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1、低能离子与有机体相互作用低能离子与有机体相互作用国外研究进展国外研究进展冯慧云冯慧云 余增亮余增亮 朱剑豪朱剑豪 中科院、安徽省离子束生物工程学重点实验室中科院、安徽省离子束生物工程学重点实验室香港城市大学香港城市大学低能粒子在宇宙空间、各类地表面中广泛存在或发生 宇宙射线的大气“簇射”、雷电、衰变 肿瘤治疗:各类粒子与靶组织相互作用的径迹产生低能二次粒子；高能离子射程末端区域 宇航生命支撑：宇宙高能粒子慢化后击中并沉积在宇航员身体细胞内，具有潜在的致突致癌性 分子起源与进化：宇宙低能粒子轰击各类星体的冰状表面形成星际分子、近地生物突变2000以后，一种普遍接受的观点是： 高能离子对生物体辐射
2、损伤实际上是一系列低能事件（甚至低至几到几十eV)的综合结果。 D. Michael, P. ONeill, Science 287 (2000) 1603. 研究背景低能离子对于水分子的损伤效应keV能量的原初粒子与含水的生物体作用，产生具有热动能的解离片断fragment ion spectroscopy低能离子引起气态水分子的片断化和电离 低能离子引起气态水分子的片断化和电离 keV能量的原初粒子与含水的生物体作用，产生具有热动能的解离片断,fragment ion spectroscopy水分子经4keV He2+碰撞产生的碎片的能谱。检测角度分别为25, 90, 和 135。 H碎片
3、能量为15eV左右。 B. Seredyuk et al, Phys. Rev. A 71 (2005) 022705-7. 50-400keV/amu的H+和C3+引起水分子解离产生各类分子片断的反应截面。对于H+,主要的反应产物是H2O+(电离化，部分解离）, (H2O+)(OH+)(O+)对于C3+,完全解离，形成更多的H+和O+低能离子引起气态水分子的片断化和电离反应截面反应截面 重离子比轻离子的解离效率要高低能粒子辐射水冰的研究 水冰的溅射以及新的化合物的生成，解释地球上生命化学起源、星际分子形成机制的重要研究手段离子束辐射水冰的实验装置 G. A. Baratta et al, N
4、IMB 209 (2003) 283. 实验室模拟宇宙低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究30keV C+辐射水冰生成H2O2和CO2、CO，与木卫二与木卫二观察结果一致观察结果一致 G. Strazzulla et al, Icarus 164 (2003) 163. 低能粒子辐射水冰的研究不同离子辐射水冰形成H2O2的产额与离子剂量的关系，Ar+最高，H+最低，且剂量达到一定值后饱和。 O. Gomis et al, Planet Space Sci. 52 (2004) 371. 低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究30keV He+ 辐射辐射N2:H2O:CH4 60keV Ar2+
5、辐射辐射N2:H2O:CH3OH和和混合溶液冰的红外图谱混合溶液冰的红外图谱 N2:CH3OH混合溶液冰的图谱混合溶液冰的图谱 G. Strazzulla et al, NIMB 166-167 (2000) 13.质量沉积效应：只要试验系统中含氮，不管来自注入离子还是本底元素，都有一定几率形成含氮基团He+和Ar2+辐射含N、O、C的混合冰的红外光谱N+辐射仅含C、H、O的混合冰的红外光谱 G. Strazzulla et al, NIMB 166-167 (2000) 13.实验室模拟宇宙低能粒子辐射水及各种简单溶液冰的研究 离子注入简单分子合成含氮化合物，包括氨基酸和核苷酸 Ar+注入H
6、2O:N2，生成NO2, NO, N2O Ar+注入N2:H2O:CH4,生成CO2,HNCO,N2O,CO, HCN,CH2N2 N+注入只含C和O的靶生成R-OCN和HCN N+注入醋酸钠和丙二酸钠合成甘氨酸 N+注入琥珀氨酸合成甘氨酸 和天冬氨酸注入元素可与本底元素共同参与反应，形成新的化合物甚至是级联的合成反应。氰基类化合物如HCN，HNC，HNCO，NH3，NH4OCN，NH4CN可能与生物分子如氨基酸和多肽的早期合成相关 M. H. Moore et al. Icarus 161 (2003) 486-500. T. Schlatholter, F. Alvarado, R. Ho
