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《中国原子能科学研究院》 2004年
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输运理论在辐射损伤和分子马达研究中的应用

曹天光  
【摘要】:一切有机体都是由细胞构成,细胞是生命活动的基本单位。在细胞内部和细胞之间广泛存在着各种各样的运动和输运过程,它们对于生命活动起到了重要的作用。同时,生物体所赖以生存的空间环境中也存在着大量的输运现象,即各种各样的电离辐射,它们的存在对于生物进化和地球生物的多样性起到了关键的作用。但是,电离辐射是一把双刃剑,过多辐射可能引起很多生物病变,如细胞死亡、基因突变和癌症的发生等等。在细胞层次上研究这些输运的机制对理解各种生命过程和保护生物体的健康具有重要意义,是当前生物物理学的研究热点。在过去的几年里我们对这两个方面的一些具体问题进行了研究。 从分子和细胞水平上研究电离辐射诱发的生物损伤的物理化学机理是辐射生物学和放射医学的基础理论研究的焦点之一,是核物理与生物、化学和医学等多学科交叉的一个重要领域,具有重要理论与实际意义,对于长期在低剂量辐照环境下,机体放射性损伤发生的认识、太空辐射环境中的健康危险性评估及辐射防护等是非常必要的,同时也是重离子辐射治癌的基础性和先导性研究。研究电离辐射在生物体中的输运的主要理论方法是径迹结构模型。径迹结构模型以射线与物质相互作用的基本物理数据(理论和实验)为基础,运用蒙特卡罗方法模拟带电离粒子及其全部次生粒子在介质中的输运过程,给出所有非弹性事件及能量沉积在纳米尺度上的空间分布和在皮秒尺度上的演化历史。 细胞是一个多体的高度非均匀的介质,射线和细胞的相互作用是一个高度非线性的动力学问题。由于活的生物体往往是由80%以上的水构成,而且生物体的密度和水相近,而水是均匀介质,理论处理较为简单,所以先研究射线和水的相互作用。射线和水的作用又分为两步:先考虑和“水气体”作用,“水气体”是把水分子看成是自由态的相互之间无关联的“水”,再发展到和实际的水作用。再考虑离子和放入水中的DNA的相互作用。这是一个相当复杂的研究工作,国际上从上世纪70年代开始辐照损伤的机理的理论研究,有了一些思路、工具和方法,考虑的还是离子与水气体的相互作用,仍处在初级阶段,并且电子截止能量过高(10eV),忽略了大量低能电子(低于10eV)的作用,但实验表明大量的低能电子可以通过共振机制导致DNA的双链断裂损伤和单链断裂损伤,因而应当考虑低能电子的作用。这方面的理论研 中国原子能科学研究院博士学位论文 究在国内基本上还是空白,为填补这方面的空白,我们花了大量的时间和精力学习了 德国GSF的蒙特卡罗输运程序MOCA15,并对它进行了改进:第一,在模拟过程中 MOCA巧采用的双微分截面是固定在入射能量点处的数据表,而不是随能量变化更 新的数据表列。这样的模拟无法给出正确的布喇格峰。应用MOCA巧中的ICROSss 生成了不同能量点处的双微分截面,并使MOCA巧的模拟采用随能量变化的双微分 截面。改进后的程序能够给出合适的布喇格峰。其二,MOCA巧中跟踪次级电子的 程序考虑的截止能量过高(10eV)。在学习MOCA巧的同时与合作者一起开发了我 们自己的低能电子和质子的蒙特卡罗输运程序,在国际上比较早地考虑了低能电子 (低于10eV)的作用。目前我们又引进了德国GSI的可模拟更多粒子的程序TRAX, 它的电子的截止能量也是10eV。 蒙特卡罗方法的准确性是建立在输入的截面数据的准确性基础之上的,这些截面 包括产生电子的截面和弹性、非弹相互作用截面等等。对于粒子与DNA、蛋白质等 介质的作用截面很多是不知道的,目前模型中一般采用与水(水蒸气)的相互作用截 面来代替。我们收集整理了粒子与水分子的相互作用的各种实验和理论计算的截面, 并初步编写了电子的部分截面程序和大部分的质子截面程序。运用这些工具我们开展 了几个具体的工作并得到一些新的结果。 l,运用蒙特卡罗方法用我们自己开发的程序模拟了电子在水中输运的径迹结构, 考虑了低能电子(能量下限为leV)在水中输运时的电离,激发,俘获以及超激发引 起的自电离等非弹性散射机制以及OH十等自由基和H十的产生和分布,揭示了电子在 低能情况下输运时单条轨道的云团、团点和短径迹等空间分布结构特点和包含在大量 低能电子径迹结构的统计性质(空间分布和能量沉积更加弥散)。 2,运用改进的MOCA巧程序模拟计算了质子、。粒子的在水蒸气(密度为 1留cm,)中的径迹结构,考虑了质子、a粒子在水中输运时的电离、激发等非弹性散 射机制,质子、a粒子的能量范围为0.3一SMeV/u。考虑了产生的大量低能电子(能 量下限为leV)在水介质中的输运。计算得到的射程、径向剂量等参数,与实验数据 符合的较好。 3,电离辐射可以导致DNA的简单损伤或复杂损伤。复杂损伤可能引起细胞的 死亡和基因突变,其复杂程度对DNA的修复有很大的影响。了解研究DNA损伤谱 对于细胞的修复、凋亡以及放射治疗等等有重要意义。由于时间和工作量大的关系, 来不及把DNA加进去,我们利用国际上现有的少量的DNA损伤谱的计算结果,用 Il 中国原子能科学研究院博士学位论文 一个简单模拟电离辐射致DNA损伤谱的算法模拟计算并分析了DNA损伤谱,分别 给出了电子、质子和a粒子的参数,再现了径
