（粒子物理与原子核物理专业论文）离子束注入生物小分子的效应研究.pdf

摘要 本文首先回顾了辐射生物学和离子束生物效应的发展及应用，阐述了离子束 与生物分子的相互作用过程以及人们对其研究现状。然后在不同剂量率、不同能 量的情况下，对离子注入不同状态的多种生物小分子进行了研究。 第二章对不同剂量率下的氮离子和氩离子注入尿嘧啶和胸腺嘧啶样品以及 氮、氩离子注入不同厚度的尿苷样品进行了研究。在低剂量率时，分别给出了在 考虑离子对样品的溅射和损伤的情况下的拟合曲线。通过对不同剂量时的溅射和 损伤系数的改变，可以对辐照的剂量曲线进行较好的拟合。通过对不同剂量率辐 照的比较，发现高剂量率时更能够造成样品的损伤。虽然离子注入生物分子存在 “自修复作用”，但是在高剂量率的时候，单位时间注入样品的离子的数目更多， 所以样品来不及修复，从而显示出比在低剂量率时更严重的对样品的损伤现象。 氮、氩离子注入不同厚度的尿苷样品实验表明，在注入初始阶段，氩离子更能造 成样品的损伤，这主要是因为氩离子在单位距离上的能损比较大。但是两者的总 的辐射效果相差不大，因为对于薄的尿嘧啶样品，二者均可以穿透：而对于厚度 大的样品，虽然氩离子在单位距离的能损比较大，但是注入深度小，而氮离子却 相反。 第三章对k e v 和m e v 离子辐照尿嘧啶损伤行为做了比较，研究结果发现对于 k e y 离子，在低剂量条件下，曲线与靶模型的预期基本一致；但是随剂量的上升， 残存率要高于预期结果，这主要是离子无法到达部分样品分子所致。对于m e v 离子，由于离子可以穿透样品，因此其损伤行为基本与理论预期符合。m e v 离子 导致了高的损伤速率，残存率和离子剂量之间的关系也基本符合靶模型的预期。 第四章对高能离子辐照尿苷和胸苷做了h p l c 分析，结果表明高能离子辐照 胸苷和尿苷样品的剂量效应曲线和低能离子基本相同，都是在注入初始阶段对样 品的损伤比较大，随着剂量的增大，损伤迅速减小。还可以得出，能量在辐照过 程中也起到重要的作用，特别是在剂量比较小的情况下。 a b s t r a c t i nt h i s a r t i c l e ，t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fr a d i a t i o n b i o l o g i c sa n d b i t - e f f e c to fl o we n e r g yi o nb e a ma r er e v i e w e da tf i r s t t h ep r o c e s so fi o nb e a m i m p l a n t e di n t ob i o m o l e c u l e sa n dt h e s t u d i e so fi ta r ea l s os u m m a r i z e d s e c o n d ，u n d e r d i f f e r e n td o s er a t ea n de n e r g y , m a n yk i n d so f b i o m o l e c u l e sa td i f f e r e n tc o n d i t i o n sa r e s t u d i e d ，t o o i nt h ec h a p t e r2 ，t h ep r o c e s so fn + a n da r + w i t hd i f f e r e n td o s er a t ei m p l a n t e di n t o u r a c i la n dt h y m i n ea n du r i d i n ew i t hd i f f e r e n td e p t h si ss t u d i e d a tl o wd o s er a t e ， s e v e r a ls i m u l a t i v ec u r v e s w e r e 西y e nw h e nt h es p u t t e f i n g o ft h ei n t a c t s a m p l e m o l e c u l e sa n dt h e d e c o m p o s i t i o n o ft h e s a m p l e w e r et a k e ni n t oa c c o u n t t h e s i m u l a t i v ec u r v e sa r e p r e f e c t w h e nt h ec o e f f i c i e n t s c h a n g e a td i f f e r e n td o s e s c o m p a r e d w i t hi o n sw h i c hh a v el o wd o s er a t e ，i o n sw i t hh i g hd o s er a t ec a r ld a m a g e t h es a m p l em u c hm o r eg r e a t l y a l t h o u g ht h e r ea r e “s e l f - r e s t o r a t i o n i nt h ei m p l a n t i n g p r o c e s s ，a tt h eh i g h d o s er a t e ，t h e r ea r em o r ei o n si m p l a n t e di n t ot h es a m p l e s ot h e r e a r el i t t l ec h a n c ef o rs e l f - r e s t o r a t i o n ，i ta p p e a r st h a tt h es a m p l e sa r ed a m a g e dm o r e g r e a t l ya th i g hd o s e r a t et h a na tl o wd o s er a t e t h es t u d yo f n + a n da r + i m p l a n t e d i n t o u r i d i n ew i t hd i f f e r e n td e p t h ss h o w st h a ta r + c a nd a m a g et h es a m p l em o r eg r e a t l ya t t h eb e g i n n i n g b e c a u s et h ee n e r g yl o s so f a r + a te a c hl e n g t hu n i ti sm u c hg r e a t e rt h a n n + b u tt h eo v e r a l lr a d i a t i o nr e s u l t so fb o t hi o n sa r ea l m o s tt h es a l n e , f o rw h e ni t c o m e st ot h es a m p l ew i t hl e s sd e p t h ，b o t hc a np a s st h r o u g hi t a n dw h e ni tc o m e st o t h es a m p l ew i t h l a r g e rd e p t h ，t h o u g h t h ee n e r g yl o s so f a t + a te a c hl e n g t hu n i ti sm u c h g r e a t e rt h a nn + t h ei m p l a n t a t i o nd e p t h o f i ti ss m a l l e rt h a nn + t on + ，i ti st h ea n o t h e r w a y r o u n d i nt h ec h a p t e r3 ，b yc o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tw a y so f d a r n a g eo f k e va n d m e vi o n s w ef o u n dt h a tt h ec u r v e so fk e vi o n sa l m o s tc o n s i s t e n tw i mt h et a r g e t m o d e lw h e nt h ed o s ei ss m a l l b u tw i t ht h ed o s ei n c r e a s i n g ，t h er e m a i n e ds a m p l ei s m u c hl a r g e rt h a nt h et a r g e tm o d e l t h i si sb e c a u s et h ei m p l a n t e di o n sc a l ln o tp a s s t h r o u g ht h es a m p l e f o rm e vi o n s ，b e c a u s et h e yc a np a s st h r o u g h t h es a m p l e , s ot h e c u r v e so fd o s ee f f e c ta l m o s tc o n s i s t e n tw i t ht h et a r g e tm o d e l m e v i o n sr e s u l ti nh i g h d a m a g er a t e ，a n dt h er e l a t i o nb e t w e e nr e m a i n e ds a m p l ea n dd o s ea l m o s tc o n s i s t e n t s w i t ht h et a r g e tm o d e l i nt h ec h a p t e r4 ，t h eh p l c a n a l y s e so f u r i d i n ea n dt h y m i d i n ei m p l a n t e db yi