中子辐照生物效应的理论分析.docx
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中子辐照生物效应的理论分析
中子辐照生物效应的理论分析
中子作为构成原子核的基础粒子，它不带电，与物质的相互作用通常是与原子核的相互作用。
碳氢氧氮等元素在生物体内的含量很多，中子与生物体的相互作用主要就是与这儿种元素原子的相互作用，中子与它们相互作用的概率大小同中子能量有很大的关系，在入射中子能量小于30Mev时，中子同这儿种元素的作用类型以弹性散射为主，并在2~10Mev能区存在程度不同的共振。
中子诱导的生物效应要高于Y射线，并且中子生物效应还同中子能量、剂量、物理生物因素以及生物终点密切相关。
关键词：
中子，生物效应，弹性散射，
第一章引言
1.1中子的性质与应用
1.1.1中子的粒子性与波动性
中子存在于除氢以外的所有原子核中，是组成原子核的重要组分之一，中子主要来源于反应堆、加速器、放射性核素等中子源。
自从1932年恰徳维克等人发现中子以来，人们对中子的性质进行了广泛的研究。
中子会以高度凝聚态的形式构成中子星物质。
1,1
中子的粒子性山12】
质量：
chadwick发现中子是通过测量a轰击Be核所产生的未知射线与H、Li、Be、B、C、N等轻核碰撞所产生的反冲核能量，根据能量、动量守恒的规律推算该射线粒子质量的实验完成的。
通过某些有中子产生或吸收的核反应，根据运动学关系求出中子质量、中子质子质量差值，是确定中子质量的基本方法。
自旋：
中子是自旋为％的费米子，遵守费米统计分布，服从泡利不相容原理。
磁矩：
宛核的磁矩小于质子的磁矩表明中子和质子具有相反的磁矩，山磁共振谱仪可以推测出中子磁矩为屮1二-1.913042卩N,负号表示磁矩矢量方向和自旋角动量方向相反。
电中性的中子具有磁矩说明中子内部有结构。
在夸克模型中，中子由u、d、d三个夸克组成，分别具有电荷*、-》。
中子寿命：
Chadwick于1935年指出自由中子不稳定，它会衰变放出一个质子、一个电子、和一个反中微子并放出0.782M"的能量；半衰期为10.61±0.61mino这表明了中子的静止质量大于质子质量的实验事实。
实验观察到中子衰变是通过从反应堆中子束经电偏转引出正离子，并鉴定正离子为质子而确认的。
中子的波动性山12】
同其他粒子一样，中子除具有粒子性之外还具有波动性。
自Chadwick发现中子后，很快观察到热能化中子在多晶铁样品上类似于衍射图像的散射角分布。
中子波动性对于中子波在物质结构研究中的应用具有重要意义。
电子或电磁辐射与介质通过电磁相互作用而观察介质的电子密度结构及其运动。
而中子与介质的作用是与原子核的强相互作用，用中子波观察的是介质中原子的结构及其运动。
山量子力学可以知道对于快中子而言其波长较短。
但随着中子能量的降低波长会随之增大，当中子为热中子（0.025ev）时，中子波长就和原子线度和晶格间距为同一数量级。
此时中子的波动性比较明显，会在原子和晶体上产生明显的衍射；山于中子在轻重元素上有相近的散射振幅，而相邻核素的散射振幅可以相差很大的性质，因此中子衍射常用来测定含轻元素物质的结构。
1.1.2中子的应用
中子作为人类认识自然界的一种工具，在中子核物理研究中，常利用中子及各种粒子作为探针，探究核结构和核反应规律的侧面，并归纳这些知识，以构建我们对原子核的认识；这是我们研究原子核的基本方式。
利用能量、动量可测量的波、粒子在样品上散射可得到有关物质结构及动力学方面的知识。
中子在样品上的散射波是中子在原子上散射波相干的结果。
热中子散射研究过程分为两大类，一是衍射研究，从中可以得到有关结构的知识；二是谱学研究，从中得到有关动力学知识。
中子是电中性，在样品中无直接的电离损耗，不会导致样品的热损伤。
山于穿透深度大，不仅可以用大样品，而且测试时还需要包壳样品。
x射线的散射（吸收）截面随Z的增大而缓慢线性增大，不能区分相邻元素，也难以做轻元素定位。
