《剂量率对明胶辐射损伤的效应分析,有机化学论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《剂量率对明胶辐射损伤的效应分析,有机化学论文.docx（12页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、剂量率对明胶辐射损伤的效应分析,有机化学论文低剂量率辐照会产生两种效应：低剂量刺激效应和辐射损伤效应。极低剂量率为正效应，可诱导农作物性状改进1和品种改进、临床上杀灭癌细胞的同时保卫机体细胞。辐射损伤为负效应，可导致DNA双链和单链断裂2,红细胞及膜损伤3,胸腺细胞凋亡4和癌细胞自我修复加强以及航空、军事和工业元器件5-6的应用性能下降。明胶辐照灭菌已沿用传统工艺多年，应用发现，辐照后明胶出现黏度下降的现象。当明胶的初始带菌量高、初始黏度低时，辐照后的明胶细菌含量符合要求，但黏度大幅下降，由此降低或失去应用价值GB 6783-94要求：明胶勃氏黏度大于1.8mPa s,凝冻强度大于100g7.
2、但这种现象在同等剂量加速器辐照或装源量大的钴源辐照时可避免。因而，研究低剂量率损伤效应具有重要意义。 水、蛋白质和氧气辐照分解产生OH 、H 、e-aq、HO2 、O-2、RCH CO-2、NH+3C RCO-2等自由基8,这些自由基间、自由基与分子间、分子内、分子间会发生多级反响，引起明胶分子的交联、断裂及其他变化9.由于自由基含有未成对电子，具有自旋角动量，能产生磁性和自旋磁矩10,常用电子自旋共振ESR谱仪检测其信号强度和自由基浓度11-13.ESR技术主要应用于木荷、丝绸14、聚丙烯腈纤维15、化学反响研究16等领域，用于研究剂量率辐射损伤效应的报道较少。 本文采用ESR等技术，检测明
3、胶经不同剂量率钴源和加速器辐照后，自由基含量及构造的特性变化，讨论剂量率对明胶辐射损伤的效应，为建立高剂量钴源或加速器辐照明胶灭菌工艺提供参考。 1材料与方式方法 1.1主要试剂与仪器 明胶：CP级，国药集团化学有限公司。 钴源1:放射性活度1.22 1016Bq33万Ci，湖北省辐照实验中心；钴源2:放射性活度9.36 1016Bq253万Ci，深圳市金鹏源辐照技术有限公司；加速器：10MeV、15kW,深圳戈瑞辐照科技有限公司；JES-FA200电子顺磁共振波谱仪：日本电子株式会社；凝胶浸透色谱：1515型高效液相色谱泵、2690D型分离模块、2410型折射率检测器、Waters ultr
4、ahy dro-gel 2000型和Waters ultrahy drogel 250型色谱柱，美国Waters公司；Quanta 200型扫描电镜：荷兰FEI公司；TA-XTPlus型质构仪：英国SMS公司；50mL稀释型乌氏黏度计；电子万能材料试验机：深圳市瑞格尔仪器有限公司。 1.2辐照处理及剂量监测结果 将明胶在50下鼓风枯燥至恒重后，进行定量有氧包装。包装后的明胶分别用钴源1剂量率约为60Gy/min、钴源2剂量率约为480Gy/min和加速器剂量率约为1 200Gy/min辐照，以硫酸亚铁剂量计跟踪吸收剂量。加速器工作条件：功率14.97kW、扫描电流7A、速度2.43.0m/mi
