低能離子注入彩棉種子的生物物理機理

孫 毅 劉效勇 井 群 黃旭初

(1.昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100; 2.石河子大學(xué)生態(tài)物理重點實驗室 新疆 石河子 832000; 3.石河子大學(xué)師范學(xué)院物理系 新疆 石河子 832000;)

低能離子注入彩棉種子的生物物理機理

孫 毅1劉效勇2,3井 群2,3黃旭初2,3

(1.昌吉學(xué)院物理系 新疆 昌吉 831100; 2.石河子大學(xué)生態(tài)物理重點實驗室 新疆 石河子 832000; 3.石河子大學(xué)師范學(xué)院物理系 新疆 石河子 832000;)

通過建立與生物組織較為接近的靶模型,采用MonteCarlo方法研究了低能離子注入植物種子誘變的機理,為進一步指導(dǎo)育種實踐提供重要的理論指導(dǎo)。結(jié)果表明在 20-200keVN+注入彩棉種子,離子的深度在 0-22μm之間,對于單個細胞大量離子被阻停在細胞質(zhì)內(nèi)較淺的區(qū)域,這段區(qū)域很可能是低能離子與生物組織發(fā)生三因子效應(yīng)的主要區(qū)域,對于“馬鞍型”曲線產(chǎn)生的原因推測是由能量、質(zhì)量和深度等因素共同決定。

離子注入;蒙特卡羅模擬;種子;存活劑量關(guān)系

離子束用于誘變育種、細胞加工、轉(zhuǎn)基因等方面,已經(jīng)取得顯著的進展[1,2]。但是,到目前為止,這方面的理論研究尚很不完善,尤其是低能離子束生物效應(yīng)的機理仍然很不清楚。問題的關(guān)鍵是質(zhì)量、能量、電荷三位一體的低能離子怎樣進入生物體,進入生物體后沉積的深度 -濃度分布規(guī)律,以及沉積所造成的影響[3]?；谏锝M織內(nèi)含有 H、N等元素,造成實驗上檢測 H+、N+等與生物體的相互作用有一定的困難,現(xiàn)有的理論計算方法多局限于重離子與生物組織的相互作用[4],且計算方法有一定的局限性[5],為此本文提出一個較接近于實際的生物靶模型和相對可靠的計算方法,為研究低能離子束與生物體之間的原初作用提供了理論依據(jù)。

1 物理模型

將植物種子中的單個細胞劃分成細胞壁、細胞膜、細胞質(zhì)、亞細胞顆粒四部分。用纖維素 (C6H10O5)n來模擬細胞壁,膜磷脂NC41H80O8P近似細胞膜的主要成份,水 H2O近似細胞質(zhì),假設(shè)各種亞細胞顆粒(隨機細胞器)分布在細胞質(zhì)內(nèi),亞細胞顆粒的大小一般在 1-5μm之間,其各元素的原子比可以通過靶材料內(nèi)蛋白質(zhì)和脂肪的組成與含量得到。試驗測得彩棉種子的組成與含量分別為:水分 6.1%、脂肪 33.4%、蛋白質(zhì) 38.5%、碳水化合物 14.6%、纖維素 2.1%和無機鹽 5.3%。根據(jù)蛋白質(zhì)與脂肪的組成和含量,可以計算出亞細胞顆粒的分子組成近似為(忽略碳水化合物、無機鹽)C16H30N3O5。根據(jù)細胞結(jié)構(gòu)建立的靶模型參數(shù)見表1 ,如果離子能夠穿過這 4個區(qū)域?qū)⑦M入下一個循環(huán)。

表1 模型的主要參數(shù)Table1 Main parametes of the model

2 計算方法

2.1 核碰撞能量損失根據(jù)經(jīng)典的兩體碰撞理論,粒子同靶原子的單次散射后能量轉(zhuǎn)移為:

其中M1、M2分別為入射離子和靶原子質(zhì)量,E0為入射粒子的初始能量,θc為質(zhì)心系下的入射粒子的散射角。若散射截面為 dσ=2πpdp,其中 p為碰撞參數(shù),靶材料的原子密度為 N,那么當該粒子在固體中穿行長度為Δx時,可以得到核阻止本領(lǐng)的表示式:

其中 Sn表示核阻止截面,由下式給出:

