KR20130030256A - 생물과학, 방사화학, 및 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에 적용되는 저-에너지 2차 전자의 생성 방법 - Google Patents

생물과학, 방사화학, 및 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에 적용되는 저-에너지 2차 전자의 생성 방법 Download PDF

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리드티 미삿
진 프란코리스 알라드
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소시에테 디 코머셜리제이션 데스 프로듀이츠 데 라 레쳐쉐 아프리퀘 - 소크프라-사이언스 쌍뜨에 에트 휴마이네스 에스.이.씨.
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Abstract

본 개시는 생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 생물학적 물질은 지지체에 의해 제자리에 유지된다. 레이저 빔 펄스는 초점 조정 장치에 의하여 생물학적 물질 내의 대상 영역을 향하도록 된다. 이는 대상 영역 내에 저-에너지 전자의 필라멘트를 생성한다. 본 방법 및 시스템은 방사선 치료, 방사화학, 살균, 나노입자 코팅, 나노입자 생성 등의 용도에 이용될 수 있다.

Description

생물과학, 방사화학, 및 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에 적용되는 저-에너지 2차 전자의 생성 방법{METHOD OF GENERATING LOW-ENERGY SECONDARY ELECTRONS FOR APPLICATIONS IN BIOLOGICAL SCIENCES, RADIOCHEMISTRY, AND CHEMISTRY OF POLYMERS AND PHYSICS OF RADIOTHERAPY}
본 개시는 저―에너지 2차 전자(secondary electrons)의 생성에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 개시는 생물학적 물질(biological material)에서 저-에너지 전자를 생성하기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
2차 전자는 이온화 생성물로서 발생되는 전자이다. 이들은 1차 방사선(primary radiation)으로 호칭되는 다른 방사에 의해 생성되기 때문에, "2차"로 칭해진다. 이 1차 방사선은 이온화 전위를 초과하기에 충분히 높은 에너지를 갖는 이온, 전자, 또는 광자의 형태일 수 있다. 광전자는 1차 방사선이 광자로 이루어진 경우의 2차 전자의 예이다. 저-에너지 2차 전자는 엑스레이, γ-광자 또는 하전 입자와 같은 고에너지 전리 방사선의 열화(degradation)에 결정적인 역할을 한다. 저-에너지 2차 전자는 방사선 비적(radiation track)의 기하학적 구조를 정의하기 위한 수단이다.
본 개시는 널리 저-에너지 2차 전자의 생성 및 적용에 관한 것이다.
따라서, 본 개시에 따르면, 생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 방법이 제공된다. 본 방법은 생물학적 물질을 지지하는 단계를 포함한다. 레이저 빔 펄스(laser beam pulses)를 생성한다. 생물학적 물질 내의 대상 영역을 향하여 레이저 빔 펄스의 초점을 맞추어, 저-에너지 전자의 필라멘트(filaments)를 생성한다.
본 개시에 따르면, 생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 시스템이 제공된다. 본 시스템은 생물학적 물질을 위한 지지체, 펄스 레이저(pulsed laser) 및 초점 조정 장치(focusing mechanism)를 포함한다. 초점 조정 장치는 레이저 빔 펄스를 생물학적 물질 내의 대상 영역으로 향하게 하여, 저-에너지 전자의 필라멘트를 생성한다.
전술한 및 다른 특징들은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로써 주어진 그의 설명을 위한 실시예의 하기 비제한적 기술을 읽을 때 더욱 명확해질 것이다.
