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Phaseneffekte der Elektronen-Wechselwirkungsquerschnitte von Biomolekülen

11.12.2015

Für die biologische Wirksamkeit ionisierender Strahlung spielt die Spurstruktur von Sekundärelektronen im Bereich der DNA eine zentrale Rolle. Die Berechnung solcher Spurstruktur basiert derzeit meist auf den Wechselwirkungsdaten, die durch Messungen an Biomolekülen in der Gasphase gewonnen wurden. Zur Berücksichtigung von Phaseneffekten, d. h. einer möglichen Änderung der Wechselwirkungsquerschnitte beim Übergang vom gasförmigen zum flüssigen Zustand, werden bislang einfache theoretische oder semiempirische Modelle herangezogen. Diese Modelle erlauben jedoch lediglich eine grobe Abschätzung der Phaseneffekte von integralen Elektronenstreu- und Ionisierungsquerschnitten.

Experimentelle Untersuchungen mittels Liquid-microjet photoelectron spectroscopy [1] zeigen allerdings eine deutliche Phasenabhängigkeit nicht nur der absoluten Intensität sondern auch der Winkelverteilung der emittierten Elektronen. Deshalb wurde ein Programm erstellt, das die Berechnung mehrfach differentieller Ionisierungsquerschnitte von Biomolekülen in verschiedenen Aggregatzuständen durch Elektronen ermöglicht. Die Genauigkeit der berechneten Daten kann anhand der experimentellen Daten in der Gasphase überprüft werden.

Das Programm basiert auf der PWIA (Plane wave impulse approximation)-Näherung, in der das T-Matrixelement für den Übergang vom Grundzustand des neutralen Moleküls in einen angeregten kationischen Zustand als Produkt des Zweielektronenkollisionsfaktors und des betreffenden Dysonorbitals im Impulsraum angenähert wird. Für die absolute Übergangswahrscheinlichkeit wird die Monopolintensität, die mittels der im quantenchemischen Softwarepaket Gaussian 09 [2] implementierten SAC-CI-General-R-Methode berechnet werden kann, verwendet. Bei der Berechnung des Dysonorbitals, welches für die relative Winkelverteilung der emittierten Elektronen maßgebend ist, wird die elektronische Relaxation der Molekülorbitale beim Übergang in kationische Zustände berücksichtigt. Die nukleare Relaxation wird hingegen außer Acht gelassen, da die Ionisierung durch energetische Elektronen oder Photonen bei gleichbleibenden Kernabständen der Atome im Molekül stattfindet.

Abb. 1: Einfach differentielle Ionisierungsquerschnitte dσi/dΩ von Tetrahydrofuran für 200 eV-Elektro­nen als Funktion des Sekundärelektronenemissionswinkels: (˜) experimentelle Daten, () mit Hilfe der PWIA-Näherung berechnete Werte, (- - -) Verