heute eine andere, iridirekte Anwendung
der Neutronenstrahlung. die I n d i c a t o r m e t h ode. Sie krulit
auf cler Verwendung kiinstlich-radioaktiver Isotope, die man
durch Neutronenbeschufi gewinnen und iiut Hilfe geeigneter
Zahlrohre sehr genau verfolgen und inesseii kain. Da die
-
-
I I I
Pterir longifolia, Zellteiluiyilluniiiiung . .
\Vvir*nkeiinlinge, Wnrh*tciii~hriiiniiiii~. .
b
b b
toaiwm
.may
Abb. 5 .
Sclinltbild einer Zahlrohraiiorilnung iiiit Yerstarker
1
aiitoiiiatisch
registrierencleiii ZUiI\vcrk.
(his
Born
11.
iiiicl
Zinunw, 1 D m )
relativ kurzlebigen radioaktiven Isotope schon in seJir geringen Mengen genau geniesen werden kiitinen. so ergibt sicli
dadurch die Moglichkeit. die betreffenclen Elemente bzw.
Stoffe fiir leichtere Feststellbarkeit zu ,.niarkieren". Abb. 5
zeigt die von uns benutzte ZiMrohranordiiung niit Verstarker
wid aiitoiiiatisch registrierendeni Zahlwerk. Bei Zusainmeiistokii iiiit Atomen greifen die Neutronen. (la sie ja keine elektrische Ladung trageii, lecliglich clie direkt getroffenen Atonikeriie an. Dabei entstelieti aus den getroffenen Atomen entweder radioaktive Isotope desselbeii Elements ader aucli
radioaktive Isotope aiiderer Eleniente, die aber dem bestralilten iin Periodischeii System direkt lwtiaclibart sind. J e
kiirzer dabei die Halhwertszeit des radio.dctiven Isotops ist.
desto geringere Meiigen dieses Isotops bzw. cles ihn enthaltenden
Stoffes konnen niittels Ziililrolir einwaiidfrei festgestellt werderi
(wegen der grokren StoJ3zahl je Zeiteiiiheit); diese Regel gilt
aber selbstversthdlich nur bis zii gewisseii Crenzen. da bei
iiii Vergleich ziir Versuchsdauer zu kurzeti Halbwertszeiten
nacli Ablauf des Versuches keine niefibare .4ktivitat niehr
lierrschen wiirde. p i r die praktische jeweilige Anwendung der
,,Indicatonnetliode" sind soinit nicht alle radioaktiven Isotope,
A rgmraudlr ('Limir
$4. Johrg. 1941. Xr. 41/42
sondern v o d e g e n d solche init , , b e q u e m e n " Halbwertszeiten verwendbar. Zur Isotopentrennung dient die von
Szilard u. Chalmers (1934) entdeckte und von Erbacher u.
Phzlipp (1936) ausgearbeitete Methode, bei der man das in
Frage
" kommende Element, z. B. Chlor, in
Form einer organischenverbindung, z.B.
als Athylenchlorrd, xnit
Neutronen bestrahlt ;
wird nun ein Chloratom getroffen und
umgewandelt, so wird
dabei noch zusatzlich
Energie frei, die als
kinetische Energie auf
das Atom iibergeht,
ihm einen StoB versetzt und es als Ion
aus den1 Molekiilverband hinauswirf t .
Nach Bestrahlung liegen somit alle radioaktivenchloratomeals
Ionen vor,und es bleibt
die allerdings nicht
ganz einfache Aufgabe,
diese geringe Chlornienge voni Athylenchlorid zu trennen . Die
Abtrennung und Konzentrierung wurde bishhb. 6. Schetnatischcr Schnitt durch ein her durchaus noch
Kainnierfilter, tiiit Axigabe der jq, Ober- nicht fur alle physikaflacheneleinent znr iickgehaltenen Schwthlisch herstellbaren raStoffnienge.~'crs~ir~l~r
lirit ,lurch Ra~liop~~rrs~lli~l1.