5、n、载高3cm、加速电压122kV.钴源1辐照样品的吸收剂量分别为4.5、8.7、13.0、17.3、27.3、36.6kGy,钴源2辐照样品的吸收剂量分别为8.8、20.2kGy,加速器辐照样品的吸收剂量分别为8.0、30.6kGy. 1.3 ESR工作条件 初始场的磁感应强度为313.894mT,中心磁场的磁感应强度为323.894mT,磁场扫描宽度为20mT,扫描时间为60s,微波频率为9 052.252MHz,微波功率为0.998 000mW,测量温度为室温。 1.4指标测定 相对分子质量大小及分布宽度：以0.1mol/mL Na2HPO4pH=8.0为储备液，0.025mol/mLN
6、a2HPO4pH=8.0为淋洗液，H2O-0.2mol/mLNaNO3为溶剂，进样量为100 L,淋洗液流速为0.6mL/min.标样为聚乙烯乙二醇，柱子温度为40,检测器温度为40。 特性黏度：记录在37恒温下，一定体积、不同浓度初始浓度c0及将初始浓度按体积比稀释为2/3、1/2、1/3和1/4浓度下明胶水溶液流经乌氏黏度计毛细管的时间。根据溶液流出时间t和蒸馏水流出时间t0,依次计算相对黏度 r r=t/t0和增比黏度 sp sp= r-1.以浓度c为横坐标、 sp/c和ln r/c为纵坐标作图，两条曲线与纵轴的截距记为H1和H2,其平均值为H,H/c0即为特性黏度 . 凝胶强度：按美国
7、试验标准GMIA采用质构仪测定。 断裂伸长率：采用膜的拉伸形式试验标准GB 1040-92进行断裂伸长率的测定。测试条件：定伸长率20%、标距25mm、试验速度100mm/min、定应力0.1mPa、试验面积1.56mm2,测试时输入膜厚度参数以mm为单位，断裂伸长率由计算机直接给出。 外表形貌分析：10%的明胶水溶液在低温下构成凝胶后，在-80冰箱内速冻，再冻干，取少量冻干样品，真空喷金后，采用扫描电镜对样品的外表和截面扫描。 2结果与讨论 2.1辐照明胶的ESR谱特征 吸收剂量约8kGy的明胶经钴源1、钴源2和12 000Gy/min加速器辐照后，用ESR谱仪研究不同剂量率 射线和电子束照
8、射后明胶自由基信号的变化，结果示于图1.图1a显示，未辐照明胶的自由基信号很弱，且噪声较大。图1b显示，钴源1和钴源2辐照明胶后，自由基信号强度相近，加速器辐照后自由基信号强度最低，三者均表现出典型的特征双吸收峰，几乎重叠。 钴源1、钴源2和加速器辐照后吸收剂量分别为36.6、20.2和30.6kGy的样品的ESR谱如此图2所示。与8kGy低剂量辐照明胶的ESR谱图1相比，随着剂量的增加，三种剂量辐照明胶的峰形无明显变化。吸收剂量较接近的钴源136.6kGy和加速器30.6kGy辐照明胶的峰形高且窄，吸收剂量仅为20.2kGy的钴源2辐照明胶的峰形矮且宽。 根据分裂因子计算公式g=0.071
9、45 /HH为共振场的磁感应强度， 为微波频率，取9 052.252MHz和图2计算g值和 H峰与峰对应磁场的间距，结果列于表1.由表1可见，钴源1的特征峰参数与加速器的较接近，钴源2的g值略偏大， H偏小，但差值不大。可见，辐照剂量率并未改变样品的自由基性质，ESR谱峰形类似，未辐照明胶几乎无响应信号。低剂量阶段图1，高剂量率的低自由基信号强度效应较明显，自由基信号强度由小到大依次为加速器、钴源2、钴源1. 电磁波或电子束在明胶蛋白质晶格内会产生辐射缺损，诱导长寿命自由基产生，当与周围外加磁场互相作用时，会发生自旋共振吸收。钴源和加速器产生的电子自旋和外加磁场间的互相作用不同，因而构成的谱线
