Przekroje czynne na rozproszenie elektronów na biodrobinach

Transkrypt

1 Przekroje czynne na rozproszenie elektronów na biodrobinach Paweł Możejko Zespół Fizyki Atomowej Katedra Fizyki Atomowej i Luminescencji Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej Politechnika Gdańska

2 Oddziaływanie promieniowania jonizującego z materią Wpływ promieniowanie jonizującego na DA: indukuje zniszczenia DA mogące zmieniaćfunkcjonowanie komórki i prowadzić do zmian kancerogennych. indukuje obumieranie komórki iskoenergetyczne elektrony wtórne sąwynikiem oddziaływania promieniowania jonizującego z materią

3 Zniszczenia DA i RA indukowane oddziaływaniem z niskoenergetycznymi elektronami iski próg energetyczny na pojedyncze (SSB) i podwójne (DBS) przerwania nici DA w skutek bombardowania niskoenergetycznymi elektronami DSB wydają się być procesami jedno elektronowymi (oneelectron-hit process) Struktury rezonansowe i złożona zależność energetyczna B. Boudaiffa, P. loutier, D. unting, M.A. uels, L.Sanche, Science 287(2000) 1658 Abdoul-arimeet al., Radiat. Res. 155 (2001) 625

4 Astrobiologia Proste prebiotycznereakcje mogąprowadzićdo produkcji wielu składników biochemicznych makrocząsteczek Atmosfera Ziemi mogła byćsilnie zredukowana bogata w metan 4 amoniak 3 wodę 2 O wodór 2 Intensywne działanie światła Silne wyładowania atmosferyczne

5 Astrobiologia c.d. Lata 50 te Stanley Miller & arold Urey doświadczalne odtworzenie warunków prebiotycznych 2 O skraplacz W wyniku powstały między innymi aminokwasy alanina i glicyna z wydajnością około 2%. Wydajność silnie zależy od dostarczanego węgla w postaci 4. Bardziej złożone aminokwasy jak glutamina i leucyna były produkowane w mniejszych ilościach.

6 Astrobiologia cd. Reakcje w cienkich warstwach skondensowanego (~25 K) amoniaku i kwasu octowego indukowane oddziaływaniami z niskoenergetycznymi elektronami prowadzą do powstania glicyny. A. Lafosse, M. Bertin, A. Domaracka, D. Pliszka, E. Illenberger and R. Azria Phys. hem. hem. Phys. 8(2006) 5564

7 Doświadczalne metody badań oddziaływań elektronów z biodrobinami Zderzenia w fazie gazowej Zderzenia w fazie skondensowanej + Electron beam - Kontrola p, T PDI, rozproszenia wielokrotne, perturbacje stanów rezonansowychtrudności w interpretacji P. Możejko, A.D. Bass, L. Parenteau and L. Sanche J. hem. Phys. 121 (2004) 181

8 Modelowanie modyfikacji DA na skutek działania promieniowania jonizującego Proces oddziaływania DA z promieniowaniem jonizującym zwykle modeluje się za pomocą metody Monte-arlo. Jako dane wejściowe niezbędne są przekroje czynne na procesy rozproszeniowe towarzyszące oddziaływaniu promieniowania jonizującego z biomateriąoraz produktami ich reakcji. 2 O

9 Potrzeba wyznaczenia przekrojów czynnych W celu uwzględnienia efektów oddziaływania elektronów wtórnych z DA przy modelowaniu skutków oddziaływania promieniowania jonizującego z biomateriąniezbędna jest znajomośćprzekrojów czynnych na rozproszenie elektronów na biodrobinachw szerokim zakresie energii Określenie wydajności poszczególnych reakcji towarzyszących rozpraszaniu elektronów na biodrobinach również wymaga znajomości przekrojów czynnych na poszczególne reakcje Przekroje czynne sątakże niezbędne do normalizacji wyników uzyskanych w skali względnej

