Strålingsskader breder sig blandt nære naboer

Et enkelt røntgenbillede kan optrevle et enormt molekyle, fysikere rapporterer i 17. marts-udgaven af Fysisk gennemgangsbreve . Deres resultater kan føre til sikrere medicinsk billeddannelse og en mere nuanceret forståelse af tungmetallernes elektronik.

Medicinske billeddannelsesteknikker såsom MRI'er bruger tungmetaller fra bunden af ​​det periodiske system som "farvestoffer" for at gøre visse væv lettere at se. Men disse metaller, kaldet lanthanider, er giftige. For at beskytte den person, der får MR, nogle kemikere pakker lanthanidet ind i et bur af kulstofatomer.

Molekylær fysiker Razib Obaid og hans mentor, Prof. Norah Berra i fysikafdelingen, ønskede at vide mere om, hvordan lanthaniderne interagerer med de kulstofbure, de er pakket ind i. Burene, 80 kulstofatomer stærke, kaldes fullerener og er formet som fodbolde. De binder faktisk ikke til lanthanidet; metallet flyder inde i buret. Der er mange lignende situationer i naturen. Proteiner, for eksempel, har ofte et metal hængende tæt på en kæmpe organisk (dvs. hovedsagelig lavet af kulstof) molekyle.

Så Obaid og hans team af samarbejdspartnere fra Kansas State University, Pulse Institute i Stanford, Max Planck Instituttet i Heidelberg, og universitetet i Heidelberg undersøgte, hvordan tre atomer af lanthanid-elementet holmium inde i en 80-carbon fulleren reagerede på røntgenstråler. Deres første gæt var, at da en røntgenstråle først ramte et af holmium-atomerne, det ville blive absorberet af en elektron. Men den elektron ville blive så energisk af den absorberede røntgenstråle, at den ville flyve lige ud af atomet, efterlader en ledig plads. Det sted ville så blive taget af en anden af ​​holmiumets elektroner, som skulle hoppe ned fra atomets yderkant for at fylde det. Den elektron havde tidligere været et partnerskab med en anden elektron i udkanten af ​​atomet. Da den sprang ned, dens ensomme eks, kaldet en Auger-elektron, ville zoome væk fra hele molekylet og blive opdaget af forskerne. Dens karakteristiske energi ville give det væk.

Det lyder kompliceret, men det ville have været det enkleste (og dermed mest sandsynlige) scenario, tænkte fysikerne. Men det er ikke, hvad de så.

Da Obaid og hans kolleger zappede holmium-fulleren-molekylet med en blød røntgenstråle (ca. 160 elektron-volt), antallet af de påviste Auger-elektroner var for lavt. Og for mange af elektronerne havde energier meget mindre end Auger-elektronerne burde have.

Efter lidt beregning, holdet fandt ud af, at der skete mere, end de havde gættet.

Først, røntgenbilledet ville ramme holmium, som ville miste en elektron. Den ledige plet ville så blive udfyldt af den ydre kantelektron fra holmiumatomet. Så meget var korrekt. Men energien frigivet af den springende elektron (når den hopper 'ned' fra atomets udkant til det indre, det hopper også 'ned' i energi) ville derefter blive absorberet af kulstoffulleren-buret eller et andet af de nærliggende holmiumatomer. I begge tilfælde, energien ville få en ekstra elektron til at zoome væk fra det, der absorberede den, fullerenburet eller holmiumatomet.

At miste disse multiple elektroner destabiliserede hele molekylet, som så falder helt fra hinanden.

Slutresultatet?

"Du kan forårsage strålingsskader bare ved at slå et atom ud af 84, " siger Obaid. Det vil sige, et enkelt røntgenangreb er nok til at ødelægge hele molekylekomplekset gennem denne energioverførselsproces, der involverer naboatomer. Det giver et indblik i, hvordan strålingsskader opstår i levende systemer, Obaid siger. Man har altid troet, at stråling beskadigede væv ved at fjerne elektroner direkte. Dette eksperiment viser, at interaktioner mellem et ioniseret atom eller molekyle og dets naboer kan forårsage endnu mere skade og henfald end den oprindelige bestråling.

Arbejdet giver også medicinske fysikere en idé om, hvordan man kan begrænse patientens eksponering for tungmetaller, der anvendes som farvestoffer i medicinsk billeddannelse. Afskærmning af alle dele af kroppen fra strålingen undtagen dem, der skal afbildes med tungmetalfarvestoffer, kan potentielt begrænse tungmetaleksponeringen såvel som strålingsskader, siger forskerne. Det næste trin i dette arbejde ville være at forstå præcis, hvor hurtigt denne interaktion med naboerne sker. Forskerne forventer, at det vil finde sted på blot et par femtosekunder (10 ^-15 s).