indidioaktiven Isotope
virrt,riii Trikn~syl~,ti,iPIiII:rt.(Ails Horn. ii.Zii,iiner. 1 Cl4cl. I
praktisch durchgefuhrt, und es mul3
auf diesem Gebiete
noch viel Arbeit geleistet werden.
schnell nachweisen und bestimmen. Auf chemischem Gebiet
konnte die Indicatormethode in Zukunft besonders bei K o n t r o l l r e a k t i o n e n , Sy n t h e s e n und A b b a u v o r g a n g e n
und bei der Untersuchung von A u s t a u s c h v o r g a n g e n nach
Entwicklung einer den Versuchsbedingungen jeweils angepal3ten Methodik und Technik verwendet werden. Ein besonderer Vorteil des Verfahrens liegt darin, da13, dank des
iiberaus empfindlichen Nachweises fur radioaktive Stoffe, viel
geringere Stoffmengen bestimmt werden konnen als mit den
besten sonst bekannten Mikromethoden.
Bei b i o l o g i s c h e n V e r s u c h e n wird dem Organismus
das zu untersuchende Element in Form eines radioaktiven
Isotops oder der zu untersuchende Stoff, in den ein radioaktives Isotop eingebaut ist, durch Verfiitterung, Injektion
oder auf anderem geeigneten Wege zugefiihrt (Abb. 8). Danach werden die Versuchsindividuen nach verschiedenen Zeitabstanden auf Verteilung des zugefiihrten Stoffes im Korper
mittels Zahlrohr untersucht ; es kann sich dabei um Entnahme
von Proben (z. B. Blutproben) von lebenden Individuen oder
um anatomische Sektion mit nachfolgender Ausmessung von
veraschten bzw. getrockneten oder chernisch verarbeiteten
Organ- bzw. Gewebeproben handeln (Abb. 9 ) . Die Proben
werden sorgfaltig gewogen, urn die festgestellten Aktivitaten
auf Gewichtseinheiten beziehen zu konnen. Der Versuchs-
~~
Die Indicatormethocle ist grundsatzlich
iiberall dort anwendbar und bildet oft die
einzige
zuverlassige
Arbeitsmethode, wo
bestimmte Stoffe in
71
I
I
I
sehr geringen KonQ
7
2
3
4
zentrationen und MenReihennummern der ,Wer
gen in einem StoffAbb. 7. Untersuchung eines Schwebstoff- gemiscll, prozea oder
is iier Versuche imit durrh Rn<JioVersuch genau verrtcni Trikres~lphorphat) iiber d:i*
folgt werden miissen.
:s (Irlitteis einen ;i;isaerstiiiib;.rs vpriicbaltaii) Si,hwelmt,iiffcs i
em aiis3uiiiipni.esPtzL,.il
Das Wesen dieser ArSchichteiifilt~~rkuipi~~.
Ab
i i i Iiiirxwiii MnIkt;~l,;
beitsweise sei an einem
Ordiiintr i l l lo..:iritlitilischril~ M;il3rtah. (Ails Hor~i.11.
praktischen Beispiel
Ziinm-r, 1940.)
erliiutert, und zwar an
der Durchlassigkeitsprufung von Filterschichten.