본 개시의 실시형태는 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로써 기재되며, 여기에서,
도 1은 설명적인 실시예에 따른 펨토초 레이저 필라멘테이션(femtosecond laser filamentation)을 생성하는 실험 시스템의 개략도이다;
도 2는 방사선 치료를 위한, 엑스레이를 이용한 상대 선량 분포(relative dose distribution), 양성자 브래그 피크(proton Bragg peak) 및 유효 스프레드-아웃 양성자 피크(effective spread-out proton peak)의 그래프이다;
도 3은 시간의 함수로써 펨토초 레이저 필라멘테이션 및 감마선 조사의 조사 선량 침적 당량(irradiation dose deposition equivalent)의 그래프이다;
도 4는 조사 선량의 함수로써 티민 생성의 비교 농도의 그래프이다;
도 5는 (a) 감마선 조사 및 (b) 펨토초 레이저 필라멘테이션 조사를 이용한, 플라스미드 DNA의 아가로스 겔 전기영동(agarose gel electrophoresis)의 그래프이다; 및
도 6은 생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 예시적 방법의 단계를 나타낸다.
일반적으로 언급하여, 본 개시의 비제한적인 설명을 위한 실시예는 생물과학, 의학적 응용, 방사화학, 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에서의 적용을 위한 저-에너지 2차 전자를 생성하는 방법 및 시스템을 제공한다. 더욱 상세하게는, 저-에너지 2차 전자는 펨토초(fs) 레이저 필라멘테이션(femtosecond laser filamentation)을 이용하여 생성된다.
펨토초 레이저 필라멘테이션(FLF)이 잘 알려진 공정이기는 하지만, 물의 방사선 분해(radiolysis)에는 거의 이용되지 않았었다[7]. FLF 및 이온화 방사선(ionization radiation)에서 저-에너지 전자(LEE)가 생물과학, 방사화학, 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에서의 적용에 있어서 방사화학적으로 등가(radiochemically equivalent)인 것이 발견되었다. LEE는 레이저 펄스에 의해 생성된 후, 액체, 물에서 약 300 내지 500 fs 동안 직접적으로 재조합(recombined) 또는 용매화된다(solvated).
엑스레이, γ 광자, 또는 예를 들어, 가속 전자 또는 무거운 하전 입자와 같은 하전 입자 등의 고에너지 전리 방사선의 열화에 있어서, 저-에너지 2차 전자는 방사선 비적의 기하학적 구조를 정의하는데 이용된다. 이는 약 1 내지 20 eV의 에너지를 갖는 2차 전자의 높은 이방성(highly anisotropic) 이온화 에너지 침적(deposition)으로 이루어지며, 예를 들어 약 5 x 104 전자/MeV 이다 [1]. 이 에너지 범위에서, 전자 침투(electron penetration) 범위는 10 나노미터(㎚) 정도이다 [2].
예를 들어 데옥시리보핵산(DNA)과 같은 근본적인 생물학적 분자, 생물학적 분자의 막 및 유사한 화합물에 대한 저-에너지 전자의 유전자독성 작용에 대한 설명은 초고진공 상태에서 이루어질 수 있다 [5]. 이러한 설명을 확장하기 위하여, 거시적인 부피(macroscopic volume)의 물, 세제곱 센티미터(㎤) 정도의 물에서 저-에너지 전자의 이방성 집합물(anisotropic concentration)을, 자가-초점 조정(self-focusing) 및 필라멘테이션(filamentation)되어지는 강력한 초단파(intense, ultra-short) 레이저 펄스를 이용하여 생성한다. 필라멘트 형성의 물리적 근원은 잘 이해되어 있다. 요약하면, 자가-초점 조정은 비선형 매질을 횡단하면서, 빔 상에 자가-부여된(self-inflicted) 광파면 왜곡(wavefront distortion)으로부터 야기된 유도 렌즈 효과(induced lens effect)이다. 결과적으로, 빔이 비선형 매질에서 이동하므로, 원래의 평평한 빔의 광파면이 계속해서 더 왜곡되어진다. 이 왜곡은 정렌즈(positive lens)에 의해 빔에 부여된 것과 유사하다. 광학 광선 전파(optical ray propagation)는 광파면에 수직인 방향이기 때문에, 빔은 저절로 초점이 맞춰지는 것으로 보인다. 정렌즈 효과가 강도(intensity)에 따라 증가하는 이러한 퇴행성(degenerative) 과정은 필라멘트를 형성하는 전자의 생성에 의해 펨토초 영역(regime)에서 안정화된다. 전자는 다광자(multiphoton) 또는 터널 이온화(tunnel ionization)에 의해 생성되며, 역제동방사 효과(inverse Bremstrahlung effect)로 펄스의 전기장에 의해 가속화된다. 이들이 충분한 운동 에너지, 예를 들어, 물의 경우 6.5 eV를 획득한 경우, 전자는 전자사태-유사 과정(avalanche-like process)에서 다른 분자의 충격 이온화(impact ionization)에 의해 전자의 2차 생성(second generation)을 일으킨다. ㎤ 당 1016 - 1018 전자 범위인, 필라멘트에 형성된 전자의 선형 분포(linear distribution)는 과량의 에너지를 주위의 물 분자에 이동시켜, 자가-초점 조정 영역에서 eaq, H*, O*, 및 *OH와 같은 화학적인 반응성 종 및 재조합 생성물(recombination products) H2, 02, H20, 및 02 *-(또는 H02 *, pKa = 4.8)의 생성에 이르게 된다.