中子与原子核的作用随不同原子核而异与Z无关，不仅可以区分相邻元素还可以在重元素背景下做轻元素定位。
1.2中子的分类及中子与物质的相互作用
1.2.1中子的能量分类⑶
中子的能量不同，其与物质相互作用的主要方式也不同；根据中子的能量的大小可以对中子进行分类。
（1）慢中子：
包括热中子、冷中子、超热中子和共振中子。
热中子是指能量为O.OO5ev~O.5ev的中子，其与周围介质原子（或分子）处于平衡状态，中子速度分布接近麦克斯韦分布，其平均能量为KT（K为玻尔兹曼常数，T为绝对温度）。
通常把能量低于0.005ev的中子成为冷中子。
略高于热中子能量的中子称为超热中子。
把能量在lev-lKev之间的中子称为共振中子，其与原子核相互作用时会发生强烈的共振吸收。
（2）中能中子：
指平均能量在热中子和快中子之间即能量在lKevJOOKcv的中子，其与原子核相互作用的主要方式为弹性散射。
（3）快中子：
能量在100Kev~10Mev的中子，其与原子核的主要作用方式为弹性和非弹性散射。
（4）高能中子：
能量高于lOMev的中子，其与原子核的相互作用除弹性和非弹性散射外，还可以发生放出两个或两个以上粒子的核反应。
1.2.2中子与物质的相互作用
带电粒子与物质相互作用时主要通过电磁相互作用而损失能量，而中子呈电中性，其与原子中电子的相互作用很小，不会使原子电离、激发而损失能量，因此它和电子的相互作用可以忽略不计。
因此，研究中子与物质的相互作用时，主要是研究中子与靶原子核的相互作用。
根据入射中子能量的不同，中子与原子核的相互作用有多种形式，主要包括弹性散射、非弹性散射、核反应、裂变等。
若中子撞击靶原子核后，核的组成以及能量和作用前相比均未发生变化，则称之为弹性散射；此过程中释放出的中子称为弹性散射中子。
如果中子与靶原子核碰撞后，核的组成未发生变化，而能量改变了，则将这一过程称之为非弹性散射；相应的出射中子叫非弹性散射中子。
核反应是指中子被原子核吸收而释放出其他带电粒子或Y射线的过程，如（n,丫）、（n，a）、（n,p）等。
核裂变是指中子与235U等重核作用时，235U等重核会裂变为两个中等质量的核，同时释放出2~3个中子和大量能量的过程。
（1）对于轻核，当入射中子的能量不高时，弹性散射是中子与原子核相互作用的主要方式，其他反应截面很小可以忽略不计，全截面与弹性散射截面相等。
在低能部分弹性散射截面近似为常量，并且会随着入射中子能量的增加而减小。
（2）非弹性散射具有阈能的特点，阈能大小和原子核质量数有关，质量数愈大的核阈能愈低。
当中子能量小于阈能时，非弹性散射截面为零，而当中子能量大于阈能时，非弹性散射截面随中子能量的增加而增大。
（3）在吸收截面中最重要的是辐射俘获的贡献，辐射俘获多发生在重核上,在轻核上发生的概率较小；它可以在中子的所有能区发生。
重核在低能时的辐射俘获是主要的，全截面儿乎与辐射俘获截面相等，在低能呈现1/v律。
而中重核在低能的情形介于重核和轻核之间，全截面为弹性散射截面和辐射俘获截面之和。
（4）在一般悄况下，中子引起带电粒子飞出的反应也是阈反应，相应的截面值也较小，除,0B.3He.6Li等少数核外，在吸收截面中通常不予以考虑。
某些轻核的（n,a）及某些裂变核的裂变截面等正比于£2即正比于1/v律。
1.2.3中子核反应机制的描述⑺
中子主要通过和物质中原子核的相互作用而损失能量。
中子与原子核的作用过程可分为三个阶段。
第一阶段，当中子入射进入靶核的核力作用范围时，有两种结果产生：
一种情况是中子被靶核吸收发生核反应，另一种是中子被弹性散射；这种惜况和一束光入射到半透明玻璃球上的情况是相同的，因此这一作用阶段常用光学模型来描述。
第二阶段，中子被靶核吸收，认为中子和靶核形成一个复合核体系，在这一阶段，能量交换方式有多种，一是包括表面和体内直接相互作用、多次碰撞、集体激发等在内的直接相互作用；二是中子在靶核内经过多次碰撞而不断损失能量，最后留在核内，与靶核融为一体形成复合核。
第三阶段，复合核衰变为出射粒子和剩余核。