10、线形也略有差异8,15.本研究发现，二者产生的自由基的特征峰类似，但强度有差异。 2.2剂量对自由基信号强度的影响 用钴源1对明胶进行不同剂量辐照，研究吸收剂量与自由基信号强度的关系，结果如此图3所示。在036.6kGy吸收剂量范围内，自由基信号强度y与剂量x呈现良好的相关性，拟合方程为：y=26.983x2+1 641.8x-205.69,R2=0.994 .当物质遭到电离激发时，处于上下两能级的电子发生受激跃迁，一部分低能级电子吸收电磁波能量跃迁到高能级，辐射诱发的顺磁性物质产额与吸收剂量直接相关18,因而，ESR反映的是一定条件下样品吸收的总能量19,能量吸收越多，共价键断裂越多，进而自
11、由基含量越高20.本研究中吸收剂量与信号强度呈正相关，与文献21报道的结果一致。 2.3剂量率对辐照明胶自由基信号强度的影响 用不同剂量率及辐照方式辐照明胶，其自由基信号强度示于图4.由图4可见，吸收剂量约为8kGy时，钴源1、钴源2和加速器辐照三种方式中，加速器辐照的明胶自由基信号强度最低，钴源1和钴源2辐照的明胶自由基信号强度相近；吸收剂量约为20kGy时，钴源2辐照的明胶自由基信号强度低于钴源1的；吸收剂量约为30kGy时，加速器辐照的明胶自由基信号强度低于钴源1的。可见，一样剂量辐照时，自由基信号强度由高到低依次为：钴源1、钴源2、加速器。 加速器辐照产生的自由基信号强度低于 射线的，
12、可能是由于加速器电子束穿透能力有限，且作用时间短，单位时间自由基产生量大，使自由基瞬时浓度太高，难以及时扩散，自由基间发生反响而淬灭，造成自由基总量减少。在钴源辐照中，大剂量率与小剂量率自由基信号强度产生差异与此推理类似，详细机理有待进一步分析研究。 2.4剂量率对辐照明胶平均相对分子质量的影响 吸收剂量约为8kGy时，不同剂量率辐照后，明胶流经凝胶浸透色谱GPC的信号响应值随时间的变化示于图5.由图5可见，钴源1辐照后明胶的保存时间最长，响应信号峰最矮；加速器辐照与钴源2辐照后明胶的保存时间相近，但钴源2峰较高。由GPC测定原理可知，相对分子质量越大，保存时间越短，峰越高。可见，一样吸收剂量
13、下，钴源2辐照明胶样品平均相对分子质量最大，其次为加速器辐照的，钴源1辐照的最小。 根据明胶GPC响应值与标准曲线比照，分析得到相对分子质量。钴源1、钴源2和加速器辐照明胶的相对数均分子质量Mn分别为2 810、3 875和3 358;相对重均分子质量Mw分别为4 389、7 119和5 973;多分散指数Mw/Mn,用于衡量聚合物分子质量分布的宽度，该值越大，讲明分子质量分布越宽，分子质量越不集中分别为1.56、1.84和1.78.在3540min之间出现小峰的原因是明胶大分子流出后，小分子保存在树脂孔里，最后才被洗脱出来，倒峰为溶剂峰。由此可见，一样吸收剂量下，辐照明胶的Mn、Mw由大到小
14、依次为：钴源2、加速器和钴源1.但分散指数以钴源1最低，其次为加速器，钴源2最高。 高分子受辐照后最重要的反响为辐照交联与降解，同时性能发生显著变化，包括分子质量增加或下降。在相对无水条件下，明胶属于辐照降解型高分子，在辐照经过中分子质量逐步减小。在降解经过中生成大分子自由基，空阻效应使大分子自由基较稳定，它们很难在分子链内迁移，也不易进行分子间的双基复合反响，其主要反响趋势是重排或歧化反响，主链断裂后被稳定下来。这是明胶受 射线辐照后，产生稳定性较好的自由基的机理。因而，稳定自由基含量可间接反响降解程度。 2.5剂量率对辐照明胶特性的影响 不同剂量率辐照后明胶的特性黏度、凝胶强度和断裂伸长率
