产生用于生物学、放射化学、聚合物化学以及放射治疗物理学的低能量二次电子的方法

申请号 CN201180013544.6 申请日 2011-03-11 公开(公告)号 CN102791371A 公开(公告)日 2012-11-21
申请人 索科普哈应用研究产品商业化公司-健康与人类科学SEC; 发明人 D.霍德; R.梅萨特; J-F.阿拉德; T.布拉斯塔维希努;
摘要 本公开文本涉及在 生物 材料 中产生低 能量 电子 的方法和系统。该生物材料被 支撑 物支撑在一定 位置 中。利用聚焦机构将 激光束 脉冲指向生物材料中的目标区域。由此在目标区域中产生低能量电子丝。该方法和系统可以用于 放射 治疗 、放射化学、灭菌、纳米颗粒包覆、纳米颗粒产生等用途。
权利要求

1.一种在生物材料中产生低能量电子的方法,其包括:
支撑所述生物材料;
产生激光束脉冲;以及
将所述激光束脉冲聚焦指向所述生物材料中的目标区域以产生低能量电子丝。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述生物材料是实验室样品。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述生物材料包含在性溶液中。
4.根据权利要求1所述的方法,其中激光脉冲具有约800纳米的波长
5.根据权利要求1所述的方法,其中激光脉冲具有约100飞秒的持续时间。
6.根据权利要去1所述的方法,其中激光脉冲以约1kHz的频率重复。
7.根据权利要求1所述的方法,其中激光脉冲在约300毫瓦的功率产生。
8.根据权利要求1所述的方法,其中所述目标区域具有约1立方厘米的体积。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所述低能量电子具有各向异性的浓度。
10.根据权利要求1所述的方法,其包括在产生所述低能量电子之后检测所述目标区域中的三价离子浓度。
11.根据权利要求1所述的方法,其包括在产生所述低能量电子之后检测所述目标区域中的胸腺嘧啶浓度。
12.权利要求1所述的方法用于选自放射化学、灭菌、聚合、纳米颗粒包覆和纳米颗粒产生中的功能的用途。
13.权利要求1所述的方法用于放射治疗的用途。
14.一种用于在生物材料中产生低能量电子的系统,其包括:
支撑物,其用于所述生物材料;
脉冲激光;以及
聚焦机构,其用于将激光束脉冲指向所述生物材料中的目标区域以产生低能量电子丝。
15.根据权利要求14所述的系统,其中所述生物材料含有水。
16.根据权利要求14所述的系统,其中激光脉冲具有约800纳米的波长。
17.根据权利要求14所述的系统,其中激光脉冲具有约100飞秒的持续时间。
18.根据权利要求14所述的系统,其中激光脉冲以约1kHz的频率重复。
19.根据权利要求14所述的系统,其中激光脉冲在约300毫瓦的功率产生。
20.根据权利要求14所述的系统,其中所述目标区域具有约1立方厘米的体积。
21.根据权利要求14所述的系统,其中所述支撑物是包含实验室样品的光程比色皿。
22.根据权利要求21所述的系统,其包括用于对所述比色皿中的内含物进行均质化的磁操装置。
23.根据权利要求14所述的系统,其中所述低能量电子具有各向异性的浓度。
24.根据权利要去14所述的系统,其包括用于在产生所述低能量电子之后检测所述目标区域中三价铁离子浓度的剂量计
25.根据权利要去14所述的系统,其包括用于在产生所述低能量电子之后检测所述目标区域中胸腺嘧啶浓度的色谱。
26.根据权利要求14所述的系统用于选自放射化学、灭菌、聚合、纳米颗粒包覆、以及纳米颗粒产生中的功能的用途。
27.根据权利要求14所述的系统用于放射治疗的用途。

