Ion implantation of organisms翻译.doc

Materials Science and Engineering R 54 (2006) 49–120离子注入生物辉运丰，增亮羽，保罗 K楚 B，离子束生物工程重点实验室，中国科学院等离子体物理研究所，中国科学院，邮政信箱1126，合肥 230031，安徽，中国物理系和材料科学，中国，香港，九龙，达之路，香港大学，摘要本文在描述了基本概念后，讨论了生物分子和生物千电子伏离子相互作用这种新兴的技术我们首先对这新成长的领域进行了理论和基本问题的有关讨论，其中包括辐射损伤和离子对生物体的溅射，在植物种子和生物靶中，离子渗透和分布以及之间发生的化学反应，生物靶模型构建进行系统的讨论，千兆电子伏下质粒 DNA 的破坏，以及离子在植物和微生物中引起的基因突变其实验方法在推动技术和科学进步发挥着重要的作用，并对最近的科研发展进行了综述在农业，工业发酵和生物育种都有代表性的成果，最后，对悬而未决的问题和未来的研究方向提出了问题和讨论2006Elsevier 公司保留所有权利关键词：低能离子;生物分子;生物;农业;发酵工业2目录离子注入生物 ......................................................................................................................................1摘要 ......................................................................................................................................................11.简介 ...........................................................................................................................................11.1.离子与固体的相互作用 ................................................................................................21.2.离子与生物医用材料 ....................................................................................................21.3.离子与生物分子 ............................................................................................................3引用 ......................................................................................................................................................531.简介离子是一个由获得或失去一个或更多的电子而获得净电荷的原子或集群。

离子的第一个理论由迈克尔法拉第在 1830 左右提出，他认为粒子是包含正负电荷的一个原子或分子变成正离子时失去一个或多个电子，而由于电离，它变成了负离子时，它捕捉到一个或多个电子如果离子剥离了大量的电子，它成为一个高/多电荷离子离子对生命来说是必不可少的约 100 的自然元素中，30 元素是生命系统中的成分，包括 11 丰富的元素（C，H，O，N，P，S，Cl，K，Na，Ca，Mg） ，3 过渡元素（Fe，Zn，Cu） ，和 16 种微量元素，其中 6 个是非金属元素（F，I，硒，硅，如，B）和 10 个（锰，钼，钴金属，Cr，V，镍，锡，铅，CF，李）金属这些元素在生物体中以离子形式存在他们帮助维持生命系统的正常活动，通过参加各种复杂的生化过程，如材料的运输，能量转换，信息交流，影响生物体的细胞功能，控制代谢[1]离子在一定情况下可以产生于自然发的生过程[2,3]或人造机器下产生离子源[4]在实验室中，这些离子在离子源中具有一定的动能，进入真空环境中通过加速后离子由于碰撞速度减小在大多数实验中，加速度和质量选择后，高能离子输送到反应室中经历离子–靶的相互作用发生物理和化学过程在离子–物质间的相互作用结果在很大程度上取决于双方的粒子，如动能，质量，还包括入射离子的电荷和质量密度，厚度分布等属性[5]。

在相互作用能量而言，大致有五种机制：热（500 千电子伏）[4,6]在这次实验中，我们侧重于千电子伏离子在生物分子和活的有机体中的相互作用我们还讨论离子诱导在生物体损伤和诱变对环境安全和人体健康的重要作用，生命起源与进化，以及离子束修饰在生命科学中的应用1.1.离子与固体的相互作用在 100 年间，高能离子物质停止一直是广泛的理论和实验研究的主题其后不久发现放射性物质的高能粒子发射,令人感兴趣的是放射的减缓和放射物质的穿透[7]许多物理和化学现象与高能离子与物质之间的相互作用已经被观察到更重要的还包括离子穿透固体目标而造成能量损失和减速,由于离子能量的耗散对物质体积和表面损坏,中性原子和分子以带电表面为靶发生弹射,和其他发射过程[8]第一个关于高能离子停止和范围提出的理论是LSSLindhard,1963 年 Schaff 和 Schiott(9、10)这一理论是理论和实验工作在之前的几十年里进行的顶峰,提供了一个方便的模型来计算离子在固体中的停止和范围分布[7]如今,LSS 模型和基于蒙特卡罗 SRIM(固体离子的停止和范围)代码开发的齐格勒[11]是最广泛使用的程序高能离子光束经常被作为一种分析工具进行修改/制造，在物理、化学和材料科学有很广的应用。

例如,薄膜可以沉积到衬底上，溅射可以揭示物质的内部结构，可以创建混合接口，材料可以是不同元素的掺杂，和众多的材料表征技术，如次级离子质谱（SIMS）和卢瑟福背散射（RBS ）催生了 [6,12,13]在固体材料的离子束加工，离子与能量范围从 EVS到 MeVs 可用于产生不同的效果[14]靶材料的机械，电，光，磁，以及超导特性可以通过引入外来离子来选择性地改变低能量和中等能量离子辐照是对行业尤其重要，如微电子许多掺杂，刻蚀，表面清洁，和使用离子束沉积技术[13,15,16]41.2.离子与生物医用材料生物材料被广泛研究和应用他们也扮演重要角色在发展更有效的药物和药物开发上(17、18)微电子材料,生物材料是未来被广泛应用的材料,离子束加工已成功应用(19、20)一个常见的生物材料的定义是一种生物相容性材料用于医疗设备和旨在与生物系统交互[21]粗汞华等人定义,生物材料是天然生物材料或材料旨在修复人体组织和器官[22]另一个定义是任何材料,自然或人为的,包括生命的全部或者部分结构或生物医学设备,增强或取代自然系统[23]在这里,为了简单起见,材料分为生物材料，即作为某种连接或材料在生物体之间已经建立。