15、列于表2.由表2可见，未辐照明胶的特性黏度为47.5mL/g,辐照明胶的特性黏度在4142mL/g范围内，且钴源2和加速器辐照后明胶的特性黏度相近，钴源1辐照后明胶的特性黏度略低。未辐照明胶的凝胶强度为642.8g,辐照明胶的凝胶强度在560590g范围内，凝胶强度的大小依序为： 钴源2辐照后的明胶、加速器辐照的明胶和钴源1辐照的明胶。未辐照明胶的断裂伸长率为221.3%,辐照明胶的断裂伸长率范围为160%200%,断裂伸长率由大到小依序为钴源2、加速器和钴源1. 综上所述，钴源剂量率加大，有利于减少无水明胶蛋白的降解，保持较高的特性黏度、凝胶强度和明胶膜的断裂伸长率。加速器辐照效果略次于钴源
16、2的辐照效果，但优于钴源1的辐照效果。 有研究3表示清楚，高剂量率辐照造成R 和ROO 的浓度相对较高时，自由基间的反响取代了自由基与完好分子间的反响，致使由 OH引发的链式反响蔓延经过遭到限制，主要是链终止反响。相反在低剂量率时每个单位时间内几乎均未构成脂质过氧自由基ROO ，而是与相邻完好分子的反响导致链式反响被延长，故低剂量率对蛋白质产生更大程度的损伤。长寿命自由基对照后贮藏期明胶性能的影响有待进行深切进入、系统的研究。 2.6剂量率对辐照明胶微观构造的影响 图6为未辐照明胶和吸收剂量约8kGy的明胶外表放大500倍的扫描电镜图像。由图6可见：未辐照明胶外表有少量凹陷，且有明显未溶解的颗
17、粒状物；三种辐照方式下，明胶外表孔洞数量较未辐照明胶均有所增加，但随着剂量率的增加，孔洞变浅，且逐步模糊。钴源1辐照明胶外表孔洞稀疏、大、深，基质外表光滑，钴源2和加速器辐照的明胶外表孔洞逐步变得不明显，且凸起物密集，尤其是加速器。对于孔洞，揣测是明胶凝胶在冷冻枯燥经过中水分挥发构成的通道。对于突起物，分析是由于明胶溶解性差，在水溶液中分布不均造成的。明胶经不同剂量率辐照一样剂量后，分解反响程度不同，水溶解性不同，分解程度越大，溶解性越好，则凸起物越少，基质越光滑。由6图还可见，剂量率越大，明胶辐照分解越少，外表突起越多。 3结论 1未辐照明胶的ESR信号很弱，辐照明胶的ESR谱呈双峰特征，峰
18、高由高到低依次为：60Gy/min钴源辐照的明胶、加速器辐照的明胶和480Gy/min钴源辐照的明胶；2明胶的平均相对分子质量、特性黏度、凝胶强度、断裂伸长率由大到小依次为：480Gy/min112 000Gy/min加速器辐照的明胶、60Gy/min钴源辐照的明胶；3明胶的相对分子质量越小，水溶解性越好，SEM图像外表越光滑，因而其外表粗糙程度由大到小的顺序与平均相对分子质量的一样。4自由基浓度越高，辐射化学反响越剧烈，性能劣变程度越大。高剂量率产生低浓度长寿命自由基，有利于减小辐射损伤，其作用机理可能是：瞬时高浓度自由基间反响增加而带来自由基的淬灭，减少了自由基对主链分子的攻击时机。 详细
19、机理有待进一步脉冲辐解研究加以佐证。 以下为参考文献： 1 章铁，刘秀清，张金良，等.不同剂量率60Co- 射线低剂量辐射对小麦农艺性状的影响J中国农学通报，2008,21:220-223. 2 孔福全，王潇，倪嵋楠，等.Li离子辐射致DNA损伤中的剂量率效应M中国原子能科学研究院年报.北京：原子能出版社，2007:144-145. 3 王俊玲，王卫东，徐志昆，等.不同剂量率的紫外线对红细胞及其膜的影响J.核农学报，2018,233:526-529. 4 吕喆，刘淑春，刘扬，等.低剂量X线辐射诱导胸腺细胞凋亡及细胞周期进程适应性反响的剂量率效应J.吉林大学学报：医学版，2003,296:719-722. 5 商怀超，刘红侠，卓青青.低剂量率60Co 射线辐照下SOI MOS器件的退化机理J.物理学报，2020,6124:246010. 6 邓伟，陆妩，吴雪，等.双极线性稳压器LM317的电离总剂量效应及剂量率的影响J.固体电子学研究与进展，2020,334:398-404.