低能离子束的研究进展

摘要低能离子束能精确控制生物体入射深度和部位，与物质作用时不同参数可以根据需要进行组合，可获多种不同需求的新品种。该文简要阐述了离子束在诱变育种、介导转基因 、磁性研究以及碳纳米管的除杂方面的研究现状及其发展前景，以为低能离子束的进一步研究和应用提供参考。

关键词低能离子束；原理；诱变育种；展望

中图分类号Q943.2文献标识码A文章编号 1007-5739（2011）10-0041-03

RecentAdvancesinLowEnergyIonBeam

CAO Ze-hongWU Shuang-shuangWANG TaoDONG Yu-weiLI WenLIU Qing

（Jiangsu Food Bioprocessing Engineering Research Center，College of Food and Bioengineering，Xuzhou Institute of Technology，

Xuzhou Jiangsu 221008）

AbstractLow energy ion beam can exactly control penetration depth and position. Different parameter can be combined as required to gain many new variety for different needs when it acts with substance. This paper briefly introduced current status and development prospect of low energy ion beam in mutation breeding，transgenic，magnetism research and carbon nano-tube cleaning，so as to provide references for the further study and application of low energy ion bean.

Key wordslow energy ion beam；basic principle；mutation breeding；prospect

20世纪80年代中期，中国科学家首次尝试将低能重离子束应用于农作物品种改良，发现了离子注入对水稻的诱变作用[1]，科学家们很快意识到其潜在的应用前景，并在植物、微生物的诱变育种方面蓬勃发展，因而对其的研究进一步加深。

1基本原理

离子束是指具有能量的带电离子放射线。根据所产生荷能离子能量的不同，可以划分为高能离子和低能离子，具有Bragg峰（尖锐的电峰值）、LET（高传能线密度）及低氧增比，其入射部位和深度可精确控制。离子束物质能量的传递特征是离子通过物质时，在物质中的局部引起高密度的电离和激发。剂量（单位质量吸收辐射的能量）、电荷态（原子被剥离的电子数）、剂量率（单位时间、单位质量内吸收辐射的能量）、流强（单位时间、单位截面积微分球的入射粒子数）、注量（穿过单位截面积微分球的入射粒子数）等不同的参数（或参量）用以描述离子束与物质的互作用过程，包括离子束的电荷态、能量和剂量可以根据需要进行组合，对生物体系作不同模式的处理，有可能获得人类不同需求的多种类型突变体[2]。

2低能离子束的应用

2.1离子束在生物品种改良中的应用（诱变育种）

离子束诱变与一般生物育种物理诱变剂相比，主要具有以下优点：①技术稳定可靠，简单易得。因此，离子束生物技术将成为生物培养与改良中一种非常重要的手段之一；②变异频率高。因为可选择注入的离子种类多样，而且其质量、能量、电荷可有多种组合，所以诱变结果和效应也是多种多样的；③变异稳定快。离子注入造成的损伤不易修复，突变体稳定较快；④变异谱宽。能产生较高的电离密度，使DNA 产生严重损伤，可获得较高的突变频率和较广的突变谱，易于筛选出新的突变体。

自从发现了离子注入所引发的生物效应以来，离子束便被广泛应用于生物品种的改良，不同低能离子注入生物体的作用也不同，其中植物品种的改良是开展较早的方面，其次是品种的选育等方面。