从反应时间来看直接相互作用的时间较短，介于这两者之间的粒子发射过程称为预平衡发射。
对于某一种特定的反应，可能这儿种反应机制同时存在，也可能以某一种反应机制为主，这主要取决于入射中子的能量和靶核的性质。
这儿种反应机制特点：
（1）在截面的低能部分复合核机制是主要的，随着入射中子能量的增加直接反应的贡献将增加以致成为主要部分，而复合核反应的贡献将随能量的增加而减小，最后可以忽略。
（2）出射粒子能谱的低能部分主要是复合核的贡献，并且呈麦克斯韦分布,称为蒸发谱。
高能量的出射粒子主要来自直接反应机制且剩余核处在较低激发能级。
在这两部分的连续区，预平衡发射起了很好的补充作用。
（3）来自复合核反应机制的出射粒子的角分布各向同性或90°对称，而直接反应的贡献则是前冲的，即在小角度有更高的概率。
不同的反应机制用不同的理论和模型来描述。
直接反应中，弹性散射是主要反应道，吸收作用可以忽略，常用的工具是平面波玻恩近似PWBA和扭曲波玻恩近似DWBAo在有些情况下，如靶核的低激发能级有强的集体运动性质，这时非弹性散射比较强，道-道之间有耦合，用耦合道理论描述比较成功。
少核子情况下则用少体积分方程方法。
共振理论、H-F理论、蒸发模型描述复合核反应是成功的。
激子模型用来描述预平衡发射。
1.3中子生物效应的研究现状
各种类型的反应堆、加速器和放射性核素是研究中子生物效应的重要中子源。
加速器能产生能量单一的中子，可以避免复合场带来的生物效应的复杂性。
例如,法国Samic公司的KR-400T型中子加速器，氛粒子在200kv的高压磁场内被加速冲击氟核将产生14Mev快中子流。
反应堆中子源的特点是中子注量率大，例如专供大动物中子照射的BEPO堆，其平均能量0.7Mev,剂量率可达2500rad/ho⑹但是反应堆产生的中子能谱形状复杂，中子束流中通常都伴有很强的Y辐射，这就使得中子生物效应的研究变得复杂化。
放射性核素中子源通常体积小，携带方便，不需要复杂的控制系统。
如252（彳裂变中子源半衰期2.6年，其97%的衰变方式是发射a粒子，3%是自发裂变，在自发裂变过程中会产生大量中子和Y射线，裂变中子的平均能量2.lMev'2'o中子诱导的生物效应主要包括中子诱导的DNA损伤及修复、中子诱导的基因组不稳定性、中子诱导染色体畸变、中子诱导细胞周期阻滞、中子诱导细胞凋亡和相对生物效应RBE等。
⑸
中子的生物效应首先取决于其所具有的能量，杜杰等凹以微核率为观察生物终点,18Mev中子对^Coy射线的RBE为1.24-2.91。
白玉书等⑹用2.14MeV中子和60CoY射线分别照射离体人血，建立微核的剂量效应曲线，中子剂量在0.1〜3.0Gy之间，1^£从11.4到1.69。
即对于同一生物终点，入射中子的能量不同，它引起的生物效应值也不相同。
中子辐射所产生的DNA损伤多为双键断裂，正常情况下，细胞可在数小时内不同程度的修复DNA损伤，以维持细胞正常的生命活动。
DNA修复不是随机的，而是有一定规律。
活性基因损伤的DNA常被优先修复；转录链上的DNA修复率远远高于非转录链；有转录活性的原癌基因的损伤修复比无转录活性的快。
⑸
使细胞获得高于正常情况下累积的任何突变状态均称为基因组不稳定性。
⑸Watson等⑼研究中子诱导小鼠造血细胞染色体畸变结果发现，发生基因组不稳定性的细胞占细胞总数的3%~6%表明中子可诱发基因组不稳定性，且这种不稳定性通过移植术在活体内可进行传递。
Tanaka等【⑼，研究单能中子诱发染色体畸变的生物效应。
结果表明，相对于高能量（如2.3MeV）的单能中子，低能量的单能中子（如0.79、0.57和0.37MeV）照射后，染色体畸变的产量随着单能中子能量的降低而增加。
而在较低能量（如0.186MeV）的中子照射后，其畸变量降低，可能是山于慢中子的能量较低，对组织的穿透能力相对较弱。
中子诱导的细胞凋亡是中子诱发细胞损伤的主要形式之一，是中子辐射生物效应的一个敬感指标⑸。
Lee等M研究快中子诱导小鼠毛囊细胞凋亡效应，结果发现，细胞凋亡率与剂量呈线性平方关系，照射后12h凋亡率最高bl。