o n s w i t hh i g he n e r g ya r ed o n e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ed o s ee f f e c tc u r v e so fi o n sw i t h h i 幽e n e r g ya r ea l m o s tt h es a m e t ot h ed o s ee f f e c tc u r v eo fi o n sw i t hl o we n e r g y a t t h eb e g i n n i n g ，t h ed a m a g eo fi m p l a n t e di o n st ot h es a m p l ei sl a r g e ，惭t ht h ed o s e i n c r e a s i n g ，t h ed a m a g ed r o p ss h a r p l y w ec a na l s o s e et h a tt h ee n e r g yi sa l s ov e r y i m p o r t a n ti nt h ep r o c e s so f t h ei m p l a n t a t i o n ，e s p e c i a l l y w h e nt h ed o s ei ss m a l l 1 1 1 郑卅人学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 辐射生物学的发展 辐射生物学是研究各种射线以及离子对生物体的效应的一门学科。在地球上 出现生命以来，这些生命无时无刻不在受各种射线的辐射。各种射线存在于广阔 的空间中。但是，人们对辐射和生物的研究的历史并不是很长。德国物理学家伦 琴在1 8 9 5 年发现了一种具有高穿透本领的新射线一x 射线，才揭开了辐射与生 物学关系历史的序幕，使人们开始注意辐射和生物的关系，从而开始了辐射生物 学的研究。1 9 2 7 年h m u l l e r t l 】发现x 射线可以引起果蝇的突变，真正揭开了辐 射生物学研究的篇章，同时也对物种进化理论提出了有利的科学根据。由于他的 这重要的有关遗传变异方面的新发现，使他获得了1 9 4 6 年的诺贝尔医学奖。 植物辐射育种学是辐射生物学的一个重要的研究领域，早在1 9 0 8 年就有了 关于辐射对植物的生物学效应的著作。从m u l l e r 发现x 射线能大大的增加果蝇 的突变率，引起了辐射植物学的第一个高潮。随着科技的发展，核技术的提高， 高能加速器的建立，使辐射植物学的发展突飞猛进。有大量的关于辐射对植物的 生物学效应的报道2 巧 ，辐射育种也取得了令人瞩目的成就。 重离子生物学效应在医学领域中的应用是近年来倍受人们关注的一个领域。 重离子的剂量沿其入射迳迹的分布与传统的射线有明显的不同。传统的射线的剂 量在沿其迳迹上呈指数衰减，而重离子却在其射程的末端有独特的b r a g g 峰，而 在射程的开始剂量比较小。从而使它对正常组织的损伤比较小，而对组织内部的 肿瘤损伤较大。此外，重离子有较高的传能线密度( l e t ) ，所以其生物效应就 比较大，对生物体的影响比其它辐射源要大。重离子生物学经历了三十多年的研 究，成果引人注目，显示了巨大的应用前景，特别在航天中的辐射防护和重离子 医学上的应用成果更为突出。 1 2 辐射的种类以及辐射与物质的作用 辐射可以分为两大类：一类是电磁辐射，实质上是电磁波；另一类是粒子辐 射，它们是一些组成物质的基本粒子，或者是由这些基本粒子构成的原子核。粒 子辐射是一些高速运动的粒子，它们通过消耗自己的动能把能量传递给其它物 质。电磁辐射仅有能量而无静止质量；粒子辐射既有能量也有静止质量。 郑州大学硕士论文 第一章绪沦 根据频率和波长，电磁辐射又可以分为无线电波、微波、红外线、可见光、 紫外线、x 射线、y 射线等。其中x 射线、y 射线和紫外线被广泛应用于放射 生物学研究。粒子辐射包括电子、质子、a 粒子、中予、负n 介子和带电重离子 等。 根据作用方式的不同，通常将辐射分成两类：电离辐射和非电离辐射。高速 运动的带电粒子，如a 粒子、b 粒子、质子等，能直接引起物质电离，属于直接 带电粒子：致电离光子( x 射线和v 射线) 及中子等不带电粒子，是通过与物质 作用时产生的带电的次级粒子引起物质电离的，属于间接电离粒子。由直接或l 训 接电离粒子，或两者混合组成的任何射线所致的辐射，统称为电离辐射。由此可 见，电离辐射中既包括部分电磁辐射也包括部分粒子辐射。与电离辐射不同，非 电离辐射一般不能引起物质分子的电离，而只能引起分子的振动、转动或电子能 级状态的改变。紫外线和能量低于紫外线的所有电磁辐射都属于非电离辐射。 粒子与物质的相互作用主要是由于粒子穿入介质后，随着深度的增加和更多 电离事件的发生，能量损失，粒子运动变慢，而慢速粒子又引起更多的电离。所 以在粒子的射程末端，形成了通常称为的b r a g g 峰，这个峰对考虑电离粒子的辐 射生物效应很重要。重离子与物质相互作用时，在射程的末端，剂量急剧增加， 也形成b r a g g 峰。