;
Bei der Gasmaskenherstellung ergibt sich die Aufgabe, die
1,eistungsfahigkeit einzelner Filtereinsatze zu priifen. Dazu dienen
meistens bei Schwebstoffuntersuchungen optische Verfahren; dcr
genanen Auswertung solcher Messungen stellen sich jedoch vicle
Schwierigkeiten entgegen. Die Indicatorrnethode mit kiinstlich
radioaktiven Stoffen gestattet eine schnellere, einfachere und in den
nieisten Fallen genauere Bestimtnung der von den Filtern zuriickgehaltenen Schwebstoffniengen. Man nlischt dazu den1 betreffenden
S c h w e b s t o f f , z. B. dem zur Filterpriifung oft verwendeten Trikrcsylphosphat, etwas Trikresylphosphat bei, in dessen Mo1ekiile:i
der Phosphor durch Radiophosphor ersetzt ist. Durch die rnittels
Zahlrohr geniesseiie Strahlung des Ibdiophosphors laat sich der Verbleib dis Schwebstoffes fesfstellen. Und aus der Strahlungsintensitait
der verschiedenen Filtercinsiiitze kann die voxi ihnen festgehaltene
Schwebstoffineiige leicht und genau berechnet werden ; denn das
Verhaltnis Schwebstoffnlenge zu Radioaktivitat, welches durch die
urspriingliche Mischung festgelegt wurde, bleibt stets gleich, weil das
,,indizierte" Trikresylphosphat sich chemisch in keiner R'eise vom
inaktiven unterscheidet. Die Brgebnisse solcher Nessungen sind in
hbb. 6 und 7 dargesiellt.
I n dieser oder prinzipiell ahnlicher Weise lassen sich auch
bei zahlreichen anderen analytischen Untersuchungen Stoffe
Airgrwaiidte Chemie
6d J a h r q . 1941. Nr. 41/4?
Abb. 8. Injektion eines radioaktiven Stoffes einer 3lans.
I)ip
\Inns w i n l init, Clem Kopf nach r d r n i i i t 4 n %therlialtigps (Ghsrolir gvstrrkt, luicl iii
bctanbtcni Z u s t m d injiziert.
Abb. 9. Sektion der Maus.
Rine mit radioaktivem Stoff injizierte Maus w i d eine bcstimmte Zeit.;l)niinr iiach drr
Injektioii getiitet,; Organ- bzw. Gewrbmtiicke werden gewogeri, mrriebtw, i I I diiiiiirr Schiclit
i n die im Hintergruiide sirhtbnren Schalchen aofgetrageu, einget>rocknet,baw. vnmscht,
n r i d iuitrr riiiem Zatdrohr anf Aktivitat ausgemewii, die dann auf iiewii.litai.iii~~,it
(lcs Grwebes bnzogen werdeii kami.
439
verlauf mu13 selbstverstandlich je nach Objekt uncl Fragestellung entsprechend modifiziert werden.
Der 2 we c k der biologischen Versuche mit der Indicatormethode kann ein sehr verschiedener sein. Vor allem kann
man auf diesem Wege, aus allgeniein physiologischen Griinden,
das zeitlicbe und raumliche S c h i c k s a l u n d V e r h a l t e n
verschiedener chemischer E l e m e n t e und einiger chemischer Verbindungen im Gesanitstoffwechsel d e r Org a n i s m e n genau verfolgen. In vielen Fallen, und gerade bei
Giften und Medikamenten, bei denen nur ganz geringe Konzentrationen in Frage kommen, bildet die Indicatormethode
nicht nur die bequemste und genaueste, sondern oft auch die
einzig mogliche Untersuchungsniethode. In Tab. 2, 3 und 4
TalJelle 2,
lladinchlnrgelialt der Organe vnii I\Iiiusen, die veruchiodeiie Zeit naeh
Einatinung von Chlor, dem Radinchlor beigeiiiisclit war, petlit,et wurdeii.
(Nach Born u. TimofP~,ff-Kesso,sly 1940.)
Relative Bkt.i\itht, vinnrlner Or-
Uittelwei% der Ahtiritiit pro
100 Ing Organgewirht. i i i l'eilchen je min
gtaiie i n Prozent, d1.r Grsxmi-
aktivit i t
Organe
Lunge
xiere
Ieber
1 ;; 1 !i 1
..........
..........
..........
9:3
JlT,
8:)
13
T a b e l l e 3.
Phosphor und Radiopliosphnrgehalt verschiedener Organe von Ratten.
(Nach Bom 1940.)