문헌에는 필라멘트에서 LFE의 존재를 실시간 측정하는 것에 대한 언급이 없다. 그러나, LEE가 필라멘테이션 중에 생성되기 때문에, 용매화된 전자는 필라멘트를 따라서 측정가능하게 된다. 펌프-프로브(Pump-probe) 측정이 이러한 목적을 위하여 이용될 수 있다. 용매화된 전자는 펨토초 펌프-프로브 기술에 의해 측정가능한 광학 스펙트럼을 갖는다. 필라멘트를 따라 용매화된 전자의 존재는, 필라멘트를 생성하는, 100 fs 펄스 지속시간(pulse duration)을 갖는 800 ㎚ 펌프 펄스(pump pulse)와 광 파라메트릭 증폭기(optical parametric amplifier(OPA))로부터 720 ㎚에서 125 fs 펄스 지속시간의 광학 프로브 사이에서 50 피코초(ps)의 딜레이(delay)를 이용하여 측정될 수 있다. 펌프 렌즈의 위치 스캐닝은 선형 방향인 필라멘트의 위치를 변화시킨다. FLF에서 필라멘트 길이의 특징적인 강도 진전(intensity evolution)이 펌프 펄스 강도의 함수로써 펌프-프로브 스캔 측정으로부터 관찰되었다 [6].
설명적인 실시예에 따른 펨토초 레이저 필라멘테이션(femtosecond laser filamentation)을 생성하는 실험 시스템의 개략도인 도 1을 참조하면, 시스템(10)은 초점 조정 장치(14)를 통과하여 광경로 큐벳(optical path cuvette)(16)의 대상 영역(region of interest, ROI)을 겨누는 빔(20)을 생성하는 레이저(12)를 포함한다. 동시에, 도 6은 생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 예시적 방법의 단계를 나타낸다. 도 6에 도시된 바와 같이, 단계들의 배열(60)은 도 1의 세부사항과 함께, 및 하기 도면들의 세부사항과 함께 동시에 기술될 것이다. 배열(60)의 일부 단계는 일부 실시예에는 존재하고, 다른 실시예에는 존재하지 않을 수 있다. 일부 단계는 도 6에 도시된 것과 비교하여 상이한 순서로 수행될 수 있다.
광경로 큐벳(16)은 수용액(22)에 함유된, 실험 샘플로서 이용되는 생물학적 물질을 지지한다(단계(62)). 펄스 사이에 용액(22)을 균질화하기 위하여, 큐벳(16)은 자기 조종 장치(magnetic steering device)(18) 상에 위치한다. 레이저는 레이저 빔 펄스를 생성하고(단계(64)), 이는 초점 조정 장치(14)에 의해 ROI를 향하여 초점이 맞추어져 ROI 내에 저-에너지 전자의 필라멘트(도시되지 않음)를 생성한다(단계(66)). 필라멘트는 약 1 ㎝의 길이를 가지며, 용액(22)에서 저-에너지 전자(24)를 생성한다. 검출기(26), 예를 들어, 스트리크 카메라(streak camera)는 용액(22) 내에서 회절된 빔(20)의 이미지를 검출한다. 얻어진 이미지는 시간 분해 분광법(time-resolved spectroscopy) 또는 자기공명영상(resonance imaging(MRI)) 분석에 이용될 수 있다.