随着原子序数的增加，b r a g g 峰变得越来越窄，同时峰的高度 也增加。重离子在放疗上有很大的优点。中子为不带电粒子，因此，与具有相互 能量和质量的带电粒子相比，中子有较大的穿透力。中子只是在与原子核发生碰 撞时，才把它的能量传递给受碰撞的原子核，中子与物质的相互作用可分为散射 与核反应两大类。散射包括弹性散射和非弹性散射。核反应包括中子俘获和散裂 反应等。x 射线、y 射线与物质的相互作用主要有光电效应、康普顿效应和电子 对产生。紫外与物质的相互作用主要是使物质分子或原子中的轨道电子从较低的 能态( 基态) 跃迁到较高的能态( 激发态) 。紫外光子本身则被作为能量被物质 的分子或原子吸收。由于电子的能级是量子化的，只有当光子的能量等于激发态 和基态的能级差时才能被吸收，所以原子的紫外吸收光谱时线谱。在分子中由于 存在着特定的化学键和基因，能级的变化比较复杂，每一电子能级的变化都同时 有振动能级( 与分子中各化学键的振动有关) 和转动能级( 与分子的转动有关) 的变化，形成宽谱。生物分子的紫外吸收光谱都是宽谱，每种分子都有自己的特 征吸收光谱。紫外线引起生物大分子的结构变化后，这些分子的紫外吸收光谱也 郑州大学硕士论文 第一章绪论 发生相应的改变。 1 3 辐射作用的时间进程 电离辐射的直接作用是指射线直接将能量传递给生物分子，引起电离和激 发，导致分子结构的改变和生物活性的丧失。射线对生物分子的作用是随机的， 但生物分子在吸收辐射能量后形成的损伤往往局限于分子的一定部位或者较弱 的化学键上。这是由于在特定的分子结构中能量传递有一定的趋向和能量沉积不 均匀所致。 射线首先直接作用于水，引起水分子的活化和自由基的生成，然后通过自由 基再作用于生物分子，造成它们的损伤。这样的作用方式成为间接作用。 在放射生物学作用发展的早期阶段，直接作用占有重要的位置，但由于机体 和细胞中含有大量的水分，它吸收了大部分的辐射能量，因此水自由基的间接作 用也是引起损伤的重要方面。 电离辐射作用于机体，从照射之时起到在细胞上观察到可见损伤的这段时间 内，在细胞中进行着辐射损伤的原初和强化过程。这个原初作用过程包括物理、 物理化学、化学三个阶段。在此过程中，辐射能量的吸收和传递、分子的激发和 电离、自由基的产生、化学键的断裂等都是在有高度组织的生物体内进行的。能 量的吸收和传递使细胞中排列有序的生物大分子处于激发和电离状态，特殊的生 物结构也使电子传递和自由基连锁反应得以进行，这样导致了初始的生物化学损 伤( 生物化学阶段) 。由于亚细胞结构的破坏引起了酶的释放，代谢的方向性和 协调性的紊乱促使初始的生物化学损伤进步发展，引起机体内一系列的生理变 化直至发生病变( 生物学阶段) 。 辐射作用的时间范围至少跨越2 6 个数量级，近来由于高分辨记时和快速记 录技术的发展，在1 0 1 8 s 内发生的最原初的物理事件的观察已有可能缩短到 1 0 2 4 s ，这样可使观察的时间跨度达到3 2 个数量级。目前关于各时问阶段的划分， 不同作者报道不一致。有的将物理化学阶段并入到物理阶段；将生物化学阶段并 入化学阶段；有的将生物学阶段又分为早期和晚期阶段等。至于时间阶段的区分， 也不一致，有时相差2 3 个数量级，有时各阶段之间又有交叉重叠的现象。下表 概括了分子放射生物学的时间效应。 郑州大学硕上论文第一章绪论 时问( s )发生过程 物理阶段 1 0 一1 8 1 0 - 1 6 1 0 1 7 l o 一1 5 1 0 一1 4 1 0 1 4 1 0 _ 1 2 化学阶段 1 0 1 0 _ 1 0 1 0 _ 。 1 0 - 1 0 1 1 1 0 生物学阶段 数小时 数天 约1 个月 数月 若干年 快速粒子通过原子 电离作用h 2 0 h 2 0 + + e 电子激发h 2 0 h 2 0 4 离子一分子反应，如h 2 0 + + h 2 0 o h + h 3 0 + 分子振动导致激发态解离：h 2 0 一h + h 。0 + 转动驰豫，离子水合作用c - - - e a q e 一在水合作用前与高浓度的活性溶质反应 e 一、e 。o h 、h 及其他基团与活性溶质反应 刺团+ ( s p u r ) 内自由基相互作用 自由基扩散和均匀分布 e 。+ o h 、 r 与低浓度活性溶质反应 自由基反应大部分完成 生物化学过程 原核和真核细胞分裂受抑制 中枢神经系统和胃肠道损伤显现 造血障碍性死亡 晚期肾损伤、肺纤维样变性 癌症和遗传变化 茬砀疆雨夏霜爵聂应王耍趸细胞中阿水分子，无机和有机组分被激发，形 成激发态和超激发态，或者发生电离。只能事先从外部实行物理屏蔽，才能有效 地防止辐射生物效应的发生，化学预防无效。 物理化学阶段中，化学损伤开始发生；正常代谢产生的自由基和酶的活性形 式开始与辐射产生的活泼基团起反应： 代谢 生物系统r 。 照射 生物系统r 。 郑州大学颁士论文 第一章绪论 r 。+ r ，一异常产物 这时生物大分子中被破坏的s h 、n h 、o h 和c h 键可被细胞内已存在 的巯基化合物部分修复，如果在照射前引入外源性巯基化合物，可以取得一定程 度的防护效果。 化学阶段中，d n a 和r n a 的损伤已经开始：酶的激活或者灭活发生：细胞 内巯基含量下降；脂质过氧化开始；因辐射损伤而产生的稳定和亚稳定的异常产 物的毒性开始出现。 