I
Gewebeteil
Zustancl 72 h nach der intraven&en Zufuhr
von radiophosphorhaltigem Natriumphosphat
Phosphor
i n mg
Schidel .......................
Zihne ....
linterkiefer ....................
Oherschenkel, Oelenke. . . . . . . . . .
Obewchenkel, Schaft . . . . . . . . . . .
................
Xiere .
Leber ........................
Mil2 .........................
Schilddriise . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Magen, Darni . . . . . . . . . . . . . . . . .
Aktivitit
in Teilchen/min
Aktivitat :
Phosphorgehnlt,
A3,O
11,l
11,5
9,s
9,o
5,0
22,7
1 650
326
82
1 590
150
76
4,5
i,3
37,O
1,6
4,0
~
.
~~
Radinarsengehalt der Organe von Muusen. tlie versehledene Z e l t narli
der Injektinn getiitet wurtien.
(Nacli Born u. J'imofkff-Ressoz.sl?i1!141.)
I
Mithelwertc der AktiviLit je 100 nig Organgewicht:
in Teilchm je min
Zeit dcr Tiit,nng i n 11 n:ich Injrkt,ion
Ormnr
1,s
nilit .....................
Lcbur ....................
Niere ....................
Yilz .....................
(:nuaden . . . . . . . . . .. . . . . . .
l!rin ......................
I
3
4i,i
ti,s
24,l
10,8
23
S%,0
I
(i
I
1s
I
22
:i.s
221
9..~
4
4,R
10,x
313,O
sind Beispiele von Versuchsergebnissen iiber zeitliche und
r a d i c h e Verteilung von Chlor, Phosphor und Arsen bei
Mausen angefuhrt.
Weiterhin konnen solche Versuche auch bestimmten speziellen Fragestellungen dienen. 2. B. sind die Wirkungen von
Giften u n d Medikamenten oft organ- bzw. gewebsspezifisch;
diese Stoffe zeigen also sozusagen ein W i r k u n g s m u s t e r .
Um den Wirkungsmechanismus zu verstehen, mu13 vor allem
festgestellt werden, ob das Wirkungsmuster auf einem entsprechenden V e r t e i 1u n g s m u st e r des betreffenden Stoffes
im Organismus oder auf einem bestimmten Reaktionsmuster
der Gewebe auf einen an sich diffus verteilten Stoff beruht;
da es sich sowohl bei Giften als auch bei Medikamenten meistens
urn ganz geringe Konzentrationen handelt, so kann eine genaue Erforschung dieser und ahnlicher Fragen in Zukunft am
besten mit Hilfe der Indicatormetbode erfolgen.
Die Indicatormethode kann ferner d a m benutzt werden,
um festzustellen, ob bestimmte fhemische Elemente durch
die verschiedenen physiologischen Barrieren hindurch in ein
bestimmtes Organ oder Gewebe e i n d r i n g e n . Um z. B. die
niutationsauslosende Wirkung bestimmter chemischer Stoffe
zu priifen, mu13 vorher festgestellt werden, welche von diesen
Stoffen auch tatsachlich in das generative Gewebe einzudringen
440
vemogen; erst mit diesen lolmt es sich dann, umfangreiche
und a d e r s t zeit- und arbeitsraubende Mutatioiisversuche anzusetzen. Die in Tab. 2 4 angefiihrten Versuche dienten z. B.
primar diesem Zwecke ; diesbeziiglich interessant verhalt sich
z. B. das Arsen, das in den Gonaden iiber Iangere Zeit angereichert wird (Abb. 10). In einzelnen Fallen kann man
Abb. 10. Zeitliches
Verhalten desRadioarsengehaltes nach
Injektion in denSpeicheldriisen (Spd., gestrichelt) und in den
Geschlechtsdriisen
(Gd, ausgezogen) der
Hausmause.
I n der Speicheldruse wird
(Ins rascli hineingclangtr
Arsen auch sohncll nusxcschieden; in der C+enr-hlechtsdriise wird es irn
Lmfe der t.rst.cn 6 h stark
:ingereichert. (Nncll Borlk11.