【学位授予单位】:中国原子能科学研究院
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2004
【分类号】:O571.33

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【引证文献】
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1 耿金鹏;微剂量学在细胞尺度生物学上的应用研究[D];郑州大学;2006年
2 张天鹏;静电加速器控制系统的完善和质子的生物效应[D];郑州大学;2007年
【参考文献】
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2 倪嵋楠,赵葵,隋丽,梅俊平,郭继宇,王如瑜;DNA分子及其双链断裂碎片的AFM观测[J];辐射研究与辐射工艺学报;2004年02期
3 梅俊平,赵葵,展永,隋丽;α辐射致DNA双链断裂的AFM观测[J];河北工业大学学报;2003年05期
4 袁雄,叶常青,周平坤;重离子辐射的DNA链断裂效应[J];航天医学与医学工程;1997年04期
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【共引文献】
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2 管迅行,钱剑扬,卢杰,张惠忠;大鼠全身照射的近期效应观察[J];癌症;1999年02期
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5 徐桂珍,于河有,龚守良,刘淑春,夏凤琴;大剂量X线头部照射对大鼠免疫功能的影响[J];白求恩医科大学学报;1993年05期
6 张铭,李修义,李凤兰,陆骊工;人参三醇组甙对X线照射大鼠血浆胰岛素水平的影响[J];白求恩医科大学学报;1993年06期
7 李宗山,王连文,张培功;上消化道钡餐检查X线对外周血白细胞影响的观察[J];滨州医学院学报;1996年03期
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10 杜冰冰;徐振辉;;利用微生物育种新技术提高酱油酿造用菌的生产性能[J];发酵科技通讯;2008年02期
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1 张玉松;周剑影;刘玉龙;郭晓葵;庄志祥;;核电厂核事故医学应急准备中应用稳定碘的讨论[A];21世纪初辐射防护论坛第五次会议论文集[C];2006年
2 卓俊;黄流兴;牛胜利;朱金辉;;低能电子输运的直接模拟和连续减速算法比较[A];中国核科学技术进展报告——中国核学会2009年学术年会论文集(第一卷·第6册)[C];2009年
3 季宇彬;朱兴杰;徐昶儒;李文兰;;微生物诱变育种方法的研究进展[A];中国毒理学会环境与生态毒理学专业委员会成立大会会议论文集[C];2008年
4 杨文超;田媛媛;张中印;吴珍红;缪晓青;;蜂毒肽及蜂毒制剂神蜂精对受照射小鼠存活率的影响[A];第四届中国畜牧科技论坛论文集[C];2009年
5 李鸿岩;赵兴绪;张红;王燕玲;李发弟;马友记;张勇;;两种剂量重离子辐射绵羊精子蛋白质组差异分析[A];中国畜牧兽医学会2010年学术年会——第二届中国兽医临床大会论文集(上册)[C];2010年
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1 张黎明;电磁辐射中低能电子诱导DNA直接损伤的理论研究[D];山东大学;2010年
2 方美华;深空辐射粒子在介质材料中的输运及损伤研究[D];南京航空航天大学;2011年
3 涂彧;~(32)P内照射脑胶质瘤的实验治疗研究[D];苏州大学;2002年
4 冯全生;补肝肾益气血法抗辐射损伤的实验研究[D];成都中医药大学;2002年
5 刘建香;辐射诱导pEgr-p16的表达及抑瘤作用的实验研究[D];中国人民解放军军事医学科学院;2004年