这时细胞内正常存在的或于辐照前给予的自由基清除荆或抗氧化剂可有部 分防护作用；过氧化氢酶和谷胱甘肽过氧化物酶能减少细胞内h z 0 2 的形成；维 生素c 、维生素e 、运铁蛋白、铁蛋白和血浆铜蓝蛋白能防止氧化性反应；超氧 化物歧化酶能消除o ：。的毒性，谷胱甘肽过氧化物酶能防止过氧化物的形成；经 过还原作用还可以使靶自有基恢复成为正常靶分子，巯基化合物能防止酶灭活。 生物化学阶段中许多正常生化反应受到干扰；d n a 修复开始。这时许多辐 射变化都可以用适当的方法防止，照后治疗可以开始。 在早期生物学阶段，由于辐射次级反应生成的0 2 一的反应继续进行；照射细 胞的有丝分裂延迟；由于重要生物大分子的损伤，能量供应发生紊乱：生物合成 的前体供应不足；许多重要生化反应受到干扰；细胞质膜和核膜被破坏；细胞的 辐射生物效应开始出现。 1 4 辐射生物学中的几个重要概念 1 4 1 传能线密度 各种带电粒子由于电荷质量比不同，运动速度不同，它们产生的电离事件的 空间分布差别也很大，1 9 5 0 年以前，常用线性电离密度来描述一些电离辐射的 品质。这是指射线在个单位长度射程中所产生的离子对数目。但是，只有在气 体中才能对所产生的离子对数目进行合理准确的测量。由于放射生物学许多现象 涉及到辐射与生物介质的相互作用，z i r k l e 等人在1 9 5 2 年提出了传能线密度 ( 1 i n e a re n e r g yt r a n s f e r ，l e t ) 的概念。传能线密度也称为定限线碰撞阻止本领。 定义为“带电电离粒子在物质中穿行d l 距离时，与电子发生能量损失小于的 碰撞所造成的能量损失d e 除以d l ”。传能线密度( l ) 可用下式表示： l 。= ( d e d 1 ) n 简言之，传能线密度是指直接电离粒子在其单位长度迳迹上消耗的平均能 郑州人学硕士论文第一章绪论 量，单位是j m 。生物效应的大小与l e t 的值有很大关系。一般说来，它越大， 生物效应就越大。 1 4 2 品质因数( q ) 电离辐射所产生的生物效应除了与吸收剂量有密切关系外，还与辐射类型、 能量及照射条件等因素有关。为了使吸收剂量更好地与生物效的程度联系起来， 最好在吸收剂量上乘以个系数或修正因子，这就是品质因数( q ) 。品质因数是 用来计量吸收剂量的微观分布对危害的影响的。它是在所关心的一点上的水中碰 撞阻止本领的函数。下表列举了不同射线l e t 与q 的关系。 1 4 3 相对生物学效应( r b e ) 电离辐射的生物效应，或者更严格地说是生物学有效性，不仅取决于某一特 定时间内吸收的总剂量，而且还受能量分布的影响和制约。沿粒子迳迹的能量分 布决定某一剂量所产生的生物效应的程度。在剂量相同时，高l e t 辐射的生物 效应大于低l e t 辐射。在放射生物学中通常用“相对生物学效应”( r e l a t i v e b i o l o g i c a le f f e c t i v e n e s s ，r b e ) 来表示这种差别。r b e 更贴切的译名应为“相对 生物学效率”，也有人称相对生物效应系数。r b e 通常以x 射线为相比较的基础。 一般可以用下面两种方式表示： r b e = 2 5 0 k vx 射线产生生物效应的剂量所试辐射产生相同生物效应的剂量 或者，r b e = 所试辐射产生的生物效应相同剂量2 5 0 k vx 射线产生的生物效应 r b e 的数值大小随所比较的剂量不同而有些差别，最好是在平均灭活剂量 或平均致死剂量下进行生物效应的比较，即： r b e = d o d o 这里d n 指x 射线的平均灭活剂量或平均致死剂量；d o 指所试射线的相应剂量。 1 4 4 自由基 自由基是指能够独立存在、核外带有末配对电子的原子或分子。所谓“未配 第一章绪论 对电子”，即单独占据原子或分子轨道的电子。 独立存在和未配对电子是自由基定义的两个基本要素。自由基既可以是带有 电荷，也可以是不带电荷的原子或分子。 自由基的表示，是在原有原子或分子符号的上角标记一个原点“”，以显示 未配对电子特征，但是不表示未配对电子的数量。 1 4 4 1 自由基的化学性质 自由基中存在的未配对电子，具有强烈的夺取或丧失电子以成为配对电子的 趋向。因此，自由基的化学性质异常活跃。从本质上讲，自由基参与的化学反应 都可以按氧化还原的原理来理解。就反应类型而言，主要有： ( 1 ) 自由基与自由基间的化合反应：一个自由基中的未配对的电子与另一个自 由基的未配对的电子之间配对，形成两个自由基的化合产物。此类反应在 原子型和分子型自由基之间均可发生。如两个h 自由基在触媒的作用下 可化合成h 2 ： 2h i 2 又如：c ( c6 h5 ) 3 + c ( c6 h5 ) 3 一( c6 h5 ) 3 c 一( c 6 hs ) 3 c ( 2 ) 抽氢反应：自由基( r ) 将有机分子( a - - h ) 中的h 转移至自身成为r h ，并使a h 变为自由基a 。如： c 1 + c h d h c l + c h 3 ( 3 ) 取代反应：实际是抽氢反应的一个特例，指苯类自由基与芳香族化合物中 的h 所发生的置换反应。