说明书全文

产生用于生物学、放射化学、聚合物化学以及放射治疗物理

学的低能量二次电子的方法

技术领域

[0001] 本公开文本涉及低能量二次电子(secondary electron)的产生。更具体来说,本公开文本涉及在生物材料中产生低能量电子的方法和系统。

背景技术

[0002] 二次电子是作为电离产物而产生的电子。将它们称作“二次”是因为它们是由其它辐射(称为初级辐射(primary radiation))而产生的。该初级辐射可能是具有超过电离电势的充足高能量的离子、电子或光子的形式。光电子是初级辐射由光子构成时的二次电子的实例。在高能量电离辐射(诸如X-射线、γ-光子或带电粒子)的降解过程中,低能量二次电子起到关键的作用。低能量二次电子是用于确定辐射轨迹的几何形状的手段。发明内容
[0003] 本公开文本广泛来说涉及低能量二次电子的产生和用途。
[0004] 因此,根据本公开文本,提供一种用于在生物材料中产生低能量电子的方法。该方法包括支撑生物材料的步骤。产生激光束脉冲(laser beam pulse)。该激光束脉冲是指向生物材料中目标区域以产生低能量电子丝(filament)的聚焦脉冲。
[0005] 根据本公开文本,还提供一种用于在生物材料中产生低能量电子的系统。该系统包括生物材料的支撑物(support)、脉冲激光以及聚焦机构(focusing mechanism)。聚焦机构将激光束脉冲指向生物材料中的目标区域以产生低能量电子丝。
[0006] 上述和其它特征将通过阅读上述和其它特征的列举性实施方式的非限制性描述而变得更为清楚,这些描述是通过参考附图实施例的形式给出的。
[0007] 附图简述
[0008] 将仅参考下述附图借助实施例对本公开的实施方式进行描述,其中:
[0009] 图1是根据一示例性实施方式的用于产生飞秒激光成丝(femtosecond laser filamentation)的实验室系统的示意图;
[0010] 图2是使用X-射线、质子布拉格峰和有效的展宽质子峰用于放射治疗处理的相对剂量分布的图;
[0011] 图3是示出作为时间的函数的飞秒激光成丝和γ辐射的辐射剂量沉积等效值的图;
[0012] 图4是作为辐射剂量的函数的胸腺嘧啶生产的比较浓度的图;
[0013] 图5是琼脂糖凝胶电泳的照片,使用了(a)γ辐射质粒DNA和(b)飞秒激光成丝辐射质粒DNA;以及
[0014] 图6示出了用于在生物材料中产生低能量电子的实例性方法的步骤。