~imo,'~e:Pff-Rrsso~sky,
1941.>
475 l5
3
Stunden nu& Jnyekfion.
6
hoffen, die Analyse noch weiter zu vertiefen, indem man das
Eindringen bestimmter Elemente in die Zellen selbst und vor
allem in die Zellkerne verfolgt. Dies kann z. B. auf folgendem
Wege erreicht werden. Die Larven der Dipteren, darunter auch
der Taufliege Drosophila, enthalten in ihren Speicheldriisen
Riesen k e r n e m i t R i e s e n c h r onio s ome n ; ein solcher Riesenchromosomensatz
ist neben einem
normalen inAbb.11
dargestellt.
Nun
konnen denFliegenlarven mit Hilfe einer recht einfachen
Technik (die durch
Abb. 1 2 und 13 erlautert wird) radioaktive Isotope injiziert werden ; nach
verschiedenen Zeitabstanden konnen
den injizierten Larven die Speicheldriisen extirpiert,
die darin enthaltenenRiesenzellkerne
herausprapariert
und mittels Zahlrohr auf Radioaktivitat
untersucht
werden. Dies ist
technisch ohne weiteres
durchfiilirbar; in manchen
Fallen wird es in
Abb. 11. Riesenchromosomensatz aus den
Zukunft bei Zu- Kiesenzellkernen der Speicheldriisen der
fiihrung von RadioTaufliege Drosophila melanogaster .
aktivitat in beson- Dargestellt i n gleichem MaDstab wie die oben rechts a b gebildeten
normalen Chromosomensatze nus der Ovogenese
ders konzentrierter
desselben Objekts.
Form vielleicht ge1937.)
(Nach Painter, nus Timof~eff-Ressovsky,
lingen, auf diesem
Wege das Eindringen einiger Elemente bis in die Chromosomen zu verfolgen. Das Eindringen verschiedener Elemente
in die Zellelemente des Blutes la13t sich besonders leicht verfolgen, und mit Phosphor und Kalium liegen dariiber schon
umfangreiche Versuche vor.
Schliel3lich kann die Indicatormethode dazu benutzt
werden, gewisse biologische E i n h e i t e n r a d i o a k t i v z u
m a r k i e r e n . Man kann z. B. auf biologischem Wege, d. h.
iiber den Narboden bzw. den Wirtsorganismus, Bakterien
und auch Viren radioaktive Isotope zufiihren. Als Beispiel
fur die Methodik dieser Arbeitsrichtung kann der vor kurzem
von uns in Zusammenarbeit mit dem K W I. fur Biochemie
und dem K W I. fur Biologie durchgefdrte Versuch des
E i n b a u e n s von R a d i o p h o s p h o r i n d a s T a b a k m o s a i k V i r u s dienen.
Das 'I'abakmosaik-Virus ist heute die bestuntersuchte
Virusart, die chemisch rein darstellbar ist und eine Reihe von
cheniisch-praparativen und biologischen Vorteilen besitzt ; da
Angewandle Chemie
54. JahTg:1941. N r . 41/43
Abl). 13. Biiistechcn der Mikropipettc in die
v n n Drosophila.
Abb. 12. Anordnung nus zwei Binokulnrlupen untl einer freihkidig
betatigten Mikroinjektionsspritze, zuni Transplantieren von Organanlagen utid Injektionen an Fliegdarven.