如： a r h + c 6 h 5 一a r c 6 h 5 + h ( 4 ) 加成反应：自由基加入至不饱和有机分子中双键部位的反应。如： r + a c h = c h 2 一a c h c 心 i r ( 5 ) 歧化反应：发生在自由基或自由基与有机分子之间的单电子转移反应。如： c h 3 - c h 2 + c h 3 _ c h 2 一c h 2 = c i t 2 + c h 3 = c h 。 ( 6 ) 过氧化反应：自由基在有氧条件下使有机分子逐步氧化为过氧化物的反 应。如： a h + 0 h - a + h 郑州大学硕十论文 a + 0 2 - a 0 z a 0 2 + a h ，a - - 0 0 h + a 与一般的化学反应一样，自由基反应同样受到温度、反应物浓度、p h 值等 条件的影响，其中温度的影响最为显著。 1 4 4 2 自由基的物理性质 原子轨道中带有负电荷的电子在作自旋运动时候，会产生磁场，其自身的 “轴”也有个相应的磁矩。当电子成对地存在于同一轨道，由于两个电子的自 旋方向相反，各自的相应磁矩相互抵消，对外不显示磁性。如加以外磁场，单电 子的磁性取向就将顺应外加磁场的作用，采取与外磁场相平行或者是反平行的方 向，即具有顺磁性。顺磁性是自由基独特的物理性质，也是采用顺磁技术对自由 基进行检测和分类的基础。 1 4 5 靶学说 早在1 9 2 4 年c r o w t h e r 就认为照射后细胞有丝分裂的抑制，是由于染色体中 有着丝点那样大小的体积中发生了一次电离的结果，并证明细胞有丝分裂的抑制 与照射剂量之间存在着定量的关系，这可算是靶学说的最初形式。 靶学说认为辐射生物效应是由于电离粒子包括电磁波击中了某些分子或细 胞内的特定结构( 靶) 的结果。电离辐射引起生物大分子的失活、基因突变、染 色体断裂等都是由于电离粒子击中了其中的靶并在其中发生了电离事件的原因。 靶学说的基本概念指出了最终生物学效应与照射时候发生的最初的物理变 化有着确切的关系。 靶击类型分为单击效应和多击效应。在一个生物结构( 靶) 中发生一次电离 或者有一个电离粒子穿过，从而产生某种所期望的生物效应，就叫做一次击或单 击。在单击中，如果n o 是大分子的原始数，n 是受剂量d 后的未失活分子数， 那么，尚未被击中的大分子将随照射剂量增加( d d ) 而被击中。可用公式： - d n n o = d d d o 表示，这里d 。是大分子平均一次被击中所需要的剂量。对这个公式积分可以得 到大分子活力随着剂量的增加而呈指数下降，故称为指数失活。按照一次击中假 说，被观察的效应只需要一次击中就可发生，因此d o 也常被称为平均失活剂量， 对细胞来说称为平均致死剂量。多击的剂量效应曲线常呈s 型。这是靶子需要2 次或2 次以上的电离事件才能引起辐射变化。多击效应比较复杂，最终的效应可 郑州人学硕士论文第一章绪论 由两种或两种以e 过程组成。其中之一是单击类型，故在开始时候，反应与剂量 成正比；另一种是“二次击中”类型，开始时候反应与剂量的平方成正比。 1 5 低能离子的特点及其生物学效应研究进展 低能离子由于其射程的比较短，在凝聚态靶中的注入深度不超过l ”m ( 6 】，所 以在开始的时候并没有引起科学家们的重视。在2 0 世纪，人们对离子束的研究 主要集中在高能离子上。而且离子束技术在8 0 年代以前主要是应用在对金属和 半导体的材料改性上，利用加速器产生的离子束对各种样品进行定性、定量分析， 是六十年代末、七十年代初发展起来的一种有效的实验分析方法。利用离子束对 样品表面进行分析，可以获得重要信息，这些信息是我们在分析样品时候急需的 信息。包括样品表面的元素组成、元素在样品表面的含量、元素在表面的排列情 况等。正是基于离子束在材料改良上的应用的启发，在八十年代中国科学家余增 亮首先尝试了将离子束技术应用于生物体上，并获得了重大成果，也引起了国内 外专家学者的密切关注【7 j 。 由于离子束本身是低能重离子，离子本身有一定的质量，所以它与生物体 的作用过程和y 射线与x 射线相比更为复杂。传统的射线辐照生物体的损伤随 剂量的加大而呈指数增大，而离子注入所致的生物体的辐射损伤却随剂量的加 大而变小，呈“马鞍型”剂量一存活效应曲线。离子束技术和其它方式的诱变 相比，有自身特别的优点。用于辐照的离子束的参数除了能量可调外，离子种 类、电荷、质量均可调，可操作性好，具有集束可控性；离子束注入生物体引 起诱变，可以在较轻损伤的情况下，获得较高的突变率和较广的突变谱。 这就表明离子束根本不同于y 射线和高能电子束等诱变源的诱变机理。离 子束与生物体的相互作用既存在能量交换的过程，同时又存在质量沉积和电荷 转移的过程。低能离子作用于生物体表面，可以产生两种溅射，即离子溅射， 也就是二次电子发射，和电子溅射。这两种方式的溅射就可以使生物体表面层 层剥离，使生物体内原来不相通的通道在一定距离内连通，从而使后续离子能 够穿行较长距离，更可能地引起生物体的突变。有人认为低能离子对生物体的 诱变作用是由于离子注入引起的次级作用的结果，甚至是热效应所致【6 8 】，但是 越来越多的证据表明这种生物效应是离子直接作用的结果9 ，”1 。