레이저(12)는, 300 μJ/pulse에서 이용되며, 800 ㎚ 및 1 ㎑의 반복률(repetition rate)에서 100 fs 펄스인, 광 파라메트릭 증폭기(OPA) 및 조파 발생기(harmonic generator, HG)를 갖는 Spectra-Physics? 300-750 ㎽ 펨토초 재생 Ti-사파이어 레이저일 수 있다. 초점 조정 장치(14)는 f=30 ㎝인 초점 렌즈(focal lens)를 가질 수 있다. 이 설정은 1 ㎝ 광경로 큐벳(16)에서 약 1 ㎝의 필라멘트 생성에 이르게 된다. 다른 실시예에서, 1 ㎑ 및 800 ㎚에서 4와트인, High Power Spitfire PRO_35F-1 KXP, 35 fs Ti-사파이어 재생형 레이저가 Axis Photonique Inc.로부터의 AXIS-PV 스트리크 카메라와 함께 이용될 수 있다. 본 개시와 관련하여 이용되는 레이저 원의 상세사항은 달라질 수 있으며, 상기 제시한 바와 같은 레이저(12)의 특성은 예시적인 것이며, 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아니다.
FLF에서 LEE의 적용의 예는 하기 적용을 포함한다. 이러한 적용은 도 6의 단계(67)에 일반적으로 설명되어 있다.
방사선 치료
LEE 분포 제어의 적용의 하나는 방사선 치료에 있어서 방사선 상호작용(radiation interaction)의 더 우수한 선량 분포(dose distribution)이다. 도 2는 방사선 치료를 위한, 엑스레이를 이용한 상대 선량 분포(relative dose distribution), 양성자 브래그 피크(proton Bragg peak) 및 유효 스프레드-아웃 양성자 피크(effective spread-out proton peak)의 그래프이다. 본 개시는 엑스 레이 치료 또는 양성자 치료의 이용을 LEE-기반의 접근방식으로 대체하는 것을 제안한다. 도 2에, 종양(30)은 분포 곡선(34)을 갖는 엑스레이를 이용하거나, 또는 브래그 피크(36)를 갖고 곡선(38)을 따라 더 퍼진 양성자를 이용하여 치료될 수 있다. 대신에 LEE-기반 접근방식을 이용함으로써, 종양(30) 주위에 거의 이상적인 선량 분포(32)가 가능해진다. 이러한 목적을 위하여, 거시적 부피(~㎤)의 물에서 LEE의 국소적 분포(local distribution)는 제어되어야 한다. LEE는 다량(large volume)의 물에서 깊게 주입될 수 없다. 따라서, 이방성 LEE는 이러한 LEE의 에너지의 제어 및 분포의 기하학적 구조의 제어에 의해 국소적으로 생성된다. 도 1로부터의 빔(20)을 생성하는 레이저(12) 및 초점 조정 장치(14) - 또는 동등한 초점 조정 장치 - 는 레이저 펄스를, 도 1의 실험 샘플을 대체하는, 적절하게 지지되고 고정된 대상 영역(ROI)을 향하도록 하는데 이용된다. 그러므로, 이 변형 시스템은 방사선량 전달(radiation dose delivery) 시스템이다. ROI, 예를 들어 신체 조직 또는 다른 생물학적 물질은 수성 성분을 포함하며, 종양 또는 치료를 필요로 하는 유사한 측면을 더 포함할 수 있다. 이방성 LEE의 필라멘트가 원하는 에너지 및 분포 기하학적 구조를 갖고 적절한 위치에서 생성되는 것은 레이저(12) 및/또는 초점 조정 장치(14)의 파라미터 조정(parameter adjustment)을 통해서이다.