具体实施方式

[0015] 通常来说,本公开文本的非限制性示例性实施方式提供了用于产生低能量二次电子的方法和系统,该低能量二次电子可用于生物学、医学用途、放射化学、聚合物化学和放射治疗物理学。更具体来说,低能量二次电子是使用飞秒(fs)激光成丝来产生的。
[0016] 尽管飞秒激光成丝(FLF)是已知的方法,但其很少用于的辐射分解[7]。已经发现FLF和电离辐射中的低能量电子(LEE)在用于生物学、放射化学、聚合物化学和放射治疗物理学用途时在放射化学性质上是相当的。LEE通过激光脉冲产生,然后直接重新结合或在液体中溶剂化,在水中为约300~500飞秒。
[0017] 在如X-射线、光子或带电粒子(如加速的电子或重带电粒子)的高能量电离辐射的降解中,低能量二次电子起到确定辐射轨迹的几何形状的作用。它们包括具有约1~20ev4
能量的二次电子的高度各向异性的电离能量沉积,例如约5×10 电子/MeV[1]。在这个能量范围中,水中的电子穿透范围在10纳米(nm)数量级[2]。
[0018] 低能量电子对于主要生物分子,例如脱核糖核酸(DNA)、生物分子膜、以及类似的化合物的遗传毒性作用的证实可以在超高真空条件下实现[5]。为了扩展该证实,3
使用导致自聚焦和成丝的强超短激光脉冲在宏观体积的水(在立方厘米(cm)的水的量级)中产生浓度各向异性的低能量电子。对于丝形成的物理起源有较好的理解。简单来说,自聚焦是诱导的透镜效应,是由当光束(beam)穿过非线性介质时在光束上自造成(self-inflicted)的波前畸变引起的。结果,在光束于非线性介质中传播时,光束的初始平面波前的畸变逐渐加剧。该畸变类似于将正透镜作用于光束上。由于光射线的传播是在与波前垂直的方向上,光束呈现为自己聚焦的形式。其中随着强度的增加正透镜效果增强的退化(degenerative)过程在飞秒范围内通过使电子形成丝而得到强化。通过多光子或隧道电离产生的电子进一步在逆阻滞辐射效应(inverse Bremstrahlung effect)中被脉冲的磁场加速。当它们获得足够的动能时,例如在水的情况下为6.5eV,电子通过以崩样方
16 18
式碰撞电离其它分子第二次产生电子。在丝中形成电子的线性分布(在10 ~10 个电子/
3
cm 的范围)向周围的水分子转移它们多余的能量,从而导致在自聚焦区域内产生化学反应性物质,诸如eaq、H*、O*和*OH,以及再结合产物H2、O2、H2O和O2*-(或HO2*,pKa=4.8)。
[0019] 在文献中没有任何涉及实时检测丝中存在的LEE的相关内容。但是,由于在成丝过程中产生LEE,因此沿着丝可以检测到溶剂化电子。浦探测(pump-probe)检测可以用于上述目的。溶剂化电子具有能够通过飞秒泵浦探测技术检测的光谱。可以使用如下方法来检测沿丝存在的溶剂化电子:该方法利用具有100fs脉冲持续时间的800nm泵脉冲(其产生丝)和来自光参量放大器(optical parametric amplifier)(OPA)在720nm处的125fs脉冲持续时间光探针之间的50皮秒(ps)延迟。扫描泵透镜的位置改变了丝在线性方向上的位置。丝在FLF中的长度的特征强度变化可以利用泵浦探测扫描测量作为泵脉冲强度函数的观察到[6]。
[0020] 参考图1,其是根据示例性实施方式的用于产生飞秒激光成丝的实验室系统的示意图,系统10包括产生光束20的激光器12,光束20通过聚光机构14指向光程比色皿16中的目标区域(ROI)。同时,图6示出了用于在生物材料中产生低能量电子的示例性方法。下面将同时参考图1的详细内容和下述附图中的细节,描述图6中所示的步骤的步骤60。
步骤60中的一些步骤存在于一些实施方式中,但不存在于其它实施方式中。一些步骤可能以与图6所示不同的顺序进行。
[0021] 光程比色皿16支撑用作实验室样品的生物材料(步骤62),该生物材料包含在水性溶液22中。比色皿16位于磁操装置18上从而可以在各脉冲之间使溶液22均质化。激光器产生激光束脉冲(步骤64),该激光束通过聚光机构14聚焦使其指向ROI以在ROI中产生低能量电子丝(未示出)(步骤66)。丝具有约一(1)cm的长度,在溶液22中产生低能量电子24。检测器26(例如超快扫描照相机(streak camera))检测在溶液22中衍射的光束20的图像。得到的图像可以用于时间分辨光谱或共振成像(MRI)分析。
