全 文 ：文章编号 :100028551 (2005) 012049203 简　报
低能氮离子和氩离子注入胸腺嘧啶和
尿嘧啶的剂量效应
王卫东1 　刘磊安1 　薛建明2 　张灵帅1 　秦广雍1 　赖江南2
林　树2 　王宇钢2 　魏雄辉3
(11 河南郑州大学离子束生物工程省重点实验室 ,河南 郑州　450052 ;21 北京大学重离子物理所 ,北京　100871 ;
31 北京大学化学与分子工程学院 ,北京　100871)
摘 　要 :本文研究了低能 N + 和 Ar + 注入对胸腺嘧啶和尿嘧啶的剂量效应 ,并分别给出了在考虑
离子对样品的溅射和损伤的情况下的拟合曲线。通过对不同剂量处理的溅射和损伤系数的改
变 ,可以对辐照的剂量曲线进行较好的拟合。研究还发现胸腺嘧啶和尿嘧啶对低能 N+ 和低
能 Ar + 的辐射敏感性不同。
关键词 :低能离子 ;胸腺嘧啶 ;尿嘧啶 ;溅射 ;损伤
DOSE EFFECT OF N+ AND Ar + IMPLANTATION INTO THYMINE AND URACIL
WANG Wei2dong1 　LIU Lei2an1 　XUE Jian2ming2 　ZHANGLing2shuai1 　QIN Guang2yong1 　LAI Jiang2nan2
LIN Shu2 　WANG Yu2gang2 　WEI Xiong2hui3
(11 The Key Laboratory of Ionbeam and Biology Engineering of Hennan province , Zhengzhou University , Zhengzhou , Henan ,450052 ;
21 Institute of Heavy Ion Physics , Peking University , Beijing ,100871 ;
31 Department of Chemistry and molecule engineering , Peking University , Beijing ,100871)
Abstract :The dose2effect of the implantation of N + and Ar + on thymine and uracil were studied in this paper.
Simulative curves were given when the sputtering of the intact sample molecules and the decomposition of the sample
were taken into account . The simulative curves were fit for dose2effect curves when the sputtering and damage
parameters change. It was also found that thymine and uracil had different sensitivities to N+ and Ar + .
Key words :low energy ions ; thymine ; uracil ; sputtering ; decomposition
收稿日期 :2004201212
基金项目 :国家“十·五”科技攻关项目 (2001BA302B203)资助
作者简介 :王卫东 (1977 - ) ,男 ,河南正阳人 ,博士 ,主要从事离子注入生物效应研究。E2mail :wwd413 @zzu. edu. cn20 世纪 80 年代中期 ,中国科学家余增亮首次将离子束应用于生物样品上 ,目前已取得重大成果 ,引起国内外专家的密切关注[1 ] 。由于低能离子注入生物体具有能量沉积、电荷传递和质量沉积三位一体的效应 ,从而产生和传统的电离辐射不同的剂量效应 ,至目前为止已对低能离子束的生物学效应进行了广泛的研究[2～4 ] 。DNA 和 RNA 作为生物体的主要遗传物质 ,是产生辐射损伤的主要靶物质[5 ] 。DNA 和 RNA 均由核糖、碱基、磷酸三部分组成 ,碱基是其重要组成部分 ,因此 DNA 和 RNA 的损伤主要表现在碱基的损伤上。本文报道低能 N + 和 Ar + 注入胸腺嘧啶和尿嘧啶两种碱基的剂量效应。1 　材料与方法
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111 　试验材料
胸腺嘧啶 (Thymine) 、尿嘧啶 (Uracil) ,购自上海生工生物工程公司。
112 　试验方法
11211 　制样方法　用天平准确称量 40mg 的胸腺嘧啶和尿嘧啶样品 (二者所称质量相同) ,分别溶于
500ml 的蒸馏水中 ,使其充分溶解后 ,转入棕色广口瓶中避光保存。分别吸取 2ml 的胸腺嘧啶和尿嘧啶
加到直径为 6cm 的平皿中 (平皿用水洗净后 ,用双蒸水冲洗 ,纯酒精中再冲洗后备用) 。然后在真空烘箱
中真空低温 (35 ℃～50 ℃)烘干 ,除去水分后形成均匀薄膜。
11212 　离子注入方法 　试验所用装置为俄罗斯生产的脉冲式多元素 Titan 离子注入机。将烘干后的薄
膜样品水平放置在靶室内 ,接受离子注入。分别用 30keV N+ 和 30keV Ar + 注入 ,束流强度为 200mA ,脉
冲宽度为 400μs ,频率为 25Hz ,注入剂量最高为 2 ×1016 ionsΠcm2 。
11213 　试验测量　将对照样品和注入处理后的薄膜样品溶解后 (吸取 10ml 蒸馏水加入该平皿中 ,使样
