紫外光生电子诱导DNA损伤的研究

论文摘要

在辐射治疗中,高能电离辐射对细胞的破坏,最本质是由产生的大量的二次电子和自由基产生的。由于二次电子主要是由能量小于20 eV、平均能量为10 eV的低能电子组成,因此研究低能电子对细胞的损伤对提高癌症放射治疗的效率具有重要的科学意义。遗传因子DNA在细胞及生物体中的作用至为重要,DNA是进行分子水平上机理研究的重要目标分子。由于低能电子热化距离短等因素,目前的低能电子对DNA损伤的研究都局限在真空条件下,无法在大气环境、有水条件下等进行模拟细胞环境的研究,是目前相关课题研究中存在的重大问题,如何在大气环境下进行低能电子对DNA损伤的研究是解决以上问题的关键。本文在大气环境下实现了产生极低能电子并对DNA损伤进行了初步的探究：以质粒DNA为研究对象,将其负载在不同性质基底材料上,通过低温冻干抽干制成DNA干膜；在自制密闭装置中,以氙灯与低压汞灯两种不同能量紫外光辐照DNA,穿透DNA的紫外光可以通过光电效应激发基底材料产生光生电子。受光源能量与基底材料功函数的共同限制,产生的光生电子大约处于0-1 eV极低能电子区,该部分电子溢出基底材料表面直接与DNA作用产生破坏。实验装置为自主搭制,对实验条件进行了测试与调整,测定了材料功函数,利用电化学工作站对基底材料进行光电流检测。实验结果表明：1)紫外光生电子对DNA产生显著的破坏。2)光源热效应、氮气流量和装置荷电等因素会对DNA产生破坏,实验背景值通过在石英玻璃上的相同实验进行扣除。3)根据辐射系数、光电流等数据,估算到达钽箔上的光子流量约为（0.1-1.4）×1015 photons/（s·cm2）,电子产率为（0.6-5.5）×10-4electrons/photon（电流稳定值）到（0.2-2.1）×10-3 electrons/photon（电流峰值）,电子损伤量子产率约为2.6×10-3 molecules/electron, EF值为1.4。4)紫外光对DNA的破坏总量仅为（0.2-1.1）×10-8D/100 eV,低能电子G-values则达到了（0.20-0.72）D/100 eV。5)低能电子对DNA的损伤过程可能是电子与DNA分子形成瞬态阴离子,通过Shape Resonance和Nuclear Feshbach Resonance两种共振方式发生分子解离（DEA过程）,进而实现对DNA的破坏。本论文将低能电子的辐射实验从超真空转入大气环境,首次利用光电效应产生极低能光电子（0-1 eV）,结果显示出低能光生电子能有效地对DNA进行破坏,实验探究了大气环境下极低能电子对DNA损伤及可能机理。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 主要符号表
• 第一章 前言
• 1.1 DNA的生物背景
• 1.1.1 DNA生物学基础
• 1.1.2 细胞死亡通路
• 1.2 射线与物质的相互作用
• 1.2.1 辐射源
• 1.2.2 电磁辐射
• 1.2.3 电子辐射
• 1.2.4 电子与分子作用过程
• 1.2.4.1 直接作用与共振作用
• 1.2.4.2 瞬态阴离子共振类型
• 1.2.4.3 电子吸附的解离（DEA）
• 1.2.5 粒子的能量损失
• 1.2.6 水与辐射
• 1.3 低能电子在DNA损伤中的研究
• 1.3.1 DNA损伤中的低能电子
• 1.3.2 DNA损伤的应用
• 1.4 本文立题依据
• 第二章 实验部分
• 2.1 实验试剂与仪器
• 2.1.1 实验试剂
• 2.1.2 实验仪器
• 2.2 实验内容
• 2.2.1 DNA的制备
• 2.2.1.1 大肠杆菌的培养
• 2.2.1.2 质粒DNA的提取
• 2.2.2 DNA的表征
• 2.2.2.1 DNA浓度以及纯度测定
• 2.2.2.2 DNA组分含量校正
• 2.2.3 实验条件控制
• 2.2.4 基底材料选择
• 2.2.5 光损伤实验
• 2.2.5.1 DNA膜制备
• 2.2.5.2 实验装置
• 2.2.5.3 紫外辐照实验
• 2.2.5.4 样品的回收与DNA损伤分析
• 第三章 极低能光生电子对DNA损伤的研究
• 3.1 引言
• 3.2 质粒DNA的表征
• 3.2.1 DNA纯度与浓度测定
• 3.2.2 DNA的组分含量校正
• 3.3 实验条件控制
• 3.3.1 光源选择以及其光谱对比
• 3.3.2 光源热效应控制
• 3.3.3 装置荷电消除与氮气流量控制
• 3.4 基底材料选择
• 3.4.1 光电流测定
• 3.4.2 基底材料功函数测定
• 3.4.3 实验装置背景值
• 3.5 紫外诱导光生电子对DNA的损伤
• 3.5.1 氙灯下DNA损伤的分析与评价
• 3.5.1.1 辐射时间损伤曲线
• 3.5.1.2 电子产率的计算
• 3.5.1.3 DNA损伤量子产率的计算
• 3.5.1.4 氙灯紫外光诱导DNA损伤的G-values的计算
• 3.5.2 汞灯下DNA损伤的分析
• 3.5.2.1 辐照时间损伤曲线
• 3.5.2.2 DNA在钽基底上的成膜情况
• 3.5.3 紫外诱导光生电子对DNA损伤的机理探究
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 致谢
• 个人简历
• 在学期间研究成果