6 王明明;AT细胞辐射敏感性的研究[D];苏州大学;2004年
7 李萡;复合抗氧化剂对荷瘤动物放疗副作用的防护研究[D];第四军医大学;2005年
8 马云志;电离辐射生物效应的理论研究[D];北京师范大学;2005年
9 韩蕾;太空环境对草地早熟禾的诱变效应及其诱成突变体的生物学变化[D];中国林业科学研究院;2005年
10 张文仲;电离辐射粒子在人体组织中能量沉积的微剂量学研究[D];中国人民解放军军事医学科学院;2003年
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1 张萍;电离辐射对人外周血细胞GADD45A和nm23-H1基因表达的影响[D];郑州大学;2010年
2 文蓉;柚苷酶生产菌株的选育及其酶学性质的研究[D];中南林业科技大学;2009年
3 郭婷婷;不同剂量X射线对生长发育期仔鼠肺组织抗氧化酶活性、组织结构及相关特异蛋白表达的影响[D];西北师范大学;2010年
4 张文娟;4个紫花苜蓿品种空间诱变效应的研究[D];甘肃农业大学;2010年
5 常卫华;重离子辐射对绵羊卵母细胞体外成熟、受精及发育的影响[D];甘肃农业大学;2011年
6 王建华;结合线性二次放射生物模型的图像配准技术的研究[D];清华大学;2010年
7 顾晓波;D-核糖生产菌株的发育及其特性研究[D];天津轻工业学院;2000年
8 李玉强;丝状真菌β-半乳糖苷酶的研究[D];天津轻工业学院;2000年
9 张锦芳;D-核糖生产菌株的选育——D-葡萄糖脱氢酶与D-核糖产量关系的研究[D];天津轻工业学院;2000年
10 王玉祥;原代培养人脐静脉内皮细胞电离辐射效应的初步研究[D];苏州大学;2001年
【同被引文献】
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1 孙振武;李涛;李玉晓;姜胜南;霍裕平;;静电加速器的自动化控制系统及其抗干扰措施[J];电气应用;2006年02期
2 姜胜南,李玉晓,刘坤,刘根成,李涛;离子静电加速器PLC控制系统的研制[J];电气传动;2005年01期
3 孙全富,陶祖范;低剂量电离辐射致癌流行病学研究新进展——线性无阈假说面临挑战[J];国外医学(放射医学核医学分册);1999年04期
4 刘力,李玉晓,赵书俊;质子生物效应[J];国外医学(放射医学核医学分册);2001年04期
5 耿建华,陈英茂,陈盛祖;β放射性核素辐射源的吸收剂量点核函数[J];核技术;2003年10期
6 姜胜南;正离子静电加速器高压电压稳定系统的分析[J];河南科学;2001年02期
7 严后选,孙健国,张天宏;无线红外智能遥控器的设计[J];测控技术;2003年03期
8 马秋峰,李文建,魏怀鹏;质子治疗的物理与生物学基础[J];基础医学与临床;2005年02期
9 雷杨俊,肖定全;真空中氧化铝陶瓷表面耐压试验研究[J];绝缘材料;2004年03期
10 孙振武,李玉晓,姜胜南,李涛,郑世全,刘柱华,霍裕平;4 MV静电加速器调试中出现的问题及解决方案[J];强激光与粒子束;2005年07期
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1 马云志;电离辐射生物效应的理论研究[D];北京师范大学;2005年
【二级参考文献】
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1 袁明秀,张志宏,洪伟;应用AFM观察分析小白鼠心肌核DNA片段体外表达[J];高技术通讯;2000年12期
2 陈圣福,韩公社,阎隆飞,李民乾;微管在APS-云母上的固定和AFM成象[J];核技术;1999年06期
3 袁雄,叶常青,周平坤;重离子辐射的DNA链断裂效应[J];航天医学与医学工程;1997年04期
4 马云志,曹天光,卓益忠;低能电子在水介质中的输运过程[J];高能物理与核物理;2003年04期
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1 Ben L.FERINGA;柳华杰;;分子马达 构建“小”的世界[J];创新科技;2008年10期
2 吴魏霞,赵同军,展永,关荣华;分子马达随机跃迁暂态特征[J];河北工业大学学报;2003年02期
3 韩英荣,展永,关荣华,卓益忠;旋转分子马达的代表——ATP合成酶[J];现代物理知识;2003年03期
4 郑燕;展永;韩英荣;杨明建;高秀军;;神奇的生物酶——旋转分子马达[J];现代物理知识;2006年06期
5 冯娟,卓益忠;应用主方程方法研究分子马达的定向运动[J];生物物理学报;2002年04期