10 Procesy rozproszenia sprężystego oraz jonizacja w zderzeniach elektronów z drobinami Rozproszenie sprężyste (AB) i + e (E i ) (AB) i + e (E i ) rozpraszany elektron nie zmienia swojej energii kinetycznej, a rozpraszająca drobina pozostaje w tym samym stanie energetycznym Jonizacja indukowana zderzeniami z elektronami (AB) i + e (E i ) (AB) + f + e (E f )+e (E i E ion E f ) w wyniku rozpraszania elektronu powstaje jon dodatni (AB) +, rozpraszany elektron traci część swojej energii kinetycznej, a dodatkowy elektron wyrwany z drobiny posiada energiękinetyczną E i -E ion -E f, gdzie E ion jest energiąjonizacji

11 Model BEB (Binary-encounter-Bethe) Przekrój czynny na jonizacjędanego orbitaladrobiny dany jest wzorem σ BEB = S t+u+1 lnt 2 1 1t t lnt t+1 gdzie, S=4πa 2 0 R2 /B 2,u=U/B,t=T/B, a 0 =0.5292Å,R=13.61eV Energia wiązania elektronów, B, energia kinetyczna elektronu na danym orbitalu, U, oraz liczba obsadzeń,, wyznaczone mogąbyćza pomocą pakietów obliczeniowych chemii kwantowej np. GAUSSIA, GAMESS. ałkowity przekrój czynny na jonizację drobiny jest sumąprzekrojów czynnych dla wszystkich orbitali., W. wang, Y.K. Kim and M.E. Rudd J. hem. Phys. 4(1996) 2956

12 Jonizacja drobiny SiF 4 w zderzeniach z elektronami 8 Total ionization cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko (2007) w przygotowaniu BEB R. Basner, M. Schmidt, E. Denisov and K. Becker J. hem. Phys. 114 (2001) 1170 Experiment: total single total alculations: DM MAR K.. Joshipura, M. Vinodkumar, B.K. Antony and.j. Mason Eur. Phys. J. D 23 (2003) 81 IAM+AR SiF Electron energy [ev]

13 Potencjały jonizacji dla zasad DA i RA Ionization potential (ev) Method Uracil ytosine Thymine Adenine Guanine B3LYP/ G ** a B3PW91/ G ** a BP/ G ** a MP2/6-31+G * b B3LYP/6-311G(2df,p) c RF/3-21G d RF/6-311 G (GAMESS) e ROVGF/6-311 G (GAUSSIA) e Experimental f Experimental g Experimental h Experimental i MP2/cc-pVDZ j a. Russo,M. Toscano, A. Grand J. omp. hem. 21 (2002) 1243 b M.D. Sevilla, D. Becker, M. Yan, S.R. Sommerfield J. Phys. hem. 95 (1991) 3409 c S.D. Wetmore, R.J. Boyd, L.A. Eriksson hem. Phys. Lett. 322 (2000) d Ph. Bernhardt,.G. Paretzke G (2003) Int. J. Mass Spectrom (2003) 599 e P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) 201 f V.M. Orlov, A.M. Smirnov, Y.M. Varshavsky Tetrahedron Lett. 48 (1976) 4377 g B.I. Verkin, L.F. Sukhodub, I.K. Yanson Dokl. Biophys (1976) 0 h.t. wang,.l. Stumpf, Y.-Q. Yu,.I. Kenttämaa Int. J. Mass Spectrom. 182/183 (1999) 253 i.. ush, A.S. heung hem. Phys. Lett. 34 (1975) 11 j W.M. uo,.e. Dateo, G.D. Fletcher, AS Technical Report (2006) AS

14 Przekroje czynne na jonizację zasad DA i RA Total ionization cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) Guanine Adenine Thymine ytosine Uracil ytozyna O Electron energy [ev] O Adenina Tymina Guanina O O O O Uracyl

