安定なイオンが周囲の原子の電子をキャッチ&リリース!

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2017/02/10更新

-X線照射による生体分子損傷の機構解明に貢献-

永谷清信 本研究科物理学・宇宙物理学専攻助教、上田潔 東北大学教授、福澤宏宣 同助教、齋藤則生 産業技術総合研究所副研究部門長、大浦正樹 理化学研究所ユニットリーダー、ローレンツ・セダーバウム ハイデルベルグ大学教授らのグループは、安定な2価イオンが原子集団の中に存在すると、周囲にある原子をイオン化して低エネルギー電子を放出する新しい現象を観測しました。

 

本研究成果は、2017年1月30日午後7時に英国の科学電子ジャーナル「Nature Communications」に掲載されました。

研究者からのコメント

 本研究で実証した過程では、異なる原子が含まれる集団の中の原子がX線を吸収すると、ほぼ100%の確率で低エネルギーの電子が飛び出してきます。低エネルギーの電子はデオキシリボ核酸(DNA)の鎖を切断し、細胞の死滅に繋がります。したがって、このようなX線照射による低エネルギー電子生成過程を一つずつ解明していくことが、放射線損傷を制御し、放射線治療を効果的かつ正確に行うためにも重要な役割を果たしていくと期待されます。

概要

原子に非常に高いエネルギーのX線を照射すると、電子を二つ放出して安定な2価原子イオンが生成されます。この安定な2価原子イオンは、周囲に何もなければいつまでもそのままでいますが、原子集団の中にいると、隣にいる原子から電子を一つ奪って自らは1価原子イオンになると同時に、さらにその反動で他の原子から電子を一つ飛び出させる過程が起きると理論的に予測されています。この過程では、非常に高いエネルギーのX線を吸収するにもかかわらず、非常に低いエネルギーの電子が放出されます。低エネルギーの電子は生体分子を壊しやすいため、X線照射による低エネルギー電子の生成過程の解明は、放射線損傷を制御し、放射線治療を効果的かつ正確に行うためにも重要であると考えられています。

 

そこで本研究グループは、ネオン原子とクリプトン原子で構成される原子集団をモデル系として、大型放射光施設SPring-8で利用できるX線を照射し、生成される多くのイオンと電子を同時に検出する高度な計測技術を駆使して、低エネルギー電子生成過程を解明しました。

図:本研究で解明した反応過程
ネオン原子とクリプトン原子が混合したクラスターにX線を照射すると安定な2価ネオンイオンが生成される。このイオンは孤立していると何も起こらないが、周囲にクリプトン原子があるとクリプトン原子から電子を奪って1価イオンになり、さらに別のクリプトン原子をイオン化し、電子が飛び出していく。