Es wird ,,vit?rI~niialig'p?;trheitel: dm eiike hhlt alie bct;iill,tclt J.nrvi.li 11: ric!ttizvr Ptclliltw
ivst, 4ler aiislerq !!itid. ilir Ttiii,ktioii #liir<.l!.
auWerdem am Tabakniosaik-Virus tlie meisteri grundlegenden
Virusarbeiten durchgefiihrt werden, wurde es als Ohjekt fiir
unsere Versuche genomnien, Der Phosphor wurde aus zwei
Griinden gewahlt. Erstens ist Phosphor eiti wesentlicher Bestandteil der Virusmolckiile und ist im Tabakmosaik-Virus in
ausreichender Menge rorhanden (etwa 0,5y);). Und zweitens
hat das radioaktive Isotop von Phosphor, der Radiophosphor,
wesentliche Vorteile, indein es leicht in geniigenden Mengen
zu gewinnen ist (niittels Neutronenbestrahlung aus Schwefel)
und eine fiir die in R a g e kommenden Versuche bequeme,
nicht zu kurze Halbwertszeit von rd. 15 Tagen hat. Zunachst
wurde gepriift, oh ein nenrienswerter A u s t a u s c h d e s P h o s p h o r s zwischen Virus und organischem Phosphat besteht.
,Sollte dies der Fall sein, so konntc man auf deni Wege des
Austausches eine Synthese von radioaktivem Virusprotein
durchfiihren ; andererseits wiirde aber dann die Markierung des
Virus mit Radiophosphor wesentlich an Interesse einbiiRen, da
ja dann auch der reziproke Austausch des Radiophosphors aus
dem niarkierten Virus bestehen muRte. Tin Austauschversucli
wurde reines Virusprotein 3-1 1 Tage in radiophosphorhaltiger
Natriumphosphatlosung gehalten, dann durch Dyalyse (u. U.
mit vorangehender Ultrazentrifugierung) wieder abgetrennt
und auf Aktivitat mittels Zkhlrohr untersucht. Die Brgehnises
dieses Versuches sind in Tab. 5 angcgehen. Sie zeigen, daR
hochstens
% des Viruspliosphors austauschen konnte ; aber
auch diese geringe Aktivitat kann chensogut auf Adsorption
von radiophosphorlialtigeni Phosphat zuriickgefiihrt werden;
diese lctztere Annahrne wird dadurch bekraftigt, daR die Aktivitat am hochsten in Versuchen mit den schlechtesten Trennungsbedingungen gcwesen ist (Versuche 3 und 4, in denen
nur 2 Tage dialysiert wurdej. Diese I'rage kaiin enclgiiltig
durch reziproke Austauscbversuche mit radioaktirem Virus
entschieden werden ; ein nennenswerter Phosplioraustausch finclet
aber jedenfalls niclit statt.
Das Urgebnis der in Tab. 5 angefiihrten Versuche hat also
gezeigt, da13 der Binbau \-on Radiophosphor in das Virusprotein durch Austausch nicht geht und zunachst wohl nur
auf biologischeni Wege nioglich ware. lkshall, wurde ein weiterer Versuch der A k t i v i e r u n g von T a h a k p f l a n z e n ge-
I
I
R(1
A n g e w a n d t e Chemie
54. J a h r g . 1941. Nt. 41/42
zii
injizicrcntlc L R T V ~
witimct. Junge Tabakpflanzen wurtletl auf einer radiopliospliurlialtigen Nahrlijsung gezogeri. 1Jiii niogliclist vie1 vom Radiophosphor in die Pflanzen einzubauen, wurde eine phosphorarme Niihrlosung genonimen, in dcr der Phosphorgehalt gerade
rioch knapp fur die Entwicklung der Pflanzen ausreichte; auf
diesc Weise uvrden die Pflanzen gezwungen, den gesaniten
Phosphor der Siihrlosunp und dadurch auch den gesamten
Radiophosphor aufzunehmen. Ilas Ergebnis dieses Versuches
ist in Tab. 6 angefiilirt. Wahrcnd der Versuchsdauer VOII
' L , t I ~ v l I iti.
~
Phoaphoraulnaluno w i d Verteilung be1 Tabakpflanzon, dle auf elner
radlnphospliorhaltl~en, pliosphorarm~nSllhrlOsung aufgezogon rvurdon.
(Nach Norii. I m i y . ,YcItrmint
ti.