15 Porównanie przekrojów czynnych na jonizację zasad DA Ionization cross section [ -20 m 2 ] Ph. Bernhardt and.g. Paretzke Int. J. Mass Spectrom. 223/224 (2003) Guanine, Adenine, Thymine, ytosine P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) Guanine, Adenine, Thymine, ytosine W.M. uo,.e. Dateo and G.D. Fletcher AS Technical Report; AS (2006) 1-23 Guanine, Adenine, Thymine, ytosine Electron energy [ev]

16 Porównanie przekrojów czynnych na jonizację dla cytozyny Ionization cross section [ -20 m 2 ] I.I. Shfranyosh, M.I. Sukhoviya and M.I. Shafranyosh J. Phys. B 39 (2006) P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) W.M. uo,.e. Dateo and G.D. Fletcher AS Technical Report; AS (2006) 1-23 Ph. Bernhardt and.g. Paretzke Int. J. Mass Spectrom. 223/224 (2003) ytosine Electron energy [ev]

17 Przekroje czynne na jonizacjęmolekularnych analogów grupy cukrowo-fosforanowej 18 Total ionization cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko and L. Sanche 4 Radiat. Phys. hem. 73 (2005) α-tetrahydrofurfuryl alcohol ( 5 O) 3-hydroxytetrahydrofuran ( 4 8 O 2 ) 2 Tetrahydrofuran ( 4 8 O) Phosphoric acid ( 3 PO 4 ) Electron energy [ev]

18 Grupa cukrowo-fosforanowa a addytywność przekrojów 30 Ionization cross section [ -20 m 2 ] PO O 2 P. Możejko and L. Sanche Radiat. Phys. hem. 73 (2005) sugar-phosphate backbone unit Ph. Bernhardt and.g. Paretzke Int. J. Mass Spectrom. 223/224 (2003) Electron energy [ev]

19 Obliczenia przekrojów czynnych na sprężyste rozproszenie elektronów na biodrobinach Obliczenia wykonano w formalizmie metody atomów niezależnych (IAM) (e.g. P. Możejko, B. Żywicka-Możejko and z. Szmytkowski ucl. Instr. and Meth. Phys. Res. B 196(2002) 245) Różniczkowy przekrój czynny: dσ dω = i j f i (θ,k)f j(θ,k) sin(sr ij) sr ij, ałkowity przekrój czynny: σ(e) = 4π k Imf(s=0,k)= V stat (r)= Z r = 4π k Imf i (θ=0,k)= Przekroje czynne dla atomów uzyskano w metodzie fal parcjalnych: Przy warunku brzegowym: Potencjały: i=1 d 2 dr 2 l(l+1) r 2 +k 2 2(V stat (r)+v polar (r)) σ i (E). i=1 u l (r)=0 u l (0)=0, u l (r) r A l ĵ l (kr) B lˆn l (kr), 3 v(r) r r a i exp( β i r), V polar (r)= c α/2r 4, r > r c i=1

20 Różniczkowe przekroje czynne dla zasad DA Differential cross section [ -20 m 2 sr -1 ] ,1 0, ,1 Uracil ytosine Thymine O O 0, O O O Differential cross section [ -20 m 2 sr -1 ] ,1 0, ,1 Adenine Guanine 0, Scattering angle [deg] O 0,1 0, Scattering angle [deg] P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) 201

21 Różniczkowe przekroje czynne dla analogów deoxyrybozy i fosforanu Differential cross section [ -20 m 2 sr -1 ] ,1 0, ,1 Phosphoric acid ( 3 PO 4 ) 3-hydroxytetrahydrofuran ( 4 8 O 2 ) Tetrahydrofuran ( 4 8 O) α-tetrahydrofurfuryl alcohol ( 5 O 2 ) 0, Scattering angle [deg] P. Możejko and L. Sanche Radiat. Phys. hem. 73 (2005) 77

