中国科学院近代物理研究所重离子辐照生物研究平台

　　文章编号：１００７－４６２７（２００８）０２－０１６１－０４中国科学院近代物理研究所重离子辐照生物研究平台肖国青，宋明涛，李文建，刘　杰，王菊芳（中国科学院近代物理研究所，甘肃兰州７３００００）摘　要：介绍了中国科学院近代物理研究所和兰州重离子加速器国家实验室的重离子加速器辐照生物研究平台、重离子辐照生物研究发展规划及在现代农业和生物产业方面取得的一些最新进展。关键词：重离子辐照；重离子辐照生物研究平台；辐照诱变育种中图分类号：ＴＬ５６；Ｑ６９１　　　文献标识码：Ａ１　引言随着重离子加速器和探测技术等核科学技术的快速发展以及与其它学科交叉的不断拓展，特别是与生命科学技术的相互交叉，新现象和新效应不断地被揭示出来，产生了许多新的重大技术突破，如微米束及纳米束、重离子治癌和高效定向育种等，为解决人类社会发展相关的健康、能源、农业、生态、环境、航天等重大问题提供了强有力的手段［１］。可预测，先进加速器及其提供的离子束将为生物科技和生物产业取得重大突破创造前所未有的条件。　　中国科学院近代物理研究所在“七五”期间建成了大科学工程兰州重离子研究装置（ＨＩＲＦＬ），于１９９１年建立了向国内外开放的兰州重离子加速器国家实验室。自１９９７年开始，又陆续建成了具有国际同类装置先进水平的放射性束流装置（ＲＩＢＬＬ）、中能重离子水平和垂直辐照终端、３２０ｋＶ高电荷态离子高压综合研究平台、国家“九五”重大科学工程“兰州重离子冷却储存环”（ＣＳＲ）水平辐照终端，可提供几十ｋｅＶ至几十ＧｅＶ从Ｈ到Ｘｅ的离子束流。另外，由中国科学院立项的基于ＨＩＲＦＬ的中能重离子聚焦微束装置也正在建造，预计２００８年９月研制完成，届时将成为国内唯一能够提供中能（１０—１００ＭｅＶ／ｕ）重离子微束的公共实验平台。这些装置的建立，使得中国科学院近代物理研究所具备了我国能量范围最宽、离子种类最全的离子辐照生物实验研究平台，同时中国科学院近代物理研究所也将进一步拓展离子束生物应用研究。２　中能重离子水平和垂直辐照终端［２］　　基于ＨＩＲＦＬ建成的中能重离子水平和垂直辐图１中能重离子水平和垂直辐照终端　第２５卷　第２期原子核物理评论Ｖｏｌ．２５，Ｎｏ．２　　２００８年６月ＮｕｃｌｅａｒＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗＪｕｎｅ，２００８　收稿日期：２００８０５２９；修改日期：２００８０６０５　　　基金项目：中国科学院知识创新工程重大项目（ＫＪＣＸ１ＹＷ００４）；中国科学院重大科研装备研制资助项目（０７１３０４０ＹＺ０）；国家自然科学基金重点项目（１０３３５０５０）　　　　作者简介：肖国青（１９６２－），男（汉族），河北承德人，研究员，博士生导师，从事核物理及核技术应用研究；Ｅｍａｉｌ：[e-mail]照终端（如图１所示）都可以利用ＳＦＣ和ＳＳＣ提供的重离子束。两个终端均装有束流扫描磁铁和束流监测及调制系统，在辐照靶区，束流剂量分布均匀性可好于９０％，束流能量稳定性约３‰，束流在放置于空气中的生物靶中的射程可达２ｃｍ左右。在这两个辐照终端上已完成了大量的生物辐照实验研究和肿瘤治疗临床试验研究。目前已完成６６例肿瘤患者的临床辐照试验治疗，培育了许多植物新品种和新品系，为我国现代农业和生物产业的发展作出了贡献。３　３２０犽犞高压高电荷态离子综合研究平台利用置于３２０ｋＶ高压平台上的国际上最大的永磁ＥＣＲ离子源（见图２）所提供的高电荷态离子束，可以开展与生物、材料、表面、团簇、原子分子作用的实验研究。该平台的离子能量可从５狇ｋｅＶ至３２０狇ｋｅＶ连续可调，非常适合开展系统的低能离子辐照生物的研究工作。３２０ｋＶ高压平台具有调束操作简便和易于改变辐照条件等优点，特别是图２３２０ｋＶ高压高电荷态离子综合研究平台能满足生物辐照实验中频繁更换靶子的需要，有利于开展大量的离子辐照生物实验研究，使得它成为离子辐照生物研究的主要装置。