필라멘트는 중요한 차이점을 갖는 비적(track)의 유사체이다. 압축된 물질에서 필라멘트의 직경은 약 10 내지 100 ㎛이다. H2 및 H202의 존재의 설명은 잘 알려져 있다. 필라멘트의 안정화가 전자의 존재에 기인하기는 하나, 이러한 존재의 시간 분해 측정은 이전에는 공개적으로 이루어지지 않았다. 따라서, 본 개시는 필라멘트를 따라 eaq의 펨토초 시간 분해 존재(femtosecond time-resolved presence)를 측정하는 것을 제안한다. 황산제1철 선량계로도 칭해지는 프리케 선량계(Fricke dosimeter)(도시되지 않음)는 물에서, 생성된 eaq, *OH, H02 *, H202 등을 갖는 전리 방사선에 의한 제1 철이온(Fe2+)의 제2 철이온(Fe3+)으로의 산화 변환을 측정한다. 필라멘트에서 제2 철이온의 농도 증가는 303 ㎚에서의 최대 광학 흡수도(optical absorption maximum)에서 분광광도적(spectrophotometrically)으로 측정될 수 있다((도 6, 단계(68)). 물에서 LEE의 최대 에너지에 해당하는 6.5 eV 전자는 1 keV/㎛의 선형 에너지 전달(linear energy transfer(LET)) [2] 및 1 keV/㎛ 방사선에 있어서 15.3 molecules/100 eV(G(Fe3+)) G(Fe3 +)를 갖는다 [3]. 이러한 값들은 Best Theratronics Ltd.로부터Cesium 137(137Cs) Gammacell? Elan 3000 방사선 조사 장치(irradiator)로부터의 방사선에 해당한다. 이러한 특성을 고려하여, 프리케 선량계는 FLF와, "감마나이프(Gammaknife)"로도 칭해지는 감마선 조사의 방사선 당량(radiation equivalent)을 비교하기 위한 적합한 도구이다.
이제 도 3을 참조하면, 시간의 함수로써 강력 펨토초 레이저 필라멘테이션 및 감마선 조사의 조사 선량 침적 당량(irradiation dose deposition equivalent)의 그래프가 도시된다. 1 kHz 반복률이 도 1의 레이저(12)에 있어서 이용된다. 도 3은 레이저 조사에 대한 곡선(40) 및 감마선 조사에 대한 곡선(32)을 나타낸다. 60초 타임포인트(44)에서, 137Cs 방사선 조사 장치를 이용하여 얻어진 12 Gy/min에 비교하여, 168 Gy/min의 선량률(dose rate)이 FLF를 이용하여 얻어진다. 프리케 선량계에 의해 얻어진 측정값을 감마선 조사로부터 얻어진 것과 비교하면 필라멘트에 대한 선량률이 제공된다. 강력 펨토초 레이저 필라멘테이션의 조사 선량 침적 당량은 코발트 60(60Co) 조사로부터 얻어진 결과와도 비교될 수 있는 것으로 관찰될 수 있다
폴리아크릴아민 겔(PAG) 선량 측정은 방사선의 3차원 자기 MRI(three-dimensional(3D) magnetic MRI)에 이용된다. PAG는 5% 젤라틴 중의 2종의 모노머(3% 아크릴아미드, 3% 비스아크릴아민) 및 89%의 물로 구성된다. LEE는 PAG 및 유사한 폴리머에서 생성될 수 있다. 겔 선량계의 방사선학적 특성이 조직의 특성과 동등하기 때문에, 코모노머(comonomers)의 방사선-유도 중합은 신속하게 이완되는 불용성 폴리머(fast-relaxing insoluble polymer)를 생성한다. 필라멘트 직경은 MRI에 의해 이미지화된 PAG에서 추산될 수 있으며, 이에 의하여 PAG는 효과적으로 3D 선량계가 된다. 실험실 시험에서, PAG에서 에너지 침적의 광학적 및 MRI 이미징이 얻어질 수 있으며, 폴리머 부피 내에서 LEE 필라멘테이션의 이미지가 관찰되었다. 광학적 파라미터 및 펄스 지속시간의 제어를 포함하는 광학적 조사 조건의 함수로, PAG 매질에서 FLF에서의 LEE의 선량 침적(dose deposition)의 생성, 분석 및 제어에 의하여, 관련된 근본적인 물리적 및 화학적 과정의 분석 및 방사선 치료를 위한 이상적인 선량 침적의 결정이 가능하게 된다.