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10 张红卫,文书堂;分子马达定向运动的物质结构基础[J];吉林师范大学学报(自然科学版);2004年02期
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1 刘冬生;;核酸分子马达及其功能演化[A];2010年两岸三地高分子液晶态与超分子有序结构学术研讨会(暨第十一次全国高分子液晶态与超分子有序结构学术论文报告会)会议论文集[C];2010年
2 殷跃红;;肌球蛋白分子马达的多力场耦合机理分析[A];2010年第四届微纳米海峡两岸科技暨纳微米系统与加工制备中的力学问题研讨会摘要集[C];2010年
3 包景东;卓益忠;;分子马达的工作模型[A];Complexity Problems--Proceedings of CCAST (World Laboratory) Workshop[C];2001年
4 刘冬生;;核酸分子马达及其功能演化[A];第一届全国生物物理化学会议暨生物物理化学发展战略研讨会论文摘要集[C];2010年
5 刘冬生;;质子推动的核酸分子马达及器件[A];中国化学会第二十五届学术年会论文摘要集(上册)[C];2006年
6 吴魏霞;张翱;周惠;;分子马达的动力学研究[A];第九届全国振动理论及应用学术会议论文集[C];2007年
7 刘冬生;;核酸分子马达及器件研究[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(下册)[C];2009年
8 唐苏亚;;非电磁原理微电机的应用前景展望[A];第十届中国小电机技术研讨会论文集[C];2005年
9 唐苏亚;;非电磁原理微电机的应用前景展望[A];中国电子学会第十四届电子元件学术年会论文集[C];2006年
10 张希;张义恒;于莹;蒋振华;;单分子力谱:从分子结构到超分子结构[A];2009年全国高分子学术论文报告会论文摘要集(上册)[C];2009年
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1 本实习生 范毓蓉本报记者 贾婧;乐加昌:我的故事就是分子马达的故事[N];科技日报;2007年
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3 记者 吴伟农;分子马达可造纳米机器[N];新华每日电讯;2000年
4 胡连荣 编译;人类仿体内分子马达造芯片[N];大众科技报;2003年
5 本报记者 尤莼洁林环 梁建刚;“人机”冒险记[N];解放日报;2007年
6 王婷婷;单分子:窥见微观世界[N];科技日报;2004年
7 本报记者 贾婧实习生 范毓蓉;旋转分子马达与量子点技术结合有望出新成果[N];科技日报;2007年
8 刘凯;低能电子制取臭氧的新技术[N];中国乡镇企业报;2001年
9 记者 钱铮;日本科学家开发“分子快递”技术[N];科技日报;2007年
10 严飞;让人类拥有“诗意的安居”[N];大众科技报;2002年
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1 曹天光;输运理论在辐射损伤和分子马达研究中的应用[D];中国原子能科学研究院;2004年
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5 张黎明;电磁辐射中低能电子诱导DNA直接损伤的理论研究[D];山东大学;2010年
6 李文飞;基于重离子输运理论对超重核合成及非对称核物质状态方程的研究[D];中国科学院研究生院(近代物理研究所);2004年
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8 高天附;三种典型布朗马达的定向输运与非平衡态热力学分析[D];厦门大学;2009年
9 彭晓东;磁化等离子体中的微观不稳定性及湍流理论研究[D];核工业西南物理研究院;2002年
10 张悦;布雷顿循环和布朗马达的优化性能研究[D];厦门大学;2007年
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1 支联合;非平衡涨落理论用于分子马达研究[D];郑州大学;2002年
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9 张理明;分子马达模型中求解Fokker-Planck方程的修改WPE数值计算方法[D];复旦大学;2009年
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