22 Porównanie obliczonych różniczkowych przekrojów czynnych dla alkoholu tetrahydrofurfurylowegoz wynikami doświadczalnymi Differential cross section [ -20 m 2 sr -1 ] 1 0,1 A.R. Milosavljevic, F. Blanco, D. Sevic, G. Garcia and B.P. Marinkovic Eur. Phys. J. D 40 (2006) 7 50 ev, 0 ev, 200 ev P. Możejko and L. Sanche Radiat. Phys. hem. 73 (2005) ev, 0 ev, 200 ev Scattering angle [deg]

23 ałkowite przekroje czynne na rozproszenie sprężyste Integral elastic cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42 (2003) Guanine Adenine Thymine ytosine Uracil P. Możejko and L. Sanche Radiat. Phys. hem. 73 (2005) α-tetrahydrofurfuryl alcohol 3-hydroxytetrahydrofuran Tetrahydrofuran Phosphoric acid 0 00 Electron energy [ev]

24 Aproksymacja całkowitych przekrojów czynnych na rozproszenie elektronów na biodrobinach? σ tot σ elastic +σ ion Total cross section [ -20 m 2 ] Test dla drobin wieloatomowych SO 2 l 2 : exp. cal. SO 2 F 2 : cal. SO 2 Fl: exp. cal. SO 2 : exp. cal. z. Szmytkowski, P. Możejko and A. Krzysztofowicz Radiat. Phys. hem. 68 (2003) 307 z. Szmytkowski, P. Możejko, S. Kwitnewski, E. Ptasińska-Denga and A. Domaracka J. Phys. B 38 (2006) 2945 z. Szmytkowski, P. Możejko, S. Kwitnewski, A. Domaracka and E. Ptasińska-Denga J. Phys. B 39 (2006) Electron energy [ev] Akceptowalną zgodność zaobserwowaliśmy również dla wielu innych drobin wieloatomowych: SF 4 z. Szmytkowski, A. Domaracka, P. Możejko, E. Ptasińska-Denga and S. KwitnewskiJ. Phys. B 38(2005) 745 F 3 z. Szmytkowski, A. Domaracka, P. Możejko, E. Ptasińska-Denga, Ł. Kłosowski, M. Piotrowicz and G. Kasperski Phys. Rev.A 70(2004) O & O 2 z. Szmytkowski and P. Możejko Opt. Applicata36(2006) w druku 2 F 6, 3 F 6, 4 F 6, 6 F 6 P. Możejko and z. Szmytkowski (2007) w przygotowaniu

25 Pomiary całkowitych przekrojów czynnych na rozproszenie elektronów na molekularnych analogach deoxyrybozy el badań wyznaczenie z dużą precyzją całkowitych przekrojów czynnych na rozoproszenie elektronów na prostych analogach deoxyrybozy tertahydrofuranie ( 4 8 O) oraz alkoholu tetrahydrofurfurylowym ( 5 O 2 ) w szerokim zakresie energii ( ev). poznanie zależności niskoenergetycznych struktur rezonansowych od fizykochemicznych parametrów badanych drobin weryfikacja całkowitych przekrojów dla badanych drobin aproksymowanych na podstawie obliczonych przekrojów czynnych na jonizację oraz sprężyste rozproszenie elektronów

26 Metoda pomiaru Pomiary wykonano w liniowej metodzie transmisyjnej I0 P T IG (i) Wiązka elektronów jest monoenergetyczna, równoległa, skupiona i bardzo wąska (ii) Koncentracja badanych drobin, n, jest na tyle niska, że zachodząjedynie rozproszenia pojedyncze (iii) Detektor rejestruje jedynie elektrony, które nie doznały rozproszenia (iv) Detektor rejestruje elektrony z bardzo małego kąt bryłowego I G (E)=I 0 (E)exp[ σ(e)nl]