Zirnnter 19.11.)
730
6,lH
421
III4Ic-r N ihrlusung x i r e i t nni Scl1Iul3 11- Trrsi~ rhe~
\Y(:IIPK l'liorphor nor11 Railinphosphnr
l l . ~ ~ ~ ~ l ~ l l ~ ~ ~ ~ i S ~ J l .
20 Tagen haben tlie Pflanzen den gesamten Phosphor aus der
Nahrlosung aufgenormen ; und wie zu erwarten, zeigten die
obersten Blatter die hochste Aktivitat. die bei den alteren
unteren Blattern abnimnit, uin schlieRlich bei dein untersten
Rlatt vollig zu fehlen. Nachdem sich so gezeigt hat, daW eine
geniigende Aktivitat in den Wirtspflanzen erzeugt werden
konnte, wurdc der Hauptversuch durchgefiihrt, dessen Ergelxiis in Tab. 7 angegeben ist. Tabakpflanzen wurden, wic
.kit[
' l ' : l l > # . l l v7.
\ur!4iicli Zur biuloei&ohen Syntiioso voii riiiliuaktlveni \'irus.
r.uli~~phr~spttiirt~:ilIigrr
N:rlirldsuitg pelinltrme Tahnkpflanzen niinlrti itlit \ i r w
iiifiy.it,rl. i i m l ~ i i i c ~ lr tl v s - r i t \-rrnir.hrung i l l :ttize:e,xm:r Wrist; :ktifxr;irl~t~ilPi.
i x d , I h r u . l.uti.7. . S r ~ h m m i i rt i . Ziiiinicr 1941.)
im vorhergehendcn Versuch, auf pliospliorarnier radiophosphorhaltiger Nahrlosurig gezogen, abcr rnit dem Unterschied, daR
innerhalb von drei Wochen die Radiophosphorgabe zweimal
erneuert wurde. Unmittelbar nach der ersten Radiophosphorgabe wurden die Pflanzen mit Tabakmosaik-Virus infiziert ;
vier Wochen spater wurden die inzwischen erkrankten
Pflanzen geerntet und chemisch aufgearbeitet. Neben dem
PreBriickstand und dem Dialysat wurden drei Raktionen des
EiweiB (Chloroplastensediment, normales Pflanzenprotein und
Virusprotein) gewonnen und auf Aktivitat mittels Zahlrohr
untersucht. Das V i r u s p r o t e i n zeigte eine h o h e A k t i v i t a t . Besonders hoch war die Aktivitat des ChloroplasteneiweiB,
wogegen das Dialysat eine auff allend geringe Aktivitat aufwies ; das normale Pflanzenprotein zeigte dieselbe Aktivitat
wie das Virusprotein. Die Verteilung der Aktivitat auf verschiedene Fraktionen mu0 in weiteren Versuchen unter quantitativ genaueren Bedingungen untersucht werden ; die hier
mitgeteilten Ergebnisse konnen nur als vorlaufig und orientierend gelten, da es uns zunachst lediglich auf einen qualitativen
Nachweis des Einbaus von Radiophosphor in das Virusprotein
ankam. In dieser Beziehung ist das Ergebnis positiv; es gelingt auf biologischem Wege, Virusprotein mit einem radioaktiven Isotop zu markieren.
Durch Anwendung der Indicatormethode ergibt sich somit eine Reihe von Moglichkeiten, den chemischen Aufbau
des Virusproteins und seine Beziehungen zu verschiedenen
Fraktionen der Wirtspflanzen genau zu untersuchen und dadurch tiefere Einblicke in den Aufbau und die Vermehrung
dieser interessanten, an der Grenze des Lebendigen stehenden
Gebilde zu tun.
SchluQbemerkungen.