2.1.1植物品种的改良。从1986年开始对小麦、水稻、玉米、棉花、甜菊、烟草、大豆等品种应用离子束的改良。水稻诱变育种的研究自余增亮发现离子注入水稻生物效应后取得了实质性的进展，成功选育了D9055、S9042、晚粳3122、中粳63、早籼14、晚粳1148和晚粳48等7个水稻新品种[3]。杨赞林等[4]对不同基因型的品种采用不同质能电组合的离子束进行处理，离子注入小麦的最佳引变剂量被筛选出来；对离子注入对小麦主要性状的影响及其遗传规律进行了研究；对遗传背景丰富的太谷核不育小麦轮回材料采用离子束处理进行诱变育种，选育出3个新品种和一批优质、高产、多抗的新类型、新品系。郑冬官等[5]以棉花种子为材料，采用离子注入，选育出4个优质、高产、早熟和抗病虫的新品系。程备久等[6]往棉花种子中注入3种离子，发现采用离子注入对诱导棉花变异的效果很好。刘志生等[7]往玉米自交系478干种子胚中注入不同剂量的2.0 MeV氦离子束，结果表明以1×1016 ions/cm²的剂量处理玉米自交系478后，后代主要性状变异明显，出现了籽粒产量特高的自交系和比亲本早熟23 d的自交系。林国平等[8]往烟草种子中注入离子束，可以在一定程度上提高烟叶的品质。舒世珍等[9]往甜菊的干种子中注入氮离子、碳离子，发现合适的能量、剂量可提高干叶的产量和糖甙产量。陈浩等[10]往银杏胚部注入不同剂量的低能N+ 离子，引起过氧化物同工酶和酯酶同工酶的数量、种类以及活性变化；生理变异可通过无性繁殖遗传；酶谱的变化与注入剂量有关，但不显著；突变致死剂量效应呈非指数变化。胡蕙露等[11]对剥去胚部中种皮的银杏种子进行30 keV的N+ 处理，结果表明银杏种子M1代染色体的畸变是由于N+ 的注入引起的，其畸变频率和类型随着剂量的增加而增加。新疆大学离子束生物工程实验室[12]初步研究了低能离子注入对麻黄种子生物效应的影响，结果表明离子注入对麻黄种子的生长起良好的生物效应。李晓瑾等[13]的研究表明，利用低能离子束的介导作用，将有助于药用植物目的基因的遗传转化，提高药用成分的含量或改良药用植物的品质。离子注入对不同生命活力的甘草种子产生的生物效应不同。

2.1.2花、果、蔬菜的育种研究。用茎尖、芽和愈伤组织在高剂量下对果树、花卉和无性繁殖的作物进行离子束诱变育种或介导转基因也将成为可能。丁增成等[14]用N+ 离子处理梨、桃、葡萄的充实休眠枝芽，筛选出一株坐果率高、果粒小、风味独特、着色深的巨峰葡萄。毛培宏等[15]对几种花卉种子用能量为35 keV的N+ 进行诱变处理，得到比对照多4～8个分杈的早小菊，万寿菊茎杆变粗，株高增加，叶片变厚、变大，百日草花型、花色发生多种变异。张 涛等[16]往凤仙花种子中注入低能N+ 离子，获得了高茎和低茎2个变异品系。谢克强等[17]对太空1号白莲进行2 MeV的N+ 处理，其花色、花形、单粒质量和产量均表现出优异的变异效果，其花色鲜艳、重瓣，离子束在蔬菜育种上也显示了其应用价值，如鲁番茄7号[18]、五叶茄变异果[19]。

