Процеси утворення позитивних і негативних іонів молекул цитозину, тиміну, урацилу електронним ударом

Молекулярный пучок проходил через область взаимодействия с электронным пучком и в конце своего пути осаждался на дне коллектора, образуя со временем заметный след - конденсат. Коллектор был выполнен в виде медной камеры цилиндрической формы с входной щелью и имел температуру жидкого азота. Измерения массы конденсата и времени его образования давало возможность определить интенсивность молекулярного пучка, а соответственно и его концентрацию. Геометрические размеры конденсата вместе с его расстоянием от эффузионного источника использовались для определения параметров пучка - сечения области столкновений и угловой апертуры.

Генератором пучка электронов служила пятиэлектродная пушка с вольфрамовым катодом. Первый электрод пушки находился под небольшим отрицательным потенциалом, который задерживал низкоэнергетическую часть потока электронов из катода. Электроны пучка, пройдя область столкновений, улавливались цилиндром Фарадея, который находился под положительным потенциалом. Измерения проводились при силе тока пучка электронов ~ 1•10^-6 А и энергетической неоднородности электронов на полувысоте их энергетического распределения ДЕ_Ѕ ~ 0,3 еВ. Электронная пушка размещалась в продольном магнитном поле индукцией В = 1.2•10^-2 Тл. Начало (нуль) энергетической шкалы электронов определялось по энергетическому положению резонансного пика образования ионов SF₆Ї. За шириной резонанса на его полувысоте определялась величина ДЕ_1/2. С этой целью камера столкновений наполнялась газом SF₆ до давления 1.3·10^-3 Па.

Для полного сбора ионов, образовавшихся в области пересечения электронного и молекулярного пучков, на пути молекулярного пучка размещался проходной коллектор, внутри которого находился осевой электрод (зонд). Полнота сбора ионов обеспечивалась потенциалом зонда, равным 25 В, полярность которого определялась знаком заряда ионов, подлежащих регистрации. Магнитное поле препятствовало попаданию на зонд электронов, рассеянных на исследуемых молекулах и электродах электронной пушки.

Определены абсолютные величины полных сечений образования положительных и отрицательных ионов, а также энергетические зависимости сечений ионизации в интервале энергий электронов от порога до 200 эВ. Пороги образования положительных ионов составляют: для цитозина - 9,00,2 эВ; для тимина - 9,2±0,2 эВ; для урацила - 9,4±0,2 эВ. Функции ионизации являются пологими с небольшими особенностями и широкими максимумами в диапазоне энергий от 73 эВ до 95 эВ. В частности: максимум сечения ионизации цитозина наступает при энергии 78 эВ и равный (7,8^.0,8)^.10^-16 см²; для тимина максимальное сечение ионизации равно (1,4±0,3)·10^-15см² и наблюдается при энергии 90 эВ; максимум сечения ионизации урацила имеет место при энергии 95 эВ и равен (1,0+0,2)10^-15 см². Исследованы масс-спектры молекул цитозина, тимина, урацила при энергии электронов 95эВ. Наиболее интенсивные линии масс-спектров соответствуют молекулярным ионам, а также продуктам распада пиримидинового кольца. Предложены схемы фрагментации молекул. Определены сечения и энергетические зависимости сечений образования ионных фрагментов (парциальные сечения) молекул цитозина, тимина, урацила. Показано, что наибольшие сечения (~ 10^-16 см²) характерны для молекулярных ионов.

Определены полные сечения образования отрицательных ионов этих же молекул в интервале энергий электронов от порога до 5 эВ. Максимальные сечения образовании ионов составляют (4,2±0,9)•10^-18 см² (при энергии 1,5 эВ), (8,2±1,7)•10^-18 см² (при энергии 1,1 эВ), (5,0±1,1)•10^-18 см² (при энергии 1,1 эВ) соответственно для цитозина, тимина, урацила. Показано, что процесс образования отрицательного иона имеет резонансный характер и сопровождается диссоциацией молекулы. Наиболее вероятными продуктами такой диссоциации являются атом водорода и отрицательно заряженный молекулярный остаток.

Отмечено, что электроны с энергиями, ниже порога электронного возбуждения (<3eВ), эффективно разрушают молекулы оснований, продуцируя при этом радикалы водорода и отрицательно заряженные фрагменты этих молекул, а образование положительного молекулярного иона вызывает точечное повреждение в ДНК - депиримидизацию.

Ключевые слова: электронный удар, молекулярный пучок, положительный ион, отрицательный ион, азотистые основания нуклеиновых кислот, эффективное сечение процесса, диссоциация.

SUMMARY

Shafranyosh M.I. Processes of positive and negative ion production of cytosine, thymine and uracil molecules by electron impact. - Manuscript.

Thesis on the receipt of the scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences in speciality 01.04.04 in physical electronics. - Uzhgorod National University, Uzhgorod, 2010.

Dissertation work is devoted to studying the processes of positive and negative ion production of cytosine, thymine, uracil molecules in the gas phase under the influence of slow electrons. This work is carried out a crossed electron and molecular beam technique.

The absolute values of the total cross sections of production of positive ions of nucleic acid bases: cytosine, thymine, uracil molecules and energy dependences of ionization cross-sections from a threshold to 200 eV incident electron energy range have been determined. Ionization functions have smooth shape with weakly-pronounced features and a broad maximum in the 73 - 95 eV region.

In particular, the maximum of ionization cross section value for cytosine comes at energy 78 eV and is equal (7.8^.?0.8)^.10^-16 cm²; the maximum of ionization cross section value of thymine is equal (1.4±0.3)·10^-15 cm² and is observed at energy 90 eV; the maximum of ionization cross section value of uracil takes place at energy 95 еV and is equal (1.0+0.2)?10^-15 cm². The absolute values of the total cross sections of production of negative ions of these molecules from a threshold to 200 eV are determined. The maxima of the ionization cross section value of ion production are (4.2±0.9)•10^-18 cm² (at the energy 1.5 eV), (8.2±1.7)•10^-18 cm² (at the energy 1.1 eV), (5.0±1.1)•10^-18 cm² (at the energy 1.1 eV) for cytosine, thymine, uracil respectively. It is shown that the process of negative ion production has resonant character and is accompanied with dissociation of molecules.

The mass spectra of cytosine, thymine, uracil molecules are investigated at the electron energy 95 eV. The most intensive lines of the mass spectra correspond to the molecular ions and also for the fragmentation products of the pyrimidine rings. The schemes of fragmentation of molecules are offered. The cross-sections and the energy dependences of the ionic fragment production (partial cross-sections) of the cytosine, thymine, uracil molecules are defined. It is shown that the largest ion formation cross-sections (~ 10^-16 cm²) are characteristic for the molecular ions.

It is noticed that electrons with the energies below the electron excitation threshold (<3eВ) effectively destroy the molecule of bases, producing, thus, the radicals of hydrogen and negatively charged fragments of these molecules, while formation of the positive molecular ion causes molecular damage to DNA - dot depyrimization.

Keywords: electron impact, molecular beam, positive ion, negative ion, nucleic acid bases, effective cross-section, dissociation.

Размещено на Allbest.ru