目前正在建立相关的离子辐照生物实验终端，计划２００８年底建成。４　中能重离子聚焦微束辐照终端［３］ＨＩＲＦＬ中能重离子聚焦微束辐照终端是目前国际上能量最高的微束装置（１２Ｃ６＋离子的最高能量图３ＨＩＲＦＬ中能重离子聚焦微束辐照终端·２６１·原子核物理评论第２５卷　１００ＭｅＶ／ｕ）（见图３），离子定位精度小于等于２μｍ，最高轰击频率为１０００ｉｏｎｓ／ｓ。利用微束可以定量定点地研究细胞的损伤和基因突变，对于发展生物产业实现定向诱变具有重要意义。另外，随着航天事业的发展，空间高能电离辐射及微重力对生物系统的生长发育、遗传变异影响已成为重要的研究目标。美国、俄罗斯和日本等国纷纷建立了地面高能离子加速器，用来模拟空间高能离子对各种生物材料的辐照效应。该装置正在建造之中并准备安装调试，预计２００８年底投入实验使用。它的建成对模拟宇航人员在空间辐照环境下的影响，研究辐射损伤机理、辐射医学和辐射损伤防护等具有十分重要的意义。５　犆犛犚高能重离子水平辐照终端［３］ＨＩＲＦＬＣＳＲ高能重离子水平辐照终端（见图４）主要用于重离子治癌，最高能量可达１０００图４ＨＩＲＦＬＣＳＲ高能重离子水平辐照终端ＭｅＶ／ｕ（１２Ｃ＋６）。该终端束流照射野可达２０ｃｍ×２０ｃｍ，适合于研究离子与大面积和大体积生物体的作用。在该终端可大量开展深层重离子治癌、动物实验和细胞实验，同时也可开展模拟高能离子和中子空间环境辐射的研究。该终端已基本完成主体安装，已在ＣＳＲ主环上进行了多次高能重离子束流均匀慢引出试验研究和束流强度均匀性测试。预计该终端２００８年底可以投入使用。６　结论　　离子束作为一种先进的可精确定向定量控制的辐射源，在生物质能源作物、粮食作物、植物及微生物育种、药物分子改性等新的交叉学科领域中发挥了重要作用。正是由于离子束辐照生物具有变异率高、变异谱宽、变异快、稳定周期短、简便易行的优点而倍受青睐。目前，离子束微生物发酵工程已经取得了重大突破，选育高产菌株的方法已趋成熟，并成功应用到多种工业微生物诱变选育中，其经济效益的前景十分诱人。另外，采用大剂量离子注入合成药物，通过分子损伤、进而重组、改造，可以生成新的药物分子，从而成为寻找新药的新途径。鉴于离子束应用于生物领域的上述优点，中国科学院近代近物理研究所基于在重离子加速器技术的优势，多年来不断地建立和完善新的重离子辐照装置和平台，且与国内外同领域的科学家建立了广泛的合作关系，不仅使辐照生物效应的应用研究不断扩展，也向更加深入的分子水平发展。参考文献（犚犲犳犲狉犲狀犮犲狊）：［１］ＹｕＺｅｎｇｌｉａｎｇ．ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｔｏＩｏｎＢｅａｍＢｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｈｅｆｅｉ：ＡｎｈｕｉＳｃｉｅｎｃｅ＆ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｕｂｌｉｓｈｉｎｇＨｏｕｓｅ，１９９８，１—３（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．（余增亮．离子束生物技术引论．合肥：安徽科学技术出版社，１９９８，１—３．）［２］ＺｈｕＫｕｎ，ＺｈａｎｇＪｉｎｇｕａｎ，ＴａｎｇＪｉｎｇｙｕ，犲狋犪犾．ＮｕｃｌｅａｒＰｈｙｓｉｃｓＲｅｖｉｅｗ，２００３，２０（３）：１９７（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．（朱　昆，张金泉，唐靖宇等．原子核物理评论，２００３，２０（３）：１９７．）［３］ＳｏｎｇＭｉｎｇｔａｏ，ＳｈｅｎｇＬｉａｎ，ＷａｎｇＺｈｉｇｕａｎｇ，犲狋犪犾．ＣｈｉｎｅｓｅＰｈｙｓｉｃｓ，２００８，犆３２（Ｓｕｐｐ．