对于离子束的这 种作用，人们己做了大量研究，证实低能离子在生物体内确实存在超长穿透距 离- 1 1 。质量沉积效应为低能离子所特有，沉积方式与注入离子的种类有关。如 郑州大学硕士论文 第一章绪i = 仑 果注入的是惰性气体就搀杂在生物靶内。如果注入的是金属离子，除以各种无 机离子的形式沉积下来，还可以通过与靶分子或者自由基结合成络合物的形式 沉积。如果注入细胞的是活性离子( n + 、h + 、o + 、c + ) ，则它们在沉积过程中 将不断与周围的移位原子、本底原子发生化学反应，产生新的分子或基团，这 就是“质量沉积”效应。如果这些反应发生在细胞的遗传物质上将直接导致d n a 的损伤和突变。离子注入n 一萘乙酸的实验证实了这一点 ”1 。n 一萘乙酸是具 有类似于氨基酸和核苷酸的稠环芳香族结构的有机物，分子本身由c 、h 、o 三 种元素构成，不含n 元素。但是在注入n 离子后，通过茚三铜法却得到了氨基， 并与注入n 离子存在一定的关系。除了能量沉积外，离子束的电荷效应对外源 d n a 的转移提供了很好的环境。由于细胞表面的负电型，带负电的外源d n a 进入细胞时就受到了抑制。但是如果注入带有j 下电荷的离子束，除了会影响细 胞的负电性、改变细胞的跨膜电场外，还可通过影响d n a 碱基间的质子涨落、 电子转移、对d n a 起保护和损伤双重作用【l ”。 低能离子束技术自从用于作物改良后，取得了很大的成绩和良好的效果。 中国农科院和北京师范大学用3 5 k e v 的n + 剂量为1 0 1 4 1 0 ”i o n s c m z 处理甜菊 干种子，结果表明甜菊产量显著提高，总产糖量比对照增加8 3 ，尤其是菜包 迪a 甙( r e b a u d i o s i d e a ) 产量比对照增加1 6 2 f 1 4 】。离子束注入烟草种子， 在适当剂量下其当代烟叶的外观和品质均有大幅度的提高。曾宪贤1 1 q 等用 n + 注入甜菜种子，在剂量为4 1 0 1 6 i o n s 锄2 和6 1 0 1 6 i o n s c m 2 时，甜菜的叶子、 根等性状的生长势促进很大，单粒种9 6 0 3 品系糖度提高了1 2 ，根重提高了 4 2 。番茄( 早霞) 干种子，m 1 代出现了早熟大果变异株，m 3 代趋于稳定， 从中选出5 个品系较对照单果重增加1 2 3 3 0 5 。运用离子注入诱变选育 出的2 个水稻品种中熟早籼s 9 0 4 2 和早熟晚粳d 9 0 5 5 ，具有产量高、米质优、 抗病性强等优点，1 9 9 4 年通过安徽省品种审定委员会审定，被评为安徽省优质 稻米。该两品种现已大面积推广，创造了很大的经济效益和社会效益，称为世 界上首次用该方法选育出成功的农作物新品种1 7 】。黄群策用低能氮离子束注入 同源四倍体水稻，获得了高结实率和具有一定遗传的突变株1 1 8 1 。玉米、大豆、 茶树、甘薯和谷子的品种改良也取得了可喜的进展。 在转基因方面，通过离子束技术获得的转基因新品种也取得了很大成果。 我们实验室利用离子束辅助外源作物基因群转移方法对新九、豫麦5 2 、温六等 郑州大学硕十论文 第一章绪论 优良麦种开展研究，获得了大量的优质材料，一些己经通过省级审定【1 9 。用离 子注入的方法将抗枯萎病的比克式棉d n a 导入泗棉2 号，获得抗病棉花新品系 口。吴丽芳等将大豆总d n a 转入小麦中，得到蛋白质含量高达2 5 的小麦新 品种。吴跃进等将玉米总d n a 转入水稻中，得到光合效率提高8 0 的玉米稻。 谷运红用离子束辅助农杆菌介导g u s 基因转化拟南芥菜幼苗试验证实：如果不 经离子注入直接与农杆菌共置，得不到转化株，而如果由离子束辅助介导的， 转化率达到3 的可喜结果 2 1 】。除此之外，离子束技术在创造新资源与远缘杂 交方面也存在很大的潜力。如卞坡用3 0 k e v 的a r + 离子束在1 5 x 1 0 ”i o n s c a n 2 的注入剂量下介导外源甘蓝全d n a 导入模式植物拟南芥菜，在9 4 株转化当代 植株中，有6 株发生表形变异。用s o u t h e r n 杂交的方法检测到甘蓝基因在拟南 芥菜中确实获得了表达口2 1 。华中农业大学用氮离子注入水稻无融合生殖材料， 使后代无融合生殖率从1 4 提高到了4 8 ，这对水稻杂种优势一系法利用具有 重要意义。安徽省农业科学院用同样的方法育成的具有温敏型黄化标记性状的 光敏核不育系，对水稻杂交制种及杂种鉴定都具有重要意义【2 ”。 离子注入技术在动物和微生物上的应用也值得关注。离子注入技术应用于 动物品种的改良最早是在家蚕上开展的。用氮离子注入蚕卵和蚕蛹，不仅观察 到一些特殊的生物效应，而且从1 9 9 0 年以来从离子注入后代中选育出一批优良 的基因性材料，经选择有全茧量和茧层量增大，纤度增粗趋势。在微生物方面， 中国科学院等离子体物理研究所先后对利复霉素、花生四烯酸、v c 、柠檬酸生 产菌种进行改良。经诱变筛选，利复霉素发酵水平提高4 0 ，2 0 吨罐化学效价 达6 3 0 0 单位【2 4 ；花生四烯酸生产菌是经离子束辐照，发酵水平提高较多的另一 品种，其产酸量最终提高致细胞干重的4 5 t 25 1 ，在5 0 吨发酵生产花生四烯酸 占总脂的5 0 以上，是美国专利水平的2 5 倍。