研究发现离子辐照氢键团簇诱发的质子转移新碎裂衰变通道

重离子辐照能够造成机体组织辐射损伤，也是杀死癌变细胞治疗癌症的一种有效手段。但离子与机体组织相互作用在分子尺度的微观机理目前尚不清楚。α粒子辐射的生物学危害已被充分认识，但生物分子损伤机制仍远未被理解。生物分子中不可修复损伤一个重要的来源是α粒子撞击诱发分子的电离及随后电子和核的弛豫过程。

近期，中国科学院近代物理研究所研究员马新文课题组与西安交通大学、德国马普核物理所和海德堡大学合作，选取氢键结合的乙炔二聚体(C2H2)2作为模型体系，利用重离子加速器提供的He2+离子辐照乙炔二聚体(C2H2)2诱发的碎裂过程，基于反应显微成像谱仪技术，发现了一种全新的分子间库仑衰变过程，即双荷电团簇中两个分子间的质子转移诱发的库仑爆炸机制：C2H+ + C2H3+。这与常规的直接交换能量（ICD过程）或转移电子（RCT过程）导致的库仑爆炸衰变通道C2H2+ + C2H2+完全不同（如图1所示），质子转移发生在相距4.4埃遥远距离的两个乙炔分子之间。由两个原子或分子构成的团簇为研究这些微观机制提供了简单而有效的模型体系，进一步的理论分析表明此类衰变广泛存在于由氢键结合的团簇体系中，并且预言质子转移过程在DNA双链中的AT碱基对间发生时，将造成DNA双链同时断裂，从而导致细胞的死亡。图2展示了DNA中质子转移导致的DNA双链同时断裂过程。

该研究成果在线发表在国际化学期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition），该工作得到国家重点研发项目和国家基金委项目的资助。

图1：实验观测到的离子轰击乙炔二聚体(C2H2)2诱发的衰变通道。右上通过能量传递(ICD)衰变，C2H2+ + C2H2+通道；左下通过质子转移衰变，C2H+ + C2H3+通道。

图2：(a) ICD及质子转移过程导致DNA双链断裂示意图。(b)当AT碱基对中的胸腺嘧啶(Thymine)被单电离同时伴随激发时通过向腺嘌呤(Adenine)传递能量(ICD)的方式衰变；(c)双电离de 胸腺嘧啶通过向腺嘌呤转移质子而导致的碎裂。