[0022] 激光器12可以是例如具有光参量放大器(OPA)和谐波发生器(HG)的300-750mW飞秒再生掺宝石激光器(Regenerative Ti-Sapphire
laser),在300J/脉冲,于800nm的100fs脉冲且以1kHz重复频率的条件下使用。聚光机构
14可以具有f=30cm的透镜焦距。这样的设置使得在一(1)cm光程比色皿16中产生约一(1)cm的丝。在另一实施方式中,可以使用High Power Spitfire PRO_35F-1KXP,35fs钛:
蓝宝石再生激光器,4瓦特,1kHz和在800nm,以及由Axis Photonique Inc.制造的AXIS-PV超快扫描照相机。可以改变用于本公开文本上下文中的激光源的细节;在上文中示出的激光器12的特征是示例性的并不意在限制本公开文本的范围。
[0023] FLF中的LEE的用途的实例包括下述用途。这些用途通常示出在图6、步骤67中。
[0024] 放射治疗
[0025] LEE分布控制的用途之一是在放射治疗中实现辐射相互作用的更好剂量分布。图2是使用X-射线、质子布拉格峰和有效的展宽质子峰用于放射治疗处理的相对剂量分布的图。本公开文本建议利用基于LEE的方法来代替X-射线治疗或质子治疗的使用。在图2中,使用具有分布曲线34的X-射线来治疗肿瘤30,或者使用具有布拉格峰36并随后进一步沿曲线38展宽的质子来治疗肿瘤30。使用代替的基于LEE的方法能够在肿瘤30周围获
3
得接近于理想的剂量分布32。出于这个目的,需要控制LEE在宏观体积(~cm)的水中的局部分布。LEE无法被注入到大体积水中的深处。因此,通过控制这些LEE的能量和分布的几何形状可以在局部产生各向异性的LEE。图1中,产生光束20的激光器12以及聚光机构
14(或相当的聚光机构)用于将激光脉冲指向被适当支撑的和固定的目标区域(ROI),其代替图1的实验室样品。因此,该经调整的系统是辐射剂量给递药系统。ROI (例如身体组织或其它生物材料)包括含水成分以及还可以进一步包括肿瘤等需要治疗的方面。通过调节激光器12和/或聚光机构14的参数可以在适当的位置产生具有期望能量和分布几何形状的各向异性的LEE丝。
[0026] 丝类似于具有显著差异(important difference)的径迹。在浓缩的物质中的丝的直径为约10~100μm。存在H2和H2O2的实证是已知的。尽管由于电子的存在可以使丝稳定,但是目前还没有公开该存在的时间分辨检测。因此,本公开文本建议沿着丝检测eaq的飞秒时间分辨存在。Fricke剂量仪(未示出),也称为硫酸剂量仪,检测利用电离辐射2+ 3+
从二价铁离子(Fe )到三价铁离子(Fe )的氧化转化率,该电离辐射在水中产生eaq、*OH、HO2*、H2O2等。可以通过分光光度计(图6,步骤68)测定在303nm处的光学吸收最大值来检测在丝中的三价铁离子浓度的增加。6.5eV电子(其相当于在水中的LEE的最大能量)具有1keV/μm的线性能量转移(linear energy transfer)(LET)[2]和对于1keV/μm辐
3+ 3+
射而言的15.3分子/100eV(G(Fe ))的G(Fe )[3]。这些值相当于由Best Theratronics
137
Ltd生产的铯137( Cs) Elan 3000辐照器的辐射。考虑到这些特征,Fricke剂量仪是用于比较FLF和γ辐射(也称“γ刀”)的辐射等效的合适的工具。
[0027] 下面参考图3,其显示了作为时间的函数的强裂飞秒激光成丝和γ辐射的辐射剂量沉积等效值。针对图1的激光器12使用1kHz的重复频率。图3示出了激光辐射的曲线40和γ辐射的曲线42。在60秒时间的位置44处,使用FLF得到了168Gy/分钟的剂量速
137
率,与使用 Cs辐照器得到的12Gy/分钟相比。对利用Fricke剂量仪获得的测量值与那些由γ辐射获得的测量值进行比较,由此提供了丝的剂量速率。可以观察到,较强的飞秒
60
激光成丝的辐射剂量沉积等效值也可以与由钴60( Co)辐射得到的结果相比。