2.1.3微生物菌种的选育。向微生物体内注入离子束可以产生可见的生物效应，离子束辐照既能导致细胞死亡，又能促使发生突变。因此，离子注入技术作为一种有效的诱变方法，也被广泛的应用于微生物领域中，其诱变效果明显。表现在菌种诱变方面：用低能离子与生物体相互作用原理，与遗传工程、细胞工程、基因工程和发酵工程相结合，发明了离子束生物工程方法改良菌种，形成了一个新的高技术领域。自1998年以来，中国科学院等离子体物理研究所改良了麦角甾、单宁酶、福霉素、花生四烯酸和VC生产菌种，同时大幅度提高林可霉素、VD、利福霉素、生物农（兽）药、之江菌素、单宁酶、木聚糖酶、L-乳酸等的发酵水平。例如：低能离子束注入选育木聚糖酶高产菌株及其固态发酵工艺优化，该研究利用离子束生物技术和其他诱变方法相结合，对木聚糖酶产生菌株黑曲霉进行定向诱变选育。固体发酵水平达到6 300 IU/g，粗酶制剂为8万～10万IU/g。该成果以玉米芯等农作物下脚料为发酵底物，经过工艺的优化，发酵周期缩短到60 h，营养盐液配比合理简单，为木聚糖酶的市场开发提高了竞争能力。该黑曲霉高产菌株，同时具有纤维素酶活和β-葡聚糖酶活，适合于多用途饲料用酶的生产。付永前[20]采用低能N+ 离子注入阿魏菇孢子，研究低能离子束对阿魏菇多糖生物效应的影响，对阿魏菇多糖含量的提高效果非常显著，严涛[21]研究低能N+ 束注入对诱变猴头菇的影响，发现变异株的多糖含量和总氨基酸含量与对照比较均有不同程度的提高，低能离子束可以作为猴头菌诱变育种的一种可行的新方法。陈洪卫等[22]经过对出发菌株Lactoc occus lactisJ 7 两次30 keV、1×1014 ions/cm² N+ 诱变，一次紫外诱变，得到了一株发酵效价比原始株高32.3%的诱变株Lact ococcus lactis K25，经遗传稳定性试验，证明其遗传性状稳定。低剂量N+ 离子注入可破除多伞阿魏种子休眠，促进种子萌发；适当剂量N+ 离子注入可激活保护酶、脯氨酸和可溶性蛋白的表达[23]。

2.2介导转基因方面

在植物的遗传转化技术发展的历程中，科研人员一直倾向于发明简单、高效、可操作性强的转化方法，如基因枪法、电激法、激光法等，这些方法都是通过打破植物细胞壁在不伤害细胞的前提下形成外源物质进入受体的通道。植物的细胞壁是外源遗传物质直接进入细胞的主要天然障碍，为了实现带壁细胞的基因转移，余增亮等[24]设计出离子束介导转基因法。

由于离子束射程具有可控性和可聚束的特点，能精确控制被刻蚀受体表面形成转基因通道的直径和深度，因而低能离子束对生物体表面的刻蚀加工为外源基因转移提供了通道。在不影响细胞正常生命活动的情况下，既可转移裸露活性DNA大分子，又可转移基因片段。低能离子可以引起DNA双链或单链断裂和转化活性变化。低能离子除了使DNA的初级结构发生变异外，还能使高级结构（如染色体的3级和4级连续易位等）发生变异。同样，染色体畸变频率、类型与注入离子剂量、种类有关，H+ 注入易引起染色体桥，而N+ 注入主要诱发落后染色体低能离子注入除了能诱发自由基的产生外，造成细胞内染色体损伤，同时形成一些长寿命自由基，激发和诱导受体细胞DNA的重接和修复，能影响清除自由基有关的酶，还有利于外源DNA插入并整合到宿主基因组中，其中过氧化物酶（POD）、超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化氢酶（CAT）的活性随着低能离子注入剂量的变化也有相似的变化趋势。

吴丽芳等[25]利用低能氩离子将绿色荧光蛋白基因（mG2FP4）导入小麦的成熟胚细胞，获得了转基因株。接着吴丽芳等又利用离子束介导法将几丁质酶基因转入小麦，获得抗病的小麦植株。宋道军等[26]用离子束介导基因转移技术，以氯化钙制备感受态受体细胞转移法为对照，将具有高效DNA损伤修复系统的耐辐射异常球菌的基因组DNA片段转入对紫外（UV）辐照敏感的大肠杆菌中。结果表明：修复合成的非按期DNA合成（UDS）能力大为增强。宋道军等[27]将银杏DNA导入西瓜，得到含银杏内酯的西瓜植株，实现了超远源分子杂交。卞坡等[28]用能量30 keV轰击拟南芥种子，将甘蓝的全DNA转人了拟南芥菜中。李玉峰等[29]利用低能N+ 将大豆全DNA转入紫花苜蓿种子后，m²总性状突变率达到19.8%，其中3株叶粗蛋白质含量比对照高约0.5%，1株叶绿素含量比对照高33.3%。李 红等[30]采用40个随机引物对低能离子束介导紫玉米全DNA转化水稻早籼213获得的8个玉米稻株系基因组，经RAPD检测，说明外源DNA导入受体细胞引起后代基因组DNA的显著变异。