Ishida等研究中子诱导胎鼠脑细胞的凋亡效应结果发现，胎鼠脑细胞凋亡与中子辐射剂量之间呈良好线性平方关系，低剂量中子照射也会导致细胞凋亡效应和急性组织损伤汽
辐射所引起的生物效能同射线类型相关，不同辐射在同一剂量水平所引起的生物效能可能明显不同。
相同剂量水平时，中子诱发的双加环畸变效能大于叫:
。
丫射线，小剂量更为明显。
这是因为快中子诱发染色体畸变可以在一个细胞内见到多个畸变。
多畸变细胞在中子剂量2Gy以上就可以见到，而对^Coy射线在4Gy时才可能见到141161o中子的相对生物效应并不是恒定不变的，白玉书等⑹快中子对X和丫射线诱发淋巴细胞微核效应的比较研究指出2.14Mev快中子对180kevx、60Coy射线诱发微核的RBE随剂量增加而减小，平均为3.88和4.50。
中子生物效应不仅和物理因素、生物因素、辐射剂量等有关；还同生物学判定标准有关。
敏感效应终点所得RBE比其他效应终点所得RBE大。
在杜杰等曰快中子与60Co丫射线诱发人淋巴细胞生物效应研究中，以染色体畸变率确定的RBE大于以微核率确定的RBE。
即染色体畸变对中子比微核更敬感。
微核产生于染色体畸变，微核率在一定程度上反应了染色体畸变率。
第二章试验方法
2.1试验田种植
将室内培养至出苗的豌豆幼苗移栽至试验田中，试验田的整体布局如图2.1所示，图中每个方框代表试验田的一个小区，字母代表该小区的编号。
试验田分为7X8共56个小区，每个小区的长宽分别为120cm和80cm,相邻小区东西方向、南北方向间的间隔均为SOcmo每个小区的种植布局如图2.2所示，其中每个小黑点代表一株植株，图中字母数字为植株编号；相邻两株植株的东西间隔为20cm,南北间隔为30cm。
图2.1试验田整体布局
图2.2试验田单个小区布局
2.2处理方法
用二帧、三帧、四帧的遮阳网分别对试验田的光强进行处理，待豌豆植株的长出一对、三对、五对托叶后，分别对相应小区的豌豆植株进行去尖。
具体处理情况见表2.1。
表2.1实验处理方案
处理方法
小区编号
二帧遮阳网遮阳处理
A1~A3、G1~G3、H1~H3、I1~I3
三帧遮阳网遮阳处理
B1~B3、J1~J3、K1~K3、L1~L3
四帧遮阳网遮阳处理
C1~C3、M1~M3、N1~N3、Ol~O3
长出一对托叶后进行去尖处理
D1~D3、G1~G3、J1~J3、MNM3
长出三对托叶后进行去尖处理
E1~E3、H1~H3、K1~K3、N1~N3
长出五对托叶后进行去尖处理
F1~F3、I1~I3、L1~L3、01-03
对照组（不做任何处理）
CK1~CK11
2.3实验测量
2.3.1豌豆叶片组织结构的观察
选取长势良好的豌豆植株，摘取它的一片托叶，制成临时切片在显微镜下观察它的叶片组织结构。
2.3.2S0D活性的测量
（1）试剂和材料凹
（2）邻苯三酚自氧化速率的测定
根据表2.2,在试管中加入缓冲液和双蒸水。
25°C条件下恒温放置20min后,加入25°C预热过的邻苯三酚；对照管中加入10mmol/L盐酸。
迅速摇匀并倒入比色IIIL中在波长325nm处每间隔30s测一次吸光值A。
。
表2.2邻苯三酚自氧化速率测定加样表
试剂
0.lmol/L
Tris-HCl
双蒸水
lOmmol/L盐酸
邻苯三酚
总体积ml
对照管
4.5
4.2
0.3
——
9.0
样品管
4.5
4.2
——
0.3
9.0
最终浓度mmol/L
50
—
（3）SOD活性测定
根据表2.3进行SOD活性测量，具体操作与上述邻苯三酚自氧化速率测定基本相同，在波长325nm处测得吸光值为Asox抑制率=（AAo-AAsco）/△AoX100%。
表2.3SOD活性测定加样表
试剂
0.lmol/L
Tris-HCl
双蒸水
10mmol/L盐酸
SOD
邻苯三酚
总体积
ml
对照管
4.5
4.2
0.3
——
——
9.0
样品管
4.5
4.1
——
0.1
0.3
9.0
最终浓度
mmol/L
50