In den vorhergehenden Abschnitten wurde in der kurzen
und deswegen notwendigerweise fragmentarischen Darstellung
zu zeigen versucht, daB die Neutronenbestrahlung als solche
und vor allem die Indicatorniethode mit kiinstlich-radioaktiven Isotopen recht viele verschiedene Anwendungsmoglichkeiten finden konnen. In manchen Fallen werden durch die
Feinheit der Methode sicherlich auch ganz neue Forschungswege und Moglichkeiten eroffnet werden. Man darf vor allem
nicht vergessen, daB sich die Forschung auf diesen Gebieten
erst in ihren Anfangen befindet, und daB man alle Anwendungsnioglichkeiten und Aussichten deshalb zunachst noch gar nicht
iibersehen kann. Mit Vervollkommnung der Technik der Neutronenerzeugung und der chemischen Methoden der Trennung
mid Konzentrierung radioaktiver Isotope wird die Indicatormethode mit kiinstlich radioaktiven Isotopen sicherlich auf
verschiedenen Gebieten der technologischen, chemischen und
biologischen Forschung eine grol3e Rolle spielen.
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Eingcg. 21. April 1911. [A 33.
Uber die Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung
mit lichtelektrischen Spektralphotometern
o n Uozent Dr
G K O R T U M , Tubangen
" I yszkal -Cl.em
Abt
des Cheniisciien I n s t b t u t s d e r Cinivevsbtat
Vorbemerkung d e r R e d a k t i o n : Wir haben in den letzten Jahren das Gebiet der C o l o r i m e t r i e besonders gepflegt, vor allem lag
u n s a n einer kritischen Betrachtung der Leistungsfahigkeit der einzelnen Methoden. M a n scheint namlich vielerorts eine bequeme u n d
apparatav schon weitgehend durchgebi ldete MePmethode unter sehr unzutreffenden Vorstellungen iiber ihre Leistungsgrenzen einusetzen.
D a s T h e m a sol1 daher zunachst nicht mehr in unserer Zeitschrift, sondern in einer speziellen ,,Colorimetric- T a g u n g " weitergesponnen werden, welche die Arbeitsgruppe f u r A n a l ytische Chemie beim Verein Deutscher Chemiker in diesem I.I.inter veranstnlten
wird. T h e m e n v o r s c h l a g e , V o r t r a g s a n m e l d u n g e n sind schon heute willkommen (Stelle fur Arbeitsgruppen, B e r l i n W 35,
Potsdamer Strape 111).
Vielleicht werden auch zu nachfolgender Arbeit Zuschriften eingehen, welche andere Auf fassungen vertreten. Solche Einsendungen
sind zwar erwunscht, indessen werden sie vor der Colorimeter-Tagung nicht mehr z u m D u c k gegeben werden.
Grundsatzliche ifberlegungen.
ie Reproduzierbarkeit visueller spektralphotometrischer
Messungen ist bekanntlich durch den r e l a t i v e n Intensitatsunterschied d J/ J begrenzt, auf den das Auge beim Vergleich
zweier benachbarter Felder gerade noch reagiert. Sie betragt
im giinstigsten Spektralbereich (560 mp) etwa 1% und sinkt
nach beiden Seiten des Spektrums betrachtlich ab. ilus dieser
empirisch festgestellten Reproduzierbarkeit d J/ J = 0,Ol erhalt man den r e l a t i v e n F e h l e r und damit die Genauigkeit
der gemessenen Extinktion E bzw. der zu bestimmenden
D
442
Konzentration c durch Differentiation des Beerschen Gesetzes :
dE
X
-
dc
C
-
-0,4343
E
.~d J
J
Der relative Fehler wird also um so kleiner und damit die
Genauigkeit der Konzentrationsbestimmung um so groSer,
je g r o k r die Extinktion der Losung ist. DaR man den Fehler
nicht beliebig klein machen kann, liegt entweder daran, daS
bei sehr grooen Extinktionen (E > 2) die Intensitat des
Lichtes so stark geschwacht wird, dalj die Messung nicht mehr
A n q e w a n d t e Chemie
54. Jahrg. 1941. Nr. 41/42
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