2.3电子与工业领域

离子注入技术可以准确控制注入离子的能量和种类，是材料制备的一种有力手段。主要应用于磁性的研究以及碳纳米管（CNT）的杂质去除方面。

目前，对于Si-Fe磁性的研究包括两方面。一方面是Si上磁性Fe，薄膜的外延生长，另一方面是在Si中掺杂Fe，形成Si∶Fe稀磁半导体（DMS）。

2.3.1Fe-Si合金薄膜[31]。利用质量分离的低能离子束技术，实验设备采用具有质量分离的低能离子束淀积系统。在室温下，往Si中浅注入Fe，制备的非晶态Fe-Si合金薄膜具有铁磁性，从而获得了磁性Fe-Si合金薄膜。磁性半导体材料兼具半导体和磁体特性，有希望制备出新型功能器件，实现信息存储与信息处理的有机结合，在磁传感器、磁记录以及未来的量子计算和通讯领域都有良好的应用前景。

2.3.2Si∶Fe稀磁半导体（DMS）[32]。利用Fe/Si固相反应扩散，然后利用离子溅射去除硅化物层的方法，制备了Fe杂质浓度达到百分之十几的Si∶Fe固溶，利用激光熔蒸的分子束外延法（LAMBE）和气源分子束外延法（GSMBE）制备了重掺杂过渡金属杂质Mn的Si∶Mn薄膜，经测定，Mn含量达到了10%以上。

由于离子能量较低，注入深度浅，因而可以实现薄层内离子的重掺杂。在制备重掺杂Fe离子的Si∶Fe固溶体中发现Si重掺杂Fe后导电类型从p型转为n型，Si∶Fe固溶体和Si衬底形成p-n结，具有整流特性。

2.4碳纳米管（CNT）的杂质去除[33]

由于碳纳米管（CNT）优异的机械性能、导电性及热学性能，在很多领域获得广泛的应用。在碳纳米管制备过程中，容易残留的杂质包括无定形碳、催化剂以及其他在合成过程中产生的无用物质。这些杂质不仅影响CNT的性能，而且限制了CNT的进一步广泛应用。因此，发展高效的杂质去除技术，对于CNT的实际应用具有重要的意义。离子束对碳纳米管的杂质去除作用主要体现在化学溅射和物理溅射效应：前者的主要机理是在离子束连续轰击下，杂质变成许多小的碎片并被真空泵抽走；后者的主要机理是大剂量的离子束轰击产生的高温从而导致的挥发效应。与现有技术物理纯化法和化学纯化法相比，该技术具有简单易行且对碳纳米管没有明显损伤的特点，可以作为一种新的碳纳米管提纯方法。

3展望

研究离子注入生物效应，开辟了“低能离子与复杂生物体系相互作用”、“环境低剂量暴露与健康”、“低能离子在生命化学起源和星际分子形成中的作用”、“离子束细胞加工与修饰”和“离子束遗传改良”等研究方向。通过离子注入诱变、介导外源、基因转移，已获得了一大批生物优良品系，取得了显著的社会、经济效益，应用前景十分广阔，但还存在一些没有解决的问题，如离子注入作用过程与生物学效应之间的细胞图象、信息传递、细胞无损固定和拆除技术、活体细胞无损染色技术以及其对DNA损伤修复的影响等方面的研究尚未完善。诱变育种使用的低能离子种类和诱变材料的范围有待进一步扩大。此外，在诱变育种时，离子剂量、种类、能量等参数的选择基本上是经验性的，还有待进一步深入研究，以得到更准确的数据。因此，结合自身研究优势，明确目标，集中精力深入探索；精心设计试验方案，对试验结果进行严格而系统的统计分析；研制和开发高效精密新型离子束辐照设备，提高研究水平。在这方面的研究需要物理学家、化学家与生物学家的共同努力。

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