放射化学 游离辐射产生大量的二次电子c会迅速减速(发热)至能量低于7.4 eV，此为在液态 水中产生电子跃迁的限值。 对原本的带电粒子与其二次电子而言，藉由一连串将能量传给介质的离散事件 完成减速历程。 阻挡本领(-dE/dx)是使之减速历程的连续函数，有时称为”连续减速近似”。 根据传给电子的能量大小，分子会经历： ? 游离 (水中低限值 ~ 13 eV) ? 激发 (水中低限值 ~ 7.4 eV) ? 热传导 影像已移除 本例显示为20 keV的电子。 [ 热传导(振动, 旋转, 转置)意义不大。但剂量达10 4 Gy则需要考量热效应(会增 加几 o C)变得足以影响细胞的生化方面。] 1 放射化学的时间分度 时间 事件 10 -18 一个游离粒子穿过一个分子 10 -15 成功游离之间的时间间隔 10 -14 电子激发物种的解离。能量传导以振动型式(热)。离子与分子之间的反应开始。 10 -13 电子减速转成热能 10 -12 自由基扩散 10 -11 电子溶在极性介质中 10 -10 仰赖非常迅速扩散的反应之完成 10 -8 分子产物形成。 10 -5 具反应性的分子捕获自由基。单独激发态的放射活性蜕变。 10 -3 三态的辐射蜕变。 1 多数化学反应完成。然而在某些系统中反应可持续几天。 影像已移除 2 初始物理事件 初始事件转移出~ 7 - 100 eV，这样的能量足以造成水中分子(多次)游离或激发。 在生物系统中传递给介质能量之过程通常包括水分子的游离，但也可直接包括细胞分子(例如, DNA)。 带电粒子穿过生物系统的路径上透过游离与激发在粒子径迹的局部邻近处产生这三种物种： 水的直接游离会产生一个自由基离子与自由的次游离电子(E < 7.4 eV). H 2 O H??→? 輻射 2 O· + + eˉ 能量传递能产生在激发态的水分子。 H 2 O H??→? 輻射 2 O* 这些物种生成的时间分度在10 -16 秒范围。 前置化学反应 三个初始物种开始扩散并与介质中其它物种或分子产生反应。 这些反应中有些会产生自由基。 null 自由基是一个含有未成对电子的原子或分子。 null 自由基具有高度反应性。 null 自由基可以是中性或带电荷的。 3 电子透过双极作用被水所捕获，变成水溶性，且可称为水电子或溶水电子： eˉ + H 2 O → 周围被水”牢”所围绕； ? eq e eˉ + H + → H· 或着它可以与H + 反应形成自由基。 ? 水的自由基会解离成一个氢氧基与一个氢基。 H 2 O· + → H + + HO· ? 激发的水分子可藉由键截断裂来散逸过多能量以产生氢氧基与氢基。 H 2 O* → HO· + H· 须用 ~ 5 eV以打断O-H键。 激发水之解离成氢氧基与氢基的例子(来自Tubiana, 1990)。 影像已移除 4 自由基的实际浓度非常小，特别是与水解离的离子浓度相较之下。 因此，这三个初始物种； H 2 O * 、H 2 O· + 与 e – 接下来反应所产生的化学反应性物种： HO· 、H· 与 ? eq e 水的放射分解作用产生高反应性的HO· 与 H· 自由基。 这些自由基比离子解离的HO – 或H + 更具有反应性。 HO· 是强力的氧化剂，非常具有化学反应性。 氧化：失去电子。电子传递给氧化剂，变成电子减少。 还原：获得电子。或许只有获得电子，或氢加上一个电子。 影像已移除 5 化学阶段 在~10 -12 秒后，化学反应物种仍位于原先造成其反应的H 2 O * 、H 2 O· + 与 e – 物种附近。 这些产生的新物种有三种自由基：HO·、H·与 ? eq e 这些物种现在开始于初始位置随意迁移。在扩散进行中，个别成对或许会足够靠近在一起以 与另一个发生反应。 在带电粒子径迹中可能的反应种类。 HO· + HO· → H 2 O 2 HO· + → OH ? eq e – HO· + H· → H 2 O H + + → H· ? eq e ? eq e + + 2 H ? eq e 2 O → H 2 + 2 OH – ? eq e + H· + H 2 O → H 2 + OH – H· + H· → H 2 这些反应多数可从系统中移除化学反应性物种。 所有具反应性的物种在时间( ~ 10 -6 秒)内扩散足够远至未必有进一步反应发生。 化学作用的径迹约 10 -6 秒以上 6 自由基扩散 反应产物的扩散常数D和反应常数R (引用Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2 nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. Table 13.2) 产物 D (10 cm 2 s -1 ) R ( ) o A OH 2 2.4 e – aq 5 2.1 H 3 O + 8 0.30 H 8 0.42 若已知物种量测的扩散常数为D，且平均而言，它会在时间τ内移动一小距离λ，如此 τ λ 6 2 =D 反应半径R，是个别物种反应性的量测值。若一个具反应性的物种扩散接近一个「靶」距离 小于反应性半径，会发生反应。 带电粒子径迹的模拟 以上所述的扩散方程与再结合反应可用带电粒子径迹的蒙地卡罗模拟。 蒙地卡罗程序代码用来仿照： ? 带电粒子的通路， ? 二次电子的产生， ? 化学反应物种的产生， ? 透过一连串「随机漫步」运动达成具反应性物种的扩散， ? 任何比反应半径还靠近的成对物种再结合事件。 