PAG 선량계의 사용은 MRI 이미징 및 광학적 이미징을 위한, 에너지 침적의 3D 이미징을 얻는데 유용하다. PAG 물질은 특히 MRI 이미징을 위한, 조직의 방사선 등가물(radiological equivalent)이다. PAG는 실제 조직을 이용하지 않고 방사선 치료의 물리학을 시험하기 위한 좋은 원형(prototype) 물질이며, 방사선 치료에 있어서 선량 침적에 대한 이상적인 조사 빔을 생성하는 FLF의 능력을 설명하기 위하여 이용될 수 있다. 고정 초점 렌즈(fixed focal lens)를 이용하는, 특정 광학적 설정에 있어서, 생성된 필라멘트의 길이는 순간적인 레이저 강도에 따라 달라진다. 국소 강도 의존성(local intensity dependence)은 펄스 지속시간에 의해 제어될 수 있다. 이미지가 PAG를 담고 있는 큐벳의 앞에서 시작하지 않도록 펄스 지속시간을 조정함으로써, 필라멘테이션의 시작 및 선량 침적을 조정할 수 있게 된다. 광학적 설정을 변경함으로써, 필라멘테이션의 끝을 변화시킬 수 있게 된다. 대략, PAG 물질 내의 다중필라멘트(multifilament) 직경은 최대 625 pm 직경인 것으로 추정되며, 이러한 값의 정확도는 MRI 기술의 이미징 분해(imaging resolution)에 의해 제한되며, 결국 7 테슬라의 자기장에 의해 및 큐벳의 크기에 의해 제어된다. 기체상에서, 단일필라멘트(monofilament)의 직경은 10 pm에서 평가된다 [6]. 단일필라멘트의 직경은 중합의 화학에 의해, 및 필터링 및 펄스 지속시간의 파라미터화를 포함하는 광학 시스템의 설정에 의해 제한될 수 있다. 이 중합은 사슬 반응에 의해, 및 이온화에 의해 생성된 라디칼의 분포에 의해 제어된다.
일 실시형태에서, 단일필라멘트를 이용한 에너지 침적의 MRI 분석과 PAG에서 감마나이프를 이용한 에너지 침적이 비교될 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들어 스트리크 카메라를 이용하는, 시간 분해 분광법 및 광학 이미징이 단일필라멘트 형성 중에 시간 분해 형광 분광학을 측정하는데 이용될 수 있다. 분석은 산소 농도의 함수로 및 레이저 펄스 지속시간의 함수로 이루어질 수 있으며, 이에 의하여 PAG에서 에너지 침적을 제어하기 위한 조건이 최적화될 수 있다. 다른 실시예에서, 감마나이프를 참조로 이용하면서, 단일필라멘트 및 다중필라멘트 조건에서, 예를 들어 변형 거울(deformable mirror)을 이용하는, 펄스 지속시간 및 초점 집중(focalization)의 동시 제어에 의하여, MRI를 이용한 선량 침적의 최적의 보정(calibration)이 가능하게 된다.
