德国团队揭示电离辐射释放电子扰动水分子的微观机制

德国电子同步加速器中心自由电子激光科学中心首席科学家罗宾·桑特拉领导的研究团队，近日对电离辐射在化学层面造成分子损伤的早期过程作出进一步解释。相关研究聚焦自由电子进入水团后，如何破坏并扭曲水分子间结构，成果已发表于《物理化学快报》。

图示为水滴中自由电子的波函数及其周围水分子的排列。(图片：DESY，Mathilde Goullieux)

研究指出，当伽马射线、X射线或α粒子、β粒子等电离辐射穿过生物细胞时，会从分子中剥离电子。由于细胞内含有大量水分，这些新释放的电子很可能被周围水分子包围，并引发后续影响。研究团队认为，与电离辐射造成的直接损伤相比，这类电子进入细胞环境后产生的次生效应，对总体辐射损伤也有重要贡献。

为观察这一过程，团队模拟了一个电子突然出现在正常水团中后的变化。量子力学规律表明，电子在初始阶段并不会局限于单一位置，而是呈现较强离域性，影响范围可波及大量水分子。随着电子与水分子相互作用，周围水分子会逐渐将电子限制在更小区域内，通常由五六个水分子围绕电子形成类似“水笼”的结构，使其与其他水分子相对隔离。

自由电子注入水中后密度的演变。随着时间的推移，电子的影响范围急剧缩小，最终收缩成一个由水分子构成的“笼状”结构。而这个笼状结构正是辐射损伤的起点。(视频：DESY，Nathaniel Okpara & Ludger Inhester)

研究人员发现，过剩电子与水之间的相互作用显著取决于电子最初被注入水中的方式。当过剩电子初始扩散范围较小时，“电子气泡”的形成速度会明显加快。团队表示，这一较小影响区域可能维持相当长时间，电子倾向于远离水分子，最终进入几个水分子之间的空间空隙。

研究认为，虽然这种“水笼”可能困住过剩电子，但潜在损伤也可能由此开始。由于受影响分子数量减少，局部区域内电子比例升高，可能改变电子与附近其他分子的相互作用，包括与DNA等生命关键分子的相互作用。

研究团队计划在更复杂环境中继续考察这一效应，例如水中存在离子或其他化学物质时，过剩电子的溶剂化动力学将如何变化。该研究同时属于汉堡大学卓越集群“物质先进成像”相关项目的一部分，水相关研究也是正在德国电子同步加速器中心园区内推进建设的分子水科学中心的重要方向。