7 径迹仿真的实例 影像已移除 Fig. 13.1 in Turner J. E. Atoms, Radiation, and Radiation Protection, 2nd ed. New York: Wiley-Interscience, 1995. 当电子停止时，在图的左上方，径迹密度较高。 这说明了电子径迹末端的高-LET特性。 影像已移除 Fig. 13.2 in [Turner]. 高-LET粒子(质子)产生一条直线径迹，与电子的扭曲径迹不同。 高LET粒子沿着粒子径迹有密集的反应物形成。 在模拟中，沿着此径迹亦产生簇状或齿状结构。 8 仿真粒子径迹的实例 影像已移除 Fig. 13.2 in [Turner]. 展开高-LET质子径迹的示图。 展开的刻度显示径迹发展与时间关系的特写示图。 影像已移除 Fig. 7.1 in [Turner]. 质子与α粒子在相同速度下。 α粒子的LET有四倍之高。 9 放射化学产率：G值 在仿真中，各类化学物种的数目可根据时间关系制成表格。 G值：初始带电粒子与其二次粒子停止在水中时，每100 eV能量损失所产生特定物种的数目。 ? 有些物种会随时间减少，有些则会随时间增加。 ? 约10 -6 秒之后，所有径迹上的化学作用大致发生了。在这之后G值的变化很小。 数种能量的质子与子同样速度下的α粒子在10 -7 秒时各种产物的G值(在[Turner] 中的表13.4) 质子(MeV) α粒子(MeV) 物种类型 1 2 5 10 1 2 5 10 OH 1.05 1.44 2.00 2.49 0.35 0.66 1.15 1.54 H 3 O + 3.53 3.70 3.90 4.11 3.29 3.41 3.55 3.70 ? eq e 0.19 0.40 0.83 1.19 0.02 0.08 0.25 0.46 H 1.37 1.53 1.66 1.81 0.79 1.03 1.33 1.57 H 2 1.22 1.13 1.02 0.93 1.41 1.32 1.19 1.10 H 2 O 2 1.48 1.37 1.27 1.18 1.64 1.54 1.41 1.33 Fe 3+ 8.69 9.97 12.01 13.86 6.07 7.06 8.72 10.31 ? α粒子的LET有四倍之高。 ? LET在较高能量时减低，反应物的初始密度较低，更易存在而不复合(1-4行)，较 少产生(4+5行)。 ? α径迹较稠密，其G值较低，因为较容易复合。 null 电子、质子与α粒子(于10 -15 秒)在局部径迹区域内皆产生相同产物：HO·、H·与 ? eq e null 之后各时刻发生化学(与生物)方面的差别完全是由该粒子沿着径迹的能量沈积之空间 图样差异所造成，例如径迹密度。 10 在G值的LET效应 影像已移除 11 直接作用、间接作用与氧效应 ? 到目前为止，水的放射化学已被探讨过。 ? 能量有可能直接沈积在关注的生物分子中(例如DNA)。 ? 这仍会被游离与/或激发导致生物分子中自由基的形成。 ? 生物自由基经历的反应类似之前描述那些水的反应。 影像已移除 Fig. 1.8 in Hall, Eric J. Radiobiology for the Radiologist, 5 th ed. Philadephia PA: Lippincott Williams & Wilkins, 2000. 直接作用：能量直接沈积在生物分子内(例如这里看到的DNA)。 剂量反应关系应为线性的。 间接作用：仰赖溶水分子的游离作为媒介。间接作用的扩散受限制，其剂量反应关系复杂。 水的放射解离作用产生许多反应物种。 个别反应物种的特定清除剂试验显示主要是造成DNA受损的氢氧基(HO．)。 12 对高-LET辐射而言，直接作用是让DNA受损的主要机制。 影像已移除 Fig. 1.11 in [Hall]. DNA中的辐射伤害可藉几个过程来修复。 ? 再复合(Recombination)：DNA自由基与邻近自由基反应而再产生原先的DNA。时间分 度< 10 -11 秒。 ? 再归还(Restitution)：DNA的化学复原作用；无酵素参与。有许多细胞内还原剂可与自 由基反应，其中最重要的是麸胱甘太(GSH)。在GSH中的硫氢基可以提供H· 给DNA， 产生复原的DNA与一个更稳定的(且较低反应性)的硫自由基。时间分度< 10 -3 秒。 DNA· + GSH → DNA + GS· ? 修复(Repair)：有许多细胞酵素可以辨识与修复DNA损伤。时间分度是几分钟到几小时。 氧对损伤的「固定作用」 ? O 2 是强力的氧化剂。O 2 有两个未成对电子：一个稳定的双自由基。 ? O 2 可迅速与有机自由基发生反应： DNA· + O 2 → DNA-O-O· (DNA过氧化态自由基) DNA-O-O· H· → DNA-O-OH (DNA过氧化氢) ? 若DNA自由基在修复之前就与氧发生反应，则伤害会变得更重，甚至无法修复。已经无 法由化学复原来修复。 影像已移除 Fig. 6.3 in [Hall]. 13 清除剂 可与具反应性的物种发生反应之化学物，如HO·，可阻断辐射的间接作用。 影像已移除 清除剂 ? 提供一个评估直接与间接效应之相对贡献的途径。 ? 特定的反应物种之清除剂有助于定义放射化学。 「群集损伤」 影像已移除 由于细胞会自我修复，要造成群集损伤并不容易，可能的话是透过高-LET辐射达成，因为它 比低-LET辐射对细胞更有伤害性。 14