[0028] 聚丙烯酰胺凝胶(PAG)剂量测定用于辐射的三维(3D)磁MRI。PAG由在5%明胶和89%水中的2种单体(3%丙烯酰胺,3%甲叉双丙烯酰胺(bisacrylamine))组成。在PAG以及类似的聚合物中也可以产生LEE。因为凝胶剂量仪的放射学性质与组织的性质相当,共聚单体的辐射诱导聚合产生快速弛豫的不溶性聚合物。可以在利用MRI成像的PAG中对丝的直径进行测定,因此PAG可以有效地作为3D剂量仪。在实验室测试中,可以获得在PAG中的能量沉积的光学成像和MRI成像,并且观察到在聚合物容积中LEE成丝的图像。在PAG介质中,在FLF中的LEE剂量沉积的产生、分析和控制是光学辐射条件的函数,光学辐射条件涉及光学参数和脉冲持续时间的控制,从而可以对基础的物理和化学过程进行分析,以及确定用于放射治疗处理的理想剂量沉积。
[0029] PAG剂量仪的使用可用于获得针对MRI成像和光学成像的能量沉积的3D图像。PAG材料是组织的放射学等效物,尤其是针对MRI成像而言。PAG是用于检测放射治疗的物理过程而不需要使用实际组织的良好原型材料,并可以将其用于演示在放射治疗处理中FLF产生剂量沉积的理想辐射光束的可能性。对于使用固定焦距的透镜的具体光学装置而言,产生的丝的长度取决于瞬时激光强度。可以通过脉冲持续时间来控制局部强度依赖性(local intensity dependence)。调节脉冲持续时间使得图像不起始于含有PAG的比色皿的前部,从而调节成丝的起始以及剂量沉积。对光学装置进行改进从而改变成丝的末端。大致估计,估算在PAG材料中的复丝直径的最大值为625μm直径,该测定的准确性受到MRI技术的成像分别率的限制,该成像分别率由七(7)特的磁场和比色皿的尺寸控制。在气相中,单丝的直径为估计为10μm[6]。单丝的直径还受到聚合物的化学性质和光学系统结构的限制,光学系统的结构包括滤波和脉冲持续时间的参数设置。聚合通过链式反应和由电离产生的自由基分布来控制。
[0030] 在一实施方式中,对在PAG中使用单丝的能量沉积的MRI分析和使用γ刀的能量沉积可进行比较。在另一实施方式中,例如使用超快扫描照相机的时间分辨光谱法和光学成像可以用于测定在单丝形成过程中的时间分辨荧光光谱。可以以氧浓度的函数和以激光脉冲持续时间的函数的方式来进行分析,从而可以对在PAG中控制能量沉积的条件进行优化。在又一实施方式中,在单丝和复丝条件中,同时控制脉冲持续时间和调整焦距(focalization),例如使用可变形的镜子,并使用γ刀作为参照,从而可以对使用MRI的剂量沉积进行优化校准。
[0031] 放射化学
[0032] LEE分布控制的另一用途是放射化学。使用胸腺嘧啶脱氧核苷溶液来说明该用途[4]。已经详细地确认3-100eV范围的LEE将胸腺嘧啶脱氧核苷分裂为胸腺嘧啶和2-脱氧-D-核糖分子。参考图4,其是胸腺嘧啶生成作为辐射剂量的函数的比较浓度的图,可以使用色谱法(未示出)来获得胸腺嘧啶的浓度,在紫外线范围通过使用高效液相色谱(HPLC)来检测产生的胸腺嘧啶浓度(图6,步骤69)[4]。由此获得了在FLF中的LEE和γ辐射的化学全同作用(chemical equivalence action)。图4中的曲线显示出在存在氧的时候(O2条件)利用γ辐射(曲线46)和利用FLF(曲线47)获得了非常相似的结果。类似地,图4显示出在不存在氧的时候(N2条件)利用γ辐射(曲线48)和利用FLF(曲线49)获得了非常相似的结果。
[0033] 灭菌
[0034] LEE分布控制的再一用途是组织中的辐射诱导损伤用于灭菌目的。使用在水中的大肠杆菌细胞来说明该用途。图5是琼脂糖凝胶电泳的照片,使用了(a)γ辐射pGEM-3Zf(-)质粒DNA和(b)飞秒激光成丝辐射pGEM-3Zf(-)质粒DNA。从大肠杆菌DH5α中提取质粒DNA(3197bp,Promega),并通过QIAfilter Plasmid Giga试剂盒(Qiagen)纯化。使用琼脂糖凝胶电泳显示初始时95%的DNA为超螺旋形式,4%的DNA为连环形式以及1%的DNA为环形。DNA溶解在去离子水中。利用260nm处的UV吸收来测定DNA的浓度,假-1 -1