27 Aparatura pomiarowa 127 o elektrostatyczny spektrometr elektronów atężenie prądu żarzenia katody A Redukcja pola magnetycznego do 0.1 mt Próżnia (UV) rzędu mpa iśnienie badanego związku w komorze zderzeń 0 mpa Energia wiązki elektronów ev atężenie wiązki elektronów 1-0 pa Rozdzielczość energetyczna wiązki elektronów 50 mev e.g. z. Szmytkowski and P. Możejko Vaccum 63 (2001) 549

28 ałkowity przekrój czynny na rozproszenie elektronów na drobinach tetrahydrofuranui alkoholu tetrahydrofurylowego Total cross section [ -20 m 2 ] O 2 P. Możejko, A. Domaracka, E. Patsińska-Denga and z. Szmytkowski hem. Phys. Lett. 429 (2006) O P. Możejko, E. Patsińska-Denga, A. Domaracka, z. Szmytkowski Phys. Rev. A 74 (2006) Electron energy [ev] 600

29 Tetrahydrofuran( 4 8 O)-porównanie wyników ross section [ -20 m 2 ] Experiment: P. Możejko, E. Ptasińska-Denga, A. Domaracka and z. Szmytkowski Phys. Rev. A 74 (2006) A. Zecca, h. Perazzolli and M.J. Brugner J. Phys. B 38 (2005) 2079 alculations: D. Bouchiha, J.D. Gornfinkiel, L. G. aron and L. Sanche J. Phys. B 39 (2006) 975 Total (elastic+inelastic), Total (elastic+inelastic) P. Możejko and L. Sanche. Radiat. Phys. hem. 73 (2005) 77 ionization, elastic, elastic+ionization Elastic:. Winstead and V. McKoy J. hem. Phys. 125 (2006) S. Tonzani and h. Greene J. hem. Phys. 125 (2006) Electron energy [ev] 2000

30 Alkohol tetrahydrofurfurylowy( 5 O 2 ) porównanie wyników ross section [ -20 m 2 ] Experiment: P. Możejko, A. Domaracka, E. Ptasińska-Denga and z. Szmytkowski hem. Phys. Lett. 429 (2006) 378 alculations: P. Możejko and L. Sanche. Radiat. Phys. hem. 73 (2005) 77 elastic ionization ionization + elastic A.R. Milosavljevic, F. Blanco, D. Sevic, G. Garcia and B.P. Marinkovic Eur. Phys. J. D 40 (2006) 7 elastic inelastic total Electron energy [ev]

31 Aproksymacja całkowitych przekrojów czynnych dla wybranych biodrobin Total cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko, A. Domaracka, E. Patsińska-Denga and z. Szmytkowski hem. Phys. Lett. 429 (2006) Electron energy [ev] Experiment: α-tetrahydrofurfuryl alcohol ( 5 O 2 ) Tetrahyfrofuran ( 4 8 O) Theoretical evaluation: Guanine Adenine Thymine ytosine α-tetrahydrofurfuryl alcohol Uracil Tetrahyfrofuran

32 Proste związki organiczne kwas octowy oraz kwas mrówkowy 8 8 Ionization cross section [ -20 m 2 ] P. Możejko Eur. Phys. J ST (2007) w recenzji Electron energy [ev] Acetic acid 3 -OO 5000 Ionization cross section [ -20 m 2 ] M. Vinodkumar, K.. Joshipura,. Limbachiya and. Mason, Phys. Rev. A, 74 (2006) S. Pilling, A..F. Santos, W. Wolff, M.M. Sant'Anna, A.L.F. Barros, G.G.B. de Souza,.V. de astro Faria,.M. Boechat-Roberty, Mon. ot. R. Astron. Soc. 372 (2006) 1379 P. Możejko Eur. Phys. J ST (2007) w recenzji Electron energy [ev] Formic acid OO 5000

33 Jonizacja urydyny 35 Ionization cross section [ -20 m 2 ] Uridine Uracil+TFA Electron energy [ev] P. Możejko, w przygotowaniu

