Hvordan røntgenstråler i stof skaber genetoksiske lavenergi-elektroner

Forskere ledet af Kiyoshi Ueda fra Tohoku University har undersøgt, hvad røntgenstråler i materie virkelig gør og identificerede en ny mekanisme til fremstilling af lavenergifrie elektroner. Da lavenergi-elektronerne forårsager skade på sagen, den identificerede proces kan være vigtig for at forstå og designe strålebehandling af sygdomme.

Røntgenstråler er et af de vigtigste diagnostiske værktøjer inden for medicin, biologi og materialevidenskab, da de kan trænge dybt ned i materiale, der er uigennemsigtigt for det menneskelige øje. Deres passage gennem en prøve, imidlertid, kan have bivirkninger, da absorptionen af ​​røntgenstråler afsætter energi i dybe lag af prøven. I ekstreme tilfælde, anvendelsen af ​​røntgenstråler er begrænset af disse bivirkninger, kendt som 'strålingsskade'. Medicin er et område, hvor den absorberede røntgendosis skal minimeres.

Overraskende, det er uklart, hvad der sker, når et røntgenbillede absorberes, for eksempel, i biologisk væv bestående af vand, biomolekyler og nogle metalatomer. En grund til dette er, at de første reaktionstrin efter absorptionen af ​​et røntgenbillede, ske ekstremt hurtigt, inden for 10-100 femtosekunder. Et femtosekund er SI -tidsenheden lig med 10? 15. For at sige det på en anden måde, det er en milliontedel af en milliarddel af et sekund.

Inden for denne tid, i en kompleks kaskade af begivenheder, der udsendes flere elektroner, og positivt ladede reaktive partikler (ioner) dannes. De fleste eksperimenter, der blev udført indtil nu, var kun i stand til at karakterisere denne endelige tilstand lang tid efter, at kaskadereaktionen var afsluttet. Imidlertid, det er den præcise forståelse af de mellemliggende trin, der er meget vigtig for forudsigelse og design af strålingseffekter i stof.

Teamet har nu udført et eksperiment, der havde en hidtil uset detaljeret oversigt over de første par hundrede fs efter absorption af en røntgenstråle ved stof.

I et biologisk system, mange vandmolekyler er fleksibelt arrangeret omkring de biologisk funktionelle molekyler, uden stærkt bindende for dem.

Som et modelsystem til det, en fleksibel, svagt bundet aggregat af to forskellige ædelgasser, Ne og Kr, blev skabt ved at afkøle dem til ekstremt lave temperaturer. Disse Ne-Kr-klynger blev derefter udsat for pulserede røntgenstråler fra SPring-8 synkrotronstrålingskilden, som, under de betingelser, der er valgt til forsøget, fortrinsvis ioniserede Ne -atomer.

Ved at bruge en avanceret eksperimentel opsætning, holdet var i stand til at registrere alle elektroner og ioner, der blev skabt ved hver røntgenabsorptionshændelse. De fandt ud af, at bare et par hundrede fs efter den første ionisering, Ne-atomet, der havde absorberet røntgenstrålen, samt to nabokr -atomer, var alle i en ioniseret, positivt ladet tilstand.

Mekanismen, hvormed denne ultrahurtige ladningsomfordeling foregår, foreslået teoretisk af forskergruppemedlem Lorenz Cederbaum, har fået navnet 'Electron Transfer Mediated Decay' (ETMD). Den består af elektronoverførsel til det oprindeligt ioniserede Ne -atom, der matches med energioverførsel væk fra Ne, hvilket fører til ionisering af det andet Kr -atom i nærheden. Forsøget viser klart, at stærkt lokaliseret ladning produceret af røntgenstråler i stof, omfordeler over mange atomsteder på overraskende kort tid.

Kiyoshi Ueda siger:'Vi mener, at forståelse af røntgen initierede processer på et mikroskopisk niveau vil føre til ny indsigt på tværs af fysikkens discipliner, biologi og kemi. '

Disse resultater er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Naturkommunikation .