2.2 射程的計算

近似認為核碰撞能量損失和電子碰撞能量損失相互獨立,在電子碰撞能量損失忽略的情況下,入射粒子在單位路徑上的總能量損失為:

根據(jù)布拉格提出的阻止截面具有線性疊加的特性,對于具有相當于AmBn組成的混合物其阻止截面由下式給出:

其中,SA和 SB分別是A原子和B原子的阻止截面。分別計算 C、H、O、N元素總的核阻止截面 Sn,可得到入射粒子在生物材料中的總阻止截面 S。若用 R表示粒子在靶材料中的實際穿行路程,那么粒子在靶材料中的總射程可以表示為:

2.3 碰撞參數(shù)和自由程的確定

在低能情況下,碰撞自由程L(N)可以近似為原子間的平均間距,若每個單位步長距離 Si是隨機的,則直接抽樣可得碰撞步長,表示為:Si=-L(N)lnξ1,其中N表示靶原子密度,ξ1表示[0,1]之間的隨機數(shù)。在程序設(shè)計中,通過長度為L(N)的飛行路程中隨機抽樣得到可能發(fā)生的碰撞的碰撞參數(shù) p= [-lnξ2/πNL(N)]1/2,其中ξ2表示[0,1]之間的隨機數(shù)。

2.4 散射角和方位角的確定

入射離子在靶材料中的散射角與微分散射截面 dσ有關(guān),由碰撞參數(shù)通過數(shù)值計算可以得到相應(yīng)的散射角,但散射角應(yīng)滿足一定的范圍[θmin,π],其中θmin的大小由下式?jīng)Q定:

方位角Ψ為 0到 2π之間隨機分布,因此可以抽樣得到:Ψ =2π ξ3,其中ξ3為 0到 1之間的隨機數(shù)。

3 計算結(jié)果與分析

根據(jù)上述原理,采用MonteCarlo方法模擬計算N+注入彩棉種子,近似認為注入離子與靶原子在經(jīng)過自由程碰撞后平均偏轉(zhuǎn)角小于 5度,當注入離子能量小于 5eV終止循環(huán)。通過跟蹤 5000個離子歷史,分別記錄能量損失和射程。

3.1 能量與射程分布

根據(jù)帶電粒子在靶材料中的能量損失機制,在 20-200keV能量區(qū)間電子阻止可以忽略,只計算核碰撞能量損失,通過計算得到靶模型 4個區(qū)域內(nèi)阻止本領(lǐng)和能量之間的關(guān)系 (圖 1)。從圖 1可以看出在 4個不同區(qū)域,核阻止本領(lǐng)和能量的變化關(guān)系略有不同。細胞質(zhì)區(qū)間曲線變化較為平緩,其他 3個區(qū)間隨著能量的增加核阻止本領(lǐng)在逐漸減弱,在 20-80keV區(qū)間去曲線相對較陡,在 80-200keV區(qū)間曲線相對平緩。離子在細胞壁、細胞膜和隨機細胞器中的核阻止與電子阻止隨能量的變化關(guān)系相差不大,在細胞質(zhì)區(qū)域核阻止相對較小,這與不同區(qū)域內(nèi)靶材料的組成相關(guān)。由于隨機細胞器主要由蛋白質(zhì)和脂肪組成,在很小的體積內(nèi)蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)近似于晶體結(jié)構(gòu),因此在這個區(qū)域內(nèi)對離子的射程影響最為明顯。然而在細胞質(zhì)內(nèi)是由水構(gòu)成的,離子在這個區(qū)域內(nèi)受到的阻止作用就相對小一些。相關(guān)文獻計算表明,當能量在 103(或更小一些)-105eV范圍時,核阻止本領(lǐng)近似為與離子能量無關(guān)的常數(shù)[6,7]。在本文的物理模型下,計算表明只有在細胞質(zhì)區(qū)域核阻止本領(lǐng)才可以近似為與離子能量無關(guān)的常數(shù),這說明在計算離子束與生物組織相互作用過程中使用這個近似關(guān)系,即用水來近似生物組織的主要成分。在能量為 20-80keV之間曲線變化明顯,這表明隨著入射深度的增加,離子能量減少,核阻止本領(lǐng)增加,當能量減少到對應(yīng)于核阻止本領(lǐng) -能量曲線起始位置時,能量損失急劇增加,其剩余能量在很短的射程內(nèi)幾乎全部損失掉,從而會形成一個能量沉積的Bragg峰。

通過計算總阻止本領(lǐng)和能量的關(guān)系,代入射程的計算式可以得到能量與射程的關(guān)系(圖 2)。從圖 2可以看出在 20-200keV區(qū)間,射程為 0-22μm區(qū)間,N+注入彩棉種子的射程隨能量的增加逐漸增加,經(jīng)過擬合可以得到一個較為簡單的多項式:y=0.125x2+6.547x+7.835。實驗上通常選擇的能量在 20 -40keV之間,由計算得到的相應(yīng)射程為 2-4.5μm,在細胞質(zhì)的淺層區(qū)域,表明這段區(qū)域很可能是低能離子與生物組織發(fā)生三因子效應(yīng)(質(zhì)量沉積、能量沉積、電和交換)的主要區(qū)域。

3.2 能量沉積作用

圖 3為 30keVN+在靶模型中 4個不同區(qū)域內(nèi)的能量沉積曲線。從圖 3可以看出 4條曲線的總體趨勢一致,曲線前端較為平緩,末端急劇上升,其能量主要沉積在細胞的淺層區(qū)域,說明低能離子對細胞淺層區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)損傷最大,對細胞表面性能的損傷也最厲害。對于單個細胞,細胞壁和細胞膜占整個細胞的比例較少,能量沉積可以忽略不計。隨著入射深度的增加離子能量沉積也逐漸增加,細胞質(zhì)和隨機細胞器 2個不同區(qū)域能量沉積分別在 1.96μm和 2.62μm處達到最大值。

3.3 離子濃度與生物效應(yīng)

實驗上主要通過測量重離子的濃度 -深度分布來分析離子束與生物組織的原初作用,考慮到不同離子所產(chǎn)生的生物效應(yīng)有較大的差異,在本文的物理模型下計算了 30keVN+注入彩棉種子的濃度 -深度分布,計算結(jié)果見圖 4。從圖 4可以看出 N+離子的濃度 -深度曲線呈現(xiàn)為有拖尾的非對稱高斯分布,峰值位置在 2.50μm,大量離子被阻停在 0-10μm的深度范圍。根據(jù)假設(shè)模型在這個區(qū)域仍然在單個細胞內(nèi),大量離子穿過細胞膜和細胞壁,停留在細胞質(zhì)的淺層,部分與隨機細胞器發(fā)生作用。文獻[5]采用 Tr im程序計算得到能量碰撞損失,然后根據(jù)實驗結(jié)果對 LSS理論修正得到 20keVN+注入棉花種子的最可幾深度(離子濃度最大值所對應(yīng)的深度)是 8μm,最大深度是 20μm,本文認為這個計算結(jié)果有待考究。基于實驗手段和儀器的限制,目前無法從實驗上測量N+注入棉花種子的射程分布,這就使得無法根據(jù)實驗結(jié)果對LSS理論中的能量損失進行修正,而由 Trim程序計算得到的能量損失與實驗結(jié)果有較大的差異,不能用于計算低能離子與生物組織之間的相互作用[8]。本文的計算在對靶材料進行簡化改進的基礎(chǔ)上,通過經(jīng)典的兩體碰撞理論和嚴格的數(shù)值計算,沒有使用相關(guān)的經(jīng)驗公式,與對 LSS理論進行修正的計算方法相比是一種相對可靠的計算方法。

在離子注入生物學(xué)效應(yīng)研究中,N+注入的劑量 -效應(yīng)關(guān)系呈特有的類“馬鞍型”,對此類曲線產(chǎn)生的機理有質(zhì)量沉積模型、自由修復(fù)模型和碎片重組修復(fù)模型等多種不同的解釋[10]。對于這些解釋都與低能離子與生物組織的原初作用相關(guān),即在深度小的區(qū)域生物效應(yīng)弱,在深度大的區(qū)域生物效應(yīng)強,這暗示著深度和生物效應(yīng)之間存有一定聯(lián)系。根據(jù)本文的物理模型若將相對離子濃度和能量作為物理參量,將離子的注入深度轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的生物效應(yīng),發(fā)現(xiàn)經(jīng)過疊加所得到的參量 -效應(yīng)關(guān)系曲線與劑量 -效應(yīng)關(guān)系曲線有很高的相似性(見圖 5)。從圖中可以看到 2條趨向都呈現(xiàn)為先下降再升高的“馬鞍型”,但曲線的最低轉(zhuǎn)折點和鞍點的位置有所不同。由此推測“馬鞍型”曲線產(chǎn)生的原因:在特定的能量下,劑量與效應(yīng)之間的關(guān)系可以認為是由能量和濃度 2個主要參量與深度之間關(guān)系的疊加,認為是能量沉積和質(zhì)量沉積兩方面因素所導(dǎo)致?；趨⒘?-效應(yīng)關(guān)系曲線是在假設(shè)深度和效應(yīng)之間有一定的聯(lián)系的基礎(chǔ)上得到,要對“馬鞍型”曲線作出更有說服力的理論解釋,還需要更多的實驗依據(jù)。

4 結(jié)語

通過理論計算表明 20-200keV的N+在彩棉種子中的深度隨著能量的增加逐漸增加,它們之間可以表示為一個簡單的多項式形式,在此能量區(qū)間離子的注入深度為 0-22μm,對于單個細胞大部分離子停留在細胞質(zhì)區(qū)域,能量沉積也主要發(fā)生在細胞質(zhì)和隨機細胞器區(qū)域,在不考慮 X射線、電荷交換及其他一些次級作用的基礎(chǔ)上,離子不太可能穿過單個細胞。低能離子對植物種子有明顯的誘變作用[11],這說明僅用核碰撞能量損失來解釋離子束與生物體之間的相互作用是不合適的,電荷交換及碰撞產(chǎn)生的生物效應(yīng)可能是誘變的主要原因。最近等離子體所離子束生物工程學(xué)院重點實驗室在前期輻射遠程效應(yīng)研究的基礎(chǔ)上,進一步證實在植物個體水平輻射誘導(dǎo)的遠程誘變效應(yīng)的存在,為低能離子的誘變機理提供了重要的實驗依據(jù)。低能離子束誘變機理的研究在探索生命過程和定向改良品種兩方面都將發(fā)揮越來越重要的作用。

[1]余增亮,邱勵儉,霍裕平.離子注入生物效應(yīng)及育種研究進展[J].安徽農(nóng)學(xué)院學(xué)報,1991,18(4):251-257.

[2]曾憲賢,武寶山,呂杰.離子束生物技術(shù)在生命科學(xué)中的應(yīng)用[J].核技術(shù),2006,29(2):112-115.

[3]衛(wèi)增泉,韓光武,周光明,李強,頡紅梅.超低能離子注入作物育種的一種重要機制[J].生物物理學(xué)報,1996,12 (2):315-320.

[4]張豐收.離子與生物分子相互作用的微觀動力學(xué)理論[J].原子核物理評論,2006,23(1):23-43.

[5]王林香,祝恒江,王世亨,王先明.低能 N+注入植物種子射程分布的模擬計算[J].高能物理和核物理,2007,31 (3):311-315.

[6]呂曉桂,羅遼復(fù).低能離子束在植物種粒和微生物中的穿透深度[J].生物物理學(xué)報,2006,22(1):57-61.

[7]余增亮.離子束生物技術(shù)引論[M].合肥:安徽科學(xué)技術(shù)出版社,1998:41-45.

[8]汪新福,陸挺,周宏余,朱光華,丁曉紀.低能 V+注入花生種子的深度研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2002,36(6): 531-534.

[9]王新繪,李冠,呂杰,張秋云.氮離子注入彩棉種子引起M1代的變化[J].激光生物學(xué)報,2004,13(4):294-297.

[10]李珂,張東正,趙瑾,張根發(fā).重離子束注入與生物體的相互作用及遺傳誘變的分子機制[J].原子核物理評論, 2007,24(2):117-123.

[11]馬飛,馮偉森,張莉,王從曉,張學(xué)品,吳少輝,溫紅霞,高海濤.離子束生物技術(shù)在藥用植物遺傳改良中的應(yīng)用前景[J].中國農(nóng)學(xué)通報,2010,26(4):37-40.

Q319.2

A

1671-6469(2011)02-0099-06

2011-02-24

昌吉學(xué)院自然科學(xué)基金項目資助(08YJYB012)

孫毅 (1981-),男,新疆喀什人,昌吉學(xué)院物理系,講師,在讀博士,研究方向:凝聚態(tài)物理研究。

(責(zé)任編輯:代琴)