34 Aminokwasy Ionization cross section [ -20 m 2 ] Tryptophan Phenylalanine Proline Glycine Alanine 0 A.M. Scheer, P. Możejko, G.A. Gallup and P.D. Burrow w przygotowaniu 0 00 Electron energy [ev] 4000 Proline Phenylalanine Tryptophan Alanine Glycine

35 Podsumowanie Obliczono przekroje czynne na jonizacjędla szeregu biodrobintakich jak: zasady DA i RA, aminokwasy, analogi deoxyrybozy i grupy fosfatowej Obliczono różniczkowe i całkowite przekroje czynne na sprężyste rozproszenie elektronów na wybranych biodrobinach Zmierzono całkowite przekroje na zderzenia elektronów z wybranymi analogami deoxyrybozy: tetrahydrofuranemi alkoholem tetrahydrofurfurylowym Aproksymowano całkowite przekroje czynne dla zasad DA i RA dla średnich i dużych energii zderzenia

36 Publikacje 1. z. Szmytkowski, P. Możejko, G. Kasperski and E. Ptasińska-Denga J. Phys. B 33(2000) z. Szmytkowski and P. Możejko Vaccum63(2001) z. Szmytkowski, P. Możejko and G. Kasperski J. Phys.B34(2001) P. Możejko, B. Żywicka-Możejko, and z. Szmytkowski ucl. Instr. and Meth. Phys. Res. B 196(2002) z. Szmytkowski, P. Możejko and S. KwitnewskiJ. Phys.B 35(2002) z. Szmytkowski, S. Kwitnewski, P. Możejko and E. Ptasińska-Denga Phys. Rev. A 66(2002) P. Możejko and L. Sanche Radiat. Environ. Biophys. 42(2003) P. Możejko, L. Parenteau, A.D. Bassand L. SancheRadiat. Phys. hem.68(2003) z. Szmytkowski, P. Możejko and A. Krzysztofowicz Radiat. Phys. hem. 68(2003) 307. P. Możejko, A.D. Bass, L. Parenteauand L. SancheJ. hem. Phys. 121(2004) z. Szmytkowski, A. Domaracka, P. Możejko, E. Ptasińska-Denga, Ł. Kłosowski, M. Piotrowicz and G. Kasperski Phys. Rev. A 70(2004) z. Szmytkowski, A. Domaracka, P. Możejko, E. Ptasińska-Denga and S. Kwitnewski J. Phys. B 38(2005) z. Szmytkowski, P. Możejko, S. Kwitnewski, E. Ptasińska-Denga and A. Domaracka J. Phys. B 38(2005) P. Możejko and L. SancheRadiat. Phys. hem.73(2005) z. Szmytkowski, P. Możejko, S. Kwitnewski, A. Domaracka and E. Ptasińska-Denga J. Phys. B 39(2006) P. Możejko, E. Ptasińska-Denga, A. Domaracka and z. Szmytkowski, Phys. Rev. A 74(2006) P. Możejko, A. Domaracka, E. Ptasińska-Denga, and z. Szmytkowski hem. Phys. Lett. 429(2006) A. Domaracka, P. Możejko, E. Ptasińska-Denga and z. Szmytkowski J. Phys. B 39(2006) z. Szmytkowski and P. Możejko Opt. Applicata 36(2006) w druku 20. P. Możejko, Eur. Phys. J. ST (2007) w recenzji 1. A.M. Scheer, P. Możejko, G.A. Gallupand P.D. Burrow TotalDEA cross sectionsofselectedamino acids w przygotowaniu

37 Podziękowania Współpraca Zespół Fizyki Atomowej PG z. Szmytkowski Bożena Żywicka-Możejko Elżbieta Ptasińska-Denga Alicja Domaracka University of Sherbrooke L. Sanche L. Parenteau A.D. Bass