王艳萍用氮离子注入对嗜碱芽 孢杆菌进行诱变育种，获得了产生b 环糊精葡萄糖基转移酶是出发菌株2 倍以 上的高产菌株，酶活力可达6 0 0 0 u m 1 以上，已经到工厂进行上罐试验。 1 6 离子束与生物分子的作用过程以及研究现状 研究离子束对生物分子的作用，是研究离子束诱变机理的一个重要方面， 具有重要的理论价值。 具有一定能量的荷能离子入射到靶物质中，将与该物质原子发生相互作用， 其作用形式主要有： 郑卅j 大学坝十论文 第一章绪论 1 入射离子的原子核与靶原子电子和靶原予核之间的作用。主要有： a 与靶原子核外电子发生非弹性碰撞，即电子阻止，它引起靶原子的电离或激 发： b 与靶原子核发生弹性碰撞，即核阻止； c 与靶原子核外电子发生弹性碰撞。 2 靶原子核与入射离子中束缚电子之间的库仑作用。 3 入射离子中的电子与靶原子中的电子之间的相互作用。 通过这些作用，入射离子逐渐损失能量，达到慢化，最后由于电荷交换效应， 入射离子俘获电子成为中性粒子，并沉积在靶物质中。同时，还可以定的几率 与靶原子结合成键。 目前，已经有不少关于低能离子辐照损伤生物小分子的相关报道，得到了一 些实验结果 2 6 - 3 0 】。例如黄卫东等对k e v 离子轰击生物分子的剂量曲线进行了研 究，发现了分子残存率呈马鞍型剂量曲鲥3 1 】。李凌云等对m e v 质子辐照尿嘧啶 的剂量效应进行了研究，认为离子剂量与分子残存率基本符合靶模型的预期，同 时辐照可以产生其它种类的小分子，并且产物总量呈现出先上升后下降的趋势 【3 2 。另外还有大量的文章报道了不同分子被轰击后产物的生成规律3 3 4 ”，对辐 照可能的产物进行了详细研究。但是结果相互之间差异比较大，要总结规律，还 需要大量精确的数据。 1 7 本论文的主要研究内容 自上个世纪八十年代中期发现低能离子注入可以引起植物种子产生可遗传 变异以来，低能离子作为一种新的基因诱变和基因辅助加工工具得到了广泛的关 注 3 5 , 3 6 。对于高能离子以及x 、y 等射线所产生的生物效应的研究已经有很久的 历史了，对其机理也已经有了比较清楚的认识。但是对于低能重离子，目前还没 有比较统一的看法。为了清楚地认识低能离子生物效应的机理，近年来在国内外 进行了大量的研究工作。在基金重大项目的支持下，对于离子在生物体中的分布 规律有了相对比较明确的认识，证实了低能离子在干种子中的射程确实有其特殊 性 3 7 , 3 8 】。但是对于离子在其所作用区域产生的效应，尤其是对生物分子的损伤规 律还缺少研究。 d n a 、r n a 作为生物体的主要遗传物质，是产生辐射突变的主要靶物质。研 究重离子对它们及其基本组成单位的辐照损伤规律，对于揭示相关的机理很重 郑卅j 大学坝十论文第一章绪论 要。 本论文主要研究的内容有以下几个方面： 1 应用不同能量、不同剂量率的离子注入胸腺嘧啶、尿嘧啶，分析不同 离子对它们的损伤作用。 2 通过低能旷、a r + 注入不同厚度的尿苷样品，分析说明注入离子在不 同厚度样品中的损伤行为。 3 比较在低能离子和高能离子注入下，对样品尿嘧啶损伤的区别。 4 用h p l c 分析高能离子注入样品尿苷与胸苷后，对样品的损伤情况。 邡州人学硕上论文 第_ 章紫外一可见光谱法对辐照后样品的分析 第二章紫外一可见光谱法对辐照后样品的分析 2 1 紫外一可见吸收光谱法的基本原理 分子的紫外一可见吸收光谱法是基于分子内电子跃迁产生的吸收光谱进行 分析测定的一种仪器分析方法，波长范围为2 0 0 - - 8 0 0 n m 。由于分子中除了电子 运动之外，还有组成分子的各原子间的振动，以及分子的整体转动，这3 种运动 状态都对应有一定的能级，及电子能级、振动能级和转动能级。当分子吸收外来 的辐射后，发生电子能级间的跃迁时，伴随有振动能级和转动能级的跃迁，产生 相应的电子光谱、振动光谱和转动光谱：振动光谱位于远红外区，又称远红外光 谱；转动光谱位于红外区，又称红外光谱；电子光谱位于紫外区和可见区，又称 紫外一可见光谱。因此，分子的电子光谱实际上是有电子一振动一转动组成的复 杂带状光谱。 由于分子间的相互作用和溶剂的极性影响，分子的电子光谱中，转动光谱和 振动光谱的精细结构消失，得到的是一条很宽的吸收光谱带。由于这个原因，紫 外一可见吸收光谱不能广泛用于有机化合物的鉴定，但对于含有生色团和共轭体 系的有机化合物的鉴定仍是有用的。紫外一可见吸收光谱法有很多的特点，在整 个的仪器分析中占有重要的地位。它可以用于物质的常量( 1 一5 0 ) 、微量 ( 1 一1 0 - 3 ) 和痕量分析( 1 0 1 一1 0 “) ；能用于元素周期表中几乎所有 的金属元素的测定，亦能用于金属元素的分析，在有机化合物定性鉴定中，也是 一种重要的辅助工具。另外，仪器简单，价格便宜，操作方便。紫外可见吸收光 谱法在鉴定之前，先将光谱分光，然后测定其吸收度，因此也称为分光光度发， 所以仪器称为分光光度计。 方法原理：紫外可见吸收光谱法起源于分子中电子能级的交化，各种化合 物的紫外一可见光谱的特征也就是分子中电子在各种能级间跃迁的内在规律的 体现。因此，我们可以对化合物进行定量的分析，深入认识有机化合物的结构。 紫外光谱图的横坐标一般用波长表示( 单位为r i m