방사화학
LEE의 분포 제어의 다른 적용은 방사화학이다. 이는 티미딘(thymidine) 용액을 이용하여 설명된다 [4]. 3-100 eV 범위의 LEE가 티미딘을 티민 분자 및 2-데옥시-D-리보오스로 쪼개는 것은 잘 수립되어 있다. 조사 선량의 함수로써의 티민 생성의 비교 농도의 그래프인 도 4를 참조하면, 티민의 농도는 자외선 영역에서 고성능 액체 크로마토그래피(HPLC)를 이용하여 티민 농도 생성을 측정함으로써(도 6, 단계(69)), 크로마토그래프(도시하지 않음)를 이용하여 얻어질 수 있다 [4]. 따라서, FLF 및 감마선 조사에서 LEE의 화학적 동등 작용(chemical equivalence action)이 얻어진다. 도 4의 곡선은 감마선 조사(곡선(46)) 및 FLF(곡선(47))에 의해 산소 존재하에서(O2 조건) 얻어진 매우 유사한 결과를 나타낸다. 유사하게, 도 4는 감마선 조사(곡선(48)) 및 FLF(곡선(49))에 의해 산소 부재하에서(N2 조건) 얻어진 매우 유사한 결과를 나타낸다.
살균
LEE 분포 제어의 또 다른 적용은 살균 목적을 위한 조직의 방사선-유도 손상이다. 이는 물에서 E. Coli 세포를 이용하여 설명된다. 도 5는 (a) 감마선 조사 및 (b) 펨토초 레이저 필라멘테이션 조사를 이용하는, pGEM-3Zf(-) 플라스미드 DNA의 아가로스 겔 전기영동의 그래프이다. 플라스미드 DNA(3197 bp, Promega)는 E. coli DH5α로부터 추출되고, QIAfilter Plasmid Giga Kit(Qiagen)에 의해 정제되었다. 아가로스 겔 전기영동은 DNA의 95%가 처음에 고차 코일(supercoil) 형태이었고, 4%는 연쇄(concatemeric) 형태이었으며, 1%는 원형이었음을 나타내기 위하여 이용되었다. DNA는 탈이온수에 용해되었다. DNA의 농도는 260 ㎚에서 UV 흡수도에 의해 측정되었으며, 몰 흡수계수(molar extinction)가 pH 7.0에서 7120 mol-1/㎝-1인 것으로 추정하였다. 조사에 이용된 각각의 샘플에서 DNA의 양은 200 ng/㎖이었다. 감마선 조사(12 Gy/min) 및 필라멘트 레이저 조사(168 Gy/min) 후에, 플라스미드 DNA를 추출하고[5], 아가로스 겔 전기영동에 의해 분석하고, 고차 코일(무손상) DNA, 단일가닥 절단(SSB) 및 이중가닥 절단(DSB)으로써 정량화되었으며, 그 결과를 도 5(a)에 도시한다. 도 5(b)는 고선량 조사용으로 조정된 Ce 선량계를 이용하여, FLF(462 Gy/min)에서 LEE에 의해 얻어진 결과를 나타낸다. 감마선 조사(a) 및 FLF에서의 LEE(b)에 대하여 도 5에서 얻어진 결과를 비교하면, FLF에서 LEE가 어떤 종류의 살아있는 세포에서 이온화 방사선을 이용하여 얻어진 것에 대하여 방사화학적 동등 작용(radiochemical equivalent action)을 일으키는 것이 설명된다. 이에 의하여, FLF에서의 LEE 및 이온화 방사선이 생물과학, 방사화학, 중합체 화학 및 방사선 치료의 물리학에서의 적용을 위하여 방사화학적으로 등가인 것이 확인된다.
FLF에서의 LEE는 예를 들어, 주사가능 약물의 살균 및 병원 폐수의 오염제거를 위하여 이용될 수 있다.
중합
LEE의 분포 제어의 또 다른 적용은 신속하게 이완되는 불용성 폴리머를 생성하는, 코모노머의 방사선-유도 중합이다.