品充分溶解) ,用上海分析仪器厂生产的 752 紫外光栅分光光度计分别测量 N+ 和 Ar + 注入胸腺嘧啶和
尿嘧啶前后的紫外吸收值。在该实验中 ,每个剂量点 3 次重复 ,3 次测量的平均值作为最终实验值。
2 　结果与分析
对注入前后的样品进行全谱扫描 ,发现注入前后样品的紫外吸收光谱谱型一致 ,最大特征吸收均在
260nm处 ,只是特征吸收强度发生了变化。因此在本实验的测量中 ,可以将该波长处的紫外吸收值作为
离子束注入前后样品的残存率 (离子注入后的残存量与注入前样品量的百分比) 的量度。在该实验中 ,
设置了真空对照 ,发现真空和注入引起的温升对两种样品影响很小 ,可以忽略不计。
图 1、2 给出了 N + 和 Ar + 注入胸腺嘧啶和尿嘧啶的剂量曲线以及考虑溅射之后的拟合曲线。从图 1
可以看出 ,在离子注入的初始阶段 (低于剂量 10 ×1015 ionsΠcm2 ) ,离子对胸腺嘧啶的损伤比较严重。随着
剂量的增加 ,离子注入对胸腺嘧啶的进一步损伤率有所下降 ,从 10 ×1015～20 ×1015 ionsΠcm2 其残存率下
降仅约为 10 %。N + 、Ar + 两种离子对尿嘧啶的剂量曲线和它们对胸腺嘧啶的剂量曲线趋势基本相同 ,
但尿嘧啶表现出对 N + 更敏感。
离子辐照样品表面 ,可以发生溅射和损伤两种效应。图 2 是只考虑溅射后对图 1 两个曲线的拟和
曲线。假设在开始时 ,注入的 1 个离子可以引起 Y0 个胸腺嘧啶或尿嘧啶分子从样品表面溅射出去 ,那
么该曲线的方程可以表示为 :剩余离子数Π(总离子数2被溅射离子数) 。其中被溅射离子数可以表示为 :
K×Y0 ×剂量。随着注入离子的不断增多 ,样品表面剩余的分子越来越少 ,导致溅射率的迅速减小 ,因
此溅射系数应该是逐渐降低的。在该图的前 3 个剂量点 ,包括对照 ,溅射率比较大 ,选取溅射系数 K =
1 ;从第 4 个剂量点到第 7 个剂量点 ,选取溅射系数 K = 011 ;从第 8 个剂量点到第 9 个剂量点 ,选取溅射
系数 K = 0101 时的剂量拟和曲线 ,拟和的结果比较好。
图 3 是考虑离子对胸腺嘧啶和尿嘧啶损伤的拟和曲线。假设开始时每个注入离子可以引起 Y0 个
胸腺嘧啶或尿嘧啶分子造成损伤。设入射剂量为 S 时 ,还剩余 N 个分子 ,有公式 :
- d N = N ×K ×Y0 ×d S
对这个公式积分 ,有 :
N = N0 ×exp ( - K ×Y0 ×S)
　　其中 N0 为辐照前的胸腺嘧啶或尿嘧啶分子的个数 , K 为在不同剂量时的损伤系数。研究表明随
着剂量的加大 ,样品的表面的颜色越来越深 ,出现了碳化现象[6 ,7 ] ,这将在很大的程度上影响离子对样品
的进一步损伤。而且随着剂量的加大 ,入射离子在样品中的径迹发生重叠[8～10 ] ,那么就有部分离子“浪
费”了 ,因此随着剂量的不断增大 ,所取的 K值是递减的。当辐照剂量不断增大时 ,选取不同的 K值 ,可
以使曲线较好的拟合氮离子和氩离子辐照胸腺嘧啶或尿嘧啶的剂量曲线。
以上分别从 N + 和 Ar + 与样品胸腺嘧啶和尿嘧啶的溅射和损伤两个不同的相互作用方面给出了较
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图 1 　N + 和 Ar + 注入胸腺嘧啶和尿嘧啶的剂量效应曲线
图 2 　胸腺嘧啶和尿嘧啶注入后的剂量效应曲线和拟合曲线 (溅射)
图 3 　胸腺嘧啶和尿嘧啶注入后的剂量效应曲线和拟合曲线 (损伤)
好的拟合曲线 ,但是从实际上来讲 ,溅射和损伤这两个过程是相互影响的。在不同的剂量下 ,溅射和损
伤所占的比例也是不相同的。但是根据已有的文献[11 ] ,应该是损伤所占有的份额大于溅射。
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不育环境条件) 、或诱导因素 (辐射产生的生物学效应)等引起的。辐射诱变处理第 1 代可检测的一个重
要生物学效应就是 M1 或 V1 植株的不育性。这种不育性有各种解释 ,包括点突变、染色体畸变 (如缺失
或易位等) 、细胞质突变和生理效应[10 ] ;因而这种不育性可能是遗传的 ,也可能是非遗传的 (可恢复的) 。
常规检测雄性不育突变体的方法是采用表现型检测 ,如观察雄性器官的形状异常情况、检测花粉有
无及花粉活力的大小等。表现型检测是选育雄性不育突变体的第一步 ,其结果虽直观但往往不可靠。
DNA 分子标记检测由于直接对基因组进行检测 ,其灵敏性及可靠性都较高。表现型检测与分子标记检
测的结合 ,可以提高选育效率[4 ] 。
表现型检测发现的 20 个雄性不育突变体 ,经过 RAPD 分子标记检测 ,有 11 个 DNA 组成未发生变
化 ,表明它们是由于非遗传因素引起的雄性不育 ;另外 9 个雄性不育突变体的 DNA 组成与‘Pollyanna’相
比发生了明显的变化 ,可初步确定它们为基因型突变体。RAPD 检测虽能表明突变体 DNA 组成发生了
变化 ,但并不能说明此突变体是基因型雄性不育突变体。因为某些生化突变或抗逆性突变的 DNA 组成
也发生变化 ,但从外观上不一定能表现出来。另外 ,基因型突变也可能因为突变修复、突变死亡而产生
突变消失。因此 ,我们还需进行无性系比较、遗传稳定性观察等进一步的研究 ,才能最后确定上述 9 个
基因型突变体是否为稳定的基因雄性不育突变体。尽管如此 ,早期的 RAPD 分子标记检测淘汰了部分
非遗传因素引起的雄性不育 ,缩小了真突变体的选择范围 ,提高了选育效率。
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