2.3.3MDA含量测量
（1）MDA的提取
称取剪碎的豌豆植株lg,加入2mllO%TCA和少量石英砂，研磨至匀浆，再加8mlTCA研磨，匀浆在4000r/min离心lOmin,上清液为样品提取液。
（2）显色反应和测定
吸取离心的上清液2ml（对照加2ml蒸憎水），加入2ml0.6%TBA溶液，混匀物于沸水浴上反应15min,迅速冷却后再离心。
取上清液测定532、600和450nm波长下的消光度。
第三章实验结果
3.1叶片组织结构观察
图3.1是经过去顶处理的G1组豌豆植株和未做任何处理的对照组CK6中选取的植株叶片所做的叶片组织结构切片。
通过对豌豆叶片的徒手切片进行观察，发现去顶对植物的组织结构并没有明显的影响。
也就是说去顶植株和对照组植株叶片中的栅栏组织和海绵组织并没有什么明显不同。
G1植株组织结构切片（去顶组）
CK6植株组织结构切片（对照组）图3.1部分豌豆的组织结构切片
3.2S0D活性、MDA含量测量结果
表3.1SOD活性
AAo/min
AAsoo/min
抑制率
线性时间/min
0.038
0.033
1.15
4
表3.2MDA含量测定
0Ds32
0D532
豌豆
0.063
0.017
0.067
0.021
QD532-QD6（x）xRxVx_1_
豌豆丙二醛含量（nniol・gT）=0.155vW-g87nmol•g'1
图3.1邻苯三酚自氧化曲线
第四章讨论分析
通过不同光照条件下、分别在豌豆长岀一对、三对、五对托叶后，对其进行去顶处理。
实验发现去顶能够抑制豌豆植株的生长，并且去顶的时间越早，在相同实验条件下豌豆的株高就越小。
同时还发现，去顶之后有利于侧枝的生长，并且在植株越小的时候去顶，这种效应越明显。
除此之外，豌豆的分支数也和去顶的时间有一定的关系，通过对豌豆形态学的记录发现，在豌豆长出一对托叶后，对其进行去顶，其再生的侧枝是最多的；而待豌豆长出五对托叶后对其进行去顶处理，其生长出的侧枝数最少；豌豆植株长出三对托叶后对其进行去顶处理，其生长出的侧枝数U则介于以上两者之间。
豌豆利用邻苯三酚法测量植物SOD含量时，方法简便、试剂简单，并且在测量过程中，实验过程所受温度的影响较小。
生物体内含有大量的C、H、0、N、P、S等元素，它们是构成生物体内糖类.脂质、蛋口质等物质的主要成分，因此中子与生物的相互作用就是中子与这儿种元素的相互作用。
由图4・1~图4・6可以看岀，在低能区，中子与C、H、O、N、P、S的相互作用截面都很大；随着入射中子能量的升高，反应截面会迅速的减小，并且在2-10Mev能区，都存在程度不同的共振。
之后再随着中子能量的增大，反应截面将缓慢减小，截面值同中子能量间存在近似线性的关系。
在0〜30Mev能区，中子与C、H、O、N的相互作用类型以弹性散射为主，并且随着中子能量的升高，弹性散射减弱，非弹性碰撞和带电粒子发射等相互作用方式增強；但在0〜30Mev范用内，弹性散射仍然是中子与碳、氢、阳等元素相互作用最主要的方式。
根据图4・1~图4・6可以知道，随着元素原子质量数的增加，中子发生弹性散射的儿率也将减小。
氢作为生物体内含量最多的元素，当用中子对生物体进行辐照时，它和中子发生相互作用的概率最大；中子与中主要通过弹性碰撞损失能量，碰撞后氢变成反冲质子将继续和生物组织发生相互作用，最终造成生物细胞的损伤。
■
ioon
nJH反应总戡面
■nJH反应鉤蜒射截面
图4.1n+:
H反应截面随能量的变化关系
14-
8-
6-
"T-iBT~:
:
:
:
051015202530
En/Mev
图4.2n+叱反应截面随能量的变化关系
图4.3n+妝反应截面随能量的变化关系
051015202530
En/Mev
图4.4n+呵反应截面随能量的变化关系
7-,
6-
图4.5n+沖反应截面随能量的变化关系
2•山Q
v3-
2-
En/Mev
图4.6n+常反应截面随能量的变化关系
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