7、ekstra Nucl. Instrum. Meth. B 233 (2005) 62.4 keV/amu Cq+ (q = 16) 轰击 胸腺嘧啶离子电荷数与碎片能量的关系电荷效应：keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤离子与DNA/RNA分子相互作用DNA/RNA组成分子: Ion fragment spectroscopy，离子片断质谱DNA链:DNA lesions, SSB, DSB, AFM原子力, electrophoresis电泳, sequence analysis序列分析细胞内的DNA:mutation, in situ DSB assay(DSB原位检测）, Come
8、t assay彗星电泳, sequence analysisEnergetic ion荷能离子荷能离子e-Fragmentation, ionization of bases碱基分子电离、片断化碱基分子电离、片断化Radiolysis of Water 水的辐射裂解水的辐射裂解机理：机理：Secondary electron emission，二，二次电子发射次电子发射keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤F. Alvarado, Physical Chemistry Chemical Physics 8 (2006) 1922.keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Cylindric
9、al electron analyserTotal electron detectorOven样品样品加热加热Ion Time of flight spectrometer飞行时间质谱飞行时间质谱Ion beam 1-150keV*Continuous*Pulsed 5ns连续或脉冲离子束连续或脉冲离子束High resolution electron spectrometer高分辨电子质谱高分辨电子质谱检测检测keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Fragmentation, ionization of bases and sugar5 keV/ amu He+轰击腺嘌呤(a)和脱氧核糖
10、(b)所产生的分子碎片的质谱图；腺嘌呤比脱氧核糖要稳定。 F. Alvarado et al, Phys. Chem. Chem. Phys., 8 (2006) 1922. 200keV Xe10 （上图）和400keV Xe20（下图）轰击胸腺嘧啶所产生的分子碎片的质谱图。B. Manil et al, Nucl. Instru. Meth. B. 205 (2003) 666. keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Fragmentation, ionization of bases and sugar特征：丰富的阳离子和阴离子基团产生，既有低分子量的单原子离子，也有大的靶分子碎片。
11、keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Fragmentation, ionization of bases and sugar50keV H+轰击尿嘧啶分子形成的产物的质谱图不同能量的质子轰击尿嘧啶分子后，沉积于尿嘧啶分子的能量（计算所得）keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Fragmentation, ionization of bases and sugar100eV Ar+轰击胸腺嘧啶碱基(a) 、脱氧核糖(b)和胸腺嘧啶核苷 (c)所产生的分子碎片的质谱图。 Zongwu Deng et al, Physical Review Letters 95 (2005) :15320
12、1. 10-100eV Ar+轰击胸腺嘧啶薄膜引起阳离子和阴离子碎片产生所需的入射Ar+能量阈值。 产生阳离子片断所需的Ar+能量阈值为15-20eV,比产生阴性离子片断所需能量要低。 脱氧核糖的解离产物最为丰富，解离产额较高，所需的入射离子能量阈值也较低。 对于对于100eV Ar+,每个入射离子可每个入射离子可引起引起6个胸腺嘧啶碱基的解离。个胸腺嘧啶碱基的解离。 Z. W. Deng et al, J. Chem. Phys. 123 (2005) 144509-9. keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤Fragmentation, ionization of bases and
13、sugarkeV离子引起DNA/RNA结构损伤机理Electron spectroscopy: H+(100keV) + Uracil100keV H+轰击尿嘧啶分子，形成的二次电子轰击尿嘧啶分子，形成的二次电子质谱检测质谱检测e-H+35Increase of with collision energy形成的二次电子的形成的二次电子的能量随入射离子能能量随入射离子能量增加而增加量增加而增加低能离子与生物分子相作用 二次电子产生 DNA损伤keV离子引起DNA/RNA结构单元的损伤低能离子与生物分子相作用 二次电子E20eV20eV以下能量的二次电子引起DNA链断裂的规律10eV以上能量的二次
14、电子作用于四种碱基分子反应截面keV离子引起体外裸露DNA的链断裂1keV Ar+辐射PUC18质粒DNA1：真空室外对照；24： 真空对照；56：辐射4min； 7： 辐射8min； 8：辐射15min； 9：辐射21min； 10：辐射32minkeV离子引起体外裸露DNA的链断裂4keV Ar+辐射PUC18质粒DNA.78：真空室外对照；1和5： 真空对照；24和6：辐射样品S. Lacombe et al, Phys. Med. Biol. 49 (2004) N65.YDSB/YSSB1更多的更多的DNA碎片产生碎片产生Y. Zhao et al, NIMB 211 (2003)
15、211.离子束与细胞：刻蚀对生物个体进行结构分析固定化的哺乳动物细胞，低能低剂量离子束刻蚀以暴露其内部结构，用于高分辨率的扫描电镜观察 G.de Stasio et al, Microscopy Res. Technique 63 (2004) 115.离子束与病毒：刻蚀对病毒进行结构分析未经离子束刻蚀的样品免疫标记(B细胞中的胰岛)后SEM观察效果。（上图）镀Pt膜；（下图）镀C膜免疫染色后经轻微离子束刻蚀的样品SEM观察效果.N:细胞核；GA：高尔基体；B：B 细胞；Ex：外分泌泡 J. Yahiro et al, Microscopy Res. Technique 67 (2005) 2
16、40.利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析病毒衣壳中遗传物质包装机制的确定病毒衣壳中遗传物质包装机制的确定 棒状病毒棒状病毒、T4、烟草花叶，球状病毒人、烟草花叶，球状病毒人类腺病毒腺病毒2 J.C. Brown et al., PNAS 66 (1992).Ar+刻蚀人类腺病毒，病毒粒子直径与随Ar+刻蚀时间增加而减小Ar+刻蚀后暴露出病毒衣壳的内部核心颗粒小体，呈2重、3重和5重对称分布利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析对照(A) 和5keV N+刻蚀 40s(B)、100s(C) 的T4病毒颗粒20、30、50keV N+刻蚀不同时间后，T4病毒颗粒头部的尺寸利用离子束刻蚀对生物个体进
17、行结构分析T4病毒离子束刻蚀后，其35S标记的蛋白和3H标记的核酸的相对活性，显示蛋白的损失速率大于核酸利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析Ar+刻蚀不同时间的病毒DNA的电泳图Ar+刻蚀后的病毒DNA的1kB以下片断的杂交分析. A：与完整的病毒DNA杂交（对照）B：与刻蚀得到的1KB以下的小片断杂交利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析电泳条带强度扫描定量分析结果病毒基因组主要限制性酶切图谱病毒基因组不同位置的DNA在刻蚀不同时间后的剩余量利用离子束刻蚀对生物个体进行结构分析用完整病毒颗粒进行刻蚀与用裸露病毒DNA进行刻蚀，DNA损失速率的比较离子束介导转基因离子束介导转基因 (Color)
18、 Analysis of transferred pGEM-T easy and pGFP plasmids in ion-bombarded E. coli strain DH5 . (a) The E. coli without pGEM-T(1), and with the transferred pGEM-T(2), (b) Expression of green fluorescent protein in E. coli. The E. coli without pGFP (1), and with the transferred pGFP (2), (c) Measurement of molecular size of pGEM-T easy in gel electrophoresis.(d) Measurement of molecular size of pGFP in gel electrophoresis. -S. Anuntalabhochai and R. ChandejAPPLIED PHYSICS LETTERS, 78(16) 2001pGEMpGFPMol. weightMolecular detection proves the genesto E. coli and express in themMol. weight谢谢大家！