设pH7.0的摩尔消光为7120mol /cm 。用于辐射的每个样品中的DNA量为200ng/ml。在γ辐射(12Gy/分钟)和丝状激光辐射(168Gy/分钟)之后,提取质粒DNA[5]并利用琼脂糖凝胶电泳分析,定量超螺旋(未损伤)的DNA、单链断裂(single strand break,SSB)和双链断裂(double strand break,DSB),其结果如图5(a)所示。图5(b)显示了利用在FLF中的LEE(462Gy/分钟)获得的结果,针对高剂量辐射使用Ce剂量仪。比较在图5中利用γ辐射(a)和利用在FLF中的LEE(b)获得的结果,显示在一定类型的活细胞中,FLF中的LEE产生了与利用电离辐射得到的放射化学等效作用。该结果确认了在FLF中的LEE和电离辐射可以在放射化学性质上等效地用于生物学、放射化学、聚合物化学和物理学或放射治疗。
[0035] FLF中的LEE可以用于例如,注射药物的灭菌和医院污水的消毒。
[0036] 聚合
[0037] LEE分布控制的进一步用途是辐射诱导共聚单体的聚合以产生快速弛豫的不溶性聚合物。
[0038] 纳米颗粒包覆
[0039] 聚合可以用于在溶液中包覆纳米颗粒。
[0040] 纳米颗粒产生
[0041] FLF可以用于在溶液中产生金纳米颗粒。
[0042] 本领域技术人员可以容易地理解上述提及的FLF中的LEE的领用领域是示例性的,并不意在限制本公开文本的范围。如在本文中教导的产生低能量二次电子也可以有利地应用于其它领域。
[0043] 尽管借助上述非限制性、示例性的实施方式描述了本公开文本,但在不脱离本公开文本的精神和实质的范围下,可以在权利要求的范围对这些实施方式进行变化。
[0044] 参考文献
[0045] [1]Simon M.Pimblott,Jay A.LaVeme,Production of low-energy electrons by ionizing radiation,Rad.Phys.and Chemistry,76,1244-1247(2007).
[0046] [2]J.Meesungnoen,J.-P.Jay-Gerin,A.Filali-Mouhim,S.Mankhetkom,Low-energy penetration range in liquid Water,Rad.Res
158,657-660(2002).
[0047] [3]N.Austsavapromprom,J.Meesungnoen,1.Plante,J.-P.Jay-Gerin,Monte-Carlo study of the effects of acidity and LET on primary free-radical and molecular yields of water radiolysis-Application to the Fricke dosimeter,Can.J.Chem.85,214-229(2007).
[0048] [4]Y.Zheng,P.Cloutier,D.J.Hunting,J.R.Wagner,L.Sanche,Glycosidic Bond Cliveage of Thymidine by Low-Energy ELectrons,JA.C.S.126,1002-1003(2004).[0049] [5]B. P.Cloutier,D.Hunting,M.A.Huels,L.Sanche,Resonant formation of DNA Strand breaks by low-energy(3 to 20eV)electrons,Science,287,1658-1660(2000).
[0050] [6]S.Chin,et al.,The propagation of powerful femtosecond laser pulses in optical media:physics applications,and new challenges.Can.J.Phys83,863-905(2005).Review article with extensive reference.
[0051] [7]S L.Chin,S.Lagacé,Generation of H2,O2 and H2O2 from water by the use of femtosecond laser pulses and the possibility of laser sterilization.Appl.Opt.36,907-911(1996).
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