Ｉ）：２５９（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）．（宋明涛，盛丽娜，王志光等．中国物理，２００８，犆３２（增刊Ｉ）：２５９．）·３６１·　第２期肖国青等：中国科学院近代物理研究所重离子辐照生物研究平台犚犲狊犲犪狉犮犺犉犪犮犻犾犻狋犻犲狊犳狅狉犅犻狅犾狅犵犻犮犪犾犈犳犳犲犮狋犐狀犱狌犮犲犱犫狔犎犲犪狏狔犻狅狀犐狉狉犪犱犻犪狋犻狅狀犪狋犐犕犘ＸＩＡＯＧｕｏｑｉｎｇ１），ＳＯＮＧＭｉｎｇｔａｏ，ＬＩＷｅｎｊｉａｎ，ＬＩＵＪｉｅ，ＷＡＮＧＪｕｆａｎｇ（犐狀狊狋犻狋狌狋犲狅犳犕狅犱犲狉狀犘犺狔狊犻犮狊，犆犺犻狀犲狊犲犃犮犪犱犲犿狔狅犳犛犮犻犲狀犮犲狊，犔犪狀狕犺狅狌７３００００，犆犺犻狀犪）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＨｅａｖｙｉｏｎａｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｆａｃｉｌｉｔｉｅｓｆｏｒｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｓｉｎｄｕｃｅｄｂｙｈｅａｖｙｉｏｎａｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｏｄｅｒｎＰｈｙｓｉｃｓ（ＩＭＰ），ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓａｎｄＮａｔｉｏｎａｌＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＨｅａｖｙｉｏｎＡｃｃｅｌｅｒａｔｏｒｉｎＬａｎｚｈｏｕ（ＨＬＨＩＡＬ）ａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｎｅｗｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｉｎｍｏｄｅｒｎａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅａｎｄｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｉｎｄｕｓｔｒｙａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｈｅａｖｙｉｏｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｒｅｓｅａｒｃｈｆａｃｉｌｉｔｙｆｏｒｒｅｓｅａｒｃｈｅｓｏｎｂｉｏｌｏｇｉｃａｌｅｆｆｅｃｔｉｎｄｕｃｅｄｂｙｈｅａｖｙｉｏｎｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎ；ｉｒｒａｄｉａｔｉｏｎｉｎｄｕｃｅｄｂｒｅｅｄｉｎｇ·４６１·原子核物理评论第２５卷　犚犲犮犲犻狏犲犱犱犪狋犲：２９Ｍａｙ２００８；犚犲狏犻狊犲犱犱犪狋犲：５Ｊｕｎ．２００８　　犉狅狌狀犱犪狋犻狅狀犻狋犲犿：ＫｎｏｗｌｅｄｇｅＩｎｎｏｖａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ（ＫＪＣＸ１ＹＷ００４）；ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＫｅｙＥｑｕｉｐｍｅｎｔｆｏｒＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅｓ（０７１３０４０ＹＺ０）；ＭａｊｏｒＰｒｏｊｅｃｔｏｆＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（１０３３５０５０）　　１）Ｅｍａｉｌ：[e-mail]