例如,diamond-like-carbon(DLC)涂料和聚合物、玻璃和 silicone-oxide-based 材料采用的研究体外神经细胞和神经细胞交流的增长被认为是生物材料(24、25),和资料,有可能被应用到生物仪器的发展[26]也可以被看作是生物材料基于这个定义,所有生物体包括细胞、细菌、病毒、植物组织、器官,及其本构元素/分子/聚合物不应包括在内,但他们是论文的重点叙述对象因此,在本文的上下文中,他们也被列为生物材料此外,水,在所有已知的生命形式的最基本的组成部分,包括在我们的生物材料的范围各种类型的生物材料,包括金属、合金、陶瓷、玻璃、聚合物和复合材料生产的各种类型的离子束加工技术,例如离子注入、离子束辅助沉积(IBAD)离子束变形和离子雕刻许多努力已经完成在设计，合成，和制作材料和设备，以确保他们有合适的机械性能，相容性，耐久性，和功能，适合特定的应用，这些特性主要是由生物材料表面 21,23,27,28]也就是说，表面的结构是一个关键因素，在许多例子中，材料的功能可以通过离子束改性应该强调的是，材料表面必须适当的改性，表面属性如生物相容性，而理想的整体性能可以保留为生物医学应用[29,30]以促成改进。

1.3.离子与生物分子生物分子是一种化学化合物,广泛存在于生物体生物分子是所有已知的生命形式中必要的存在生命实际上是在细胞水平上调控元素之间复杂的相互作用,单个分子和分子复合物微量元素在生命系统中充当协调中心来建筑或稳定酶和蛋白质的结构[31]，DNA、蛋白质、低聚糖、肽、脂质、激素和其他小分子功能的生物分子,生物系统的状态特征例如,动物皮的主要成分是角蛋白,一个完整的聚合物的纤维结构蛋白质由氨基酸组成氨基酸在本质上是最重要的对于构建一个更大的分子多肽和蛋白质对于负责生物分子各种酶活性等生理功能,反应物的运输,以及 DNA 复制和修复是关键的另一种类型的基团是核苷酸由三部分组成:嘌呤或嘧啶碱基，戊糖，和磷酸基这些核苷酸构成生物体的遗传物质核酸除了高分子生物分子,许多有机小分子,例如,脂质,维生素,碳水化合物也发挥重要的影响对于生物的维护和功能在各种各样的生物分子,只有低能离子和 DNA 及蛋白质之间的相互作用，但是其基团(碱基物质,脱氧核糖核苷,氨基酸)和其他类型的生物分子很少研究低能离子与生物分子相互作用研究的发展以及三大方向,即离子束分析生物分子(32、33),离子在环境(34、35)和医学(36-38)及离子在生命起源、天体物理学和天体生物学[39-42]。

5离子束中经常使用现代分析技术来确定元素组成，元素的深度分布，晶体损坏更好的理解具有非易失性高能离子/原子束之间的碰撞动力学，高分子量的生物化合物已经具有先进的分析技术，如次级离子质谱（SIMS）和快原子轰击（FAB）[43,44]在传统的质谱仪上，它是比较难研究的大分子，如氨基酸，多肽和核苷酸，因为电离过程如加热和电子碰撞电离，用挥发材料通常会导致热分解，但另一方面，原子或离子轰击可以更有效地产生所需的分子离子[45–47]主要研究内容包括离子的形成，离子解离，质量分离的基本过程，并检测大分子来获得更精确的结构信息和了解大分子[48–50 结合能的关系]已经有一些最近的突破与新的成像质谱和微观的方法来对生物表面分子的空间分布进行研究因此，生物质谱的方法正在开发，使生物分子包括蛋白质更准确的空间定位，在亚细胞分辨率下的肽和脂质例如，聚焦离子束（FIB）与~10nm 探测光斑尺寸的机器都可以使用作为一种分析工具在组织细胞原位[51]切割商业应用如 NanoSIMS50 提供高质量和横向分辨率以及提高灵敏度，这在老仪器[52,53]是非常困难的MALDI-TOF（基质辅助激光解吸电离飞行时间质谱检测）的蛋白质和肽在很宽的质量范围内具有很高的灵敏度和选择性（103～105Da）的复杂混合物。

最近，探针成像 MALDIMS 哺乳动物组织中产生特定的蛋白质和肽图 30–100 毫米分辨率为了提高到亚细胞尺度空间分辨率（小于 1 毫米） ，更好的仪器和样品制备仪器有待开发[54]单独研究高度带电的离子和生物分子间的相互作用在生物学辐射损伤过程中发挥至关重要的作用离子与千电子伏或更低的能量的粒子可以在衰减晶核发射质子，α 粒子，或 g线[5]的反冲方法下生产当电离辐射或粒子与活细胞相互作用，一个复杂的级联碰撞的发生可以最终导致细胞死亡或突变诱导不可挽回的 DNA 损伤[55]除了直接破。