나노입자 코팅
중합은 용액에서 나노입자를 코팅하는데 이용될 수 있다.
나노입자 생성
FLF는 용액에서 금 나노입자를 생성하는데 이용될 수 있다.
당해 기술분야의 통상의 기술자는 전술한 FLF에서의 LEE의 적용 분야가 예시적이며 본 개시의 범위를 제한하기 위한 것이 아님을 쉽게 인지할 것이다. 본 명세서에 교시된 바와 같은 저-에너지 2차 전자의 생성은 다른 시도의 분야에 유리하게 적용될 수 있다.
본 개시는 그의 비제한적인 설명을 위한 실시예에 의해 전술되었으나, 이러한 실시예는 본 개시의 정신 및 성질로부터 벗어나지 않고 첨부된 청구항의 범위 내에서 마음대로 변형될 수 있다.
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Claims (27)

  1. 생물학적 물질을 지지하는 단계;
    레이저 빔 펄스를 생성하는 단계; 및
    상기 생물학적 물질 내의 대상 영역을 향하여 상기 레이저 빔 펄스의 초점을 맞추어, 저-에너지 전자의 필라멘트(filaments)를 생성하는 단계를 포함하는
    생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 생물학적 물질은 실험 샘플인
    방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 생물학적 물질은 수용액에 함유되는
    방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 800 나노미터의 파장을 갖는
    방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 100 펨토초의 지속시간(duration)을 갖는
    방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 1 ㎑의 속도로 반복되는
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 300 밀리와트의 전력에서 생성되는
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 대상 영역은 약 1 ㎤의 부피를 갖는
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자는 이방성 집합물(anisotrophic concentrations)을 갖는
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자의 생성 후에, 상기 대상 영역에서 제2 철이온(ferric ion) 농도를 측정하는 단계를 포함하는
    방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자의 생성 후에, 상기 대상 영역에서 티민 농도를 측정하는 단계를 포함하는
    방법.
  12. 제1항의 방법의, 방사화학, 살균, 중합, 나노입자 코팅 및 나노입자 생성으로 이루어진 군으로부터 선택되는 기능을 위한 용도.
  13. 제1항의 방법의 방사선 치료를 위한 용도.
  14. 생물학적 물질을 위한 지지체;
    펄스 레이저; 및
    레이저 빔 펄스를 상기 생물학적 물질 내의 대상 영역으로 향하게 하여, 저-에너지 전자의 필라멘트를 생성하는 초점 조정 장치(focusing mechnism)를 포함하는
    생물학적 물질에서 저-에너지 전자를 생성하는 시스템.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 생물학적 물질은 물을 함유하는
    시스템.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 800 나노미터의 파장을 갖는
    시스템.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 100 펨토초의 지속시간을 갖는
    시스템.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 1 ㎑의 속도로 반복되는
    시스템.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 레이저 펄스는 약 300 밀리와트의 전력에서 생성되는
    시스템.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 대상 영역은 약 1 ㎤의 부피를 갖는
    시스템.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 지지체는 실험 샘플을 포함하는 광경로 큐벳(optical path cuvette)인
    시스템.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 큐벳의 내용물을 균질화하기 위한 자기 조종 장치(magnetic steering device)를 포함하는
    시스템.
  23. 제14항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자는 이방성 집합물을 갖는
    시스템.
  24. 제14항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자의 생성 후에 상기 대상 영역에서 제2 철이온 농도를 측정하는 선량계를 포함하는
    시스템.
  25. 제14항에 있어서,
    상기 저-에너지 전자의 생성 후에 상기 대상 영역에서 티민 농도를 측정하는 크로마토그래프를 포함하는
    시스템.
  26. 제14항의 시스템의, 방사화학, 살균, 중합, 나노입자 코팅 및 나노입자 생성으로 이루어진 군으로부터 선택되는 기능을 위한 용도.
  27. 제14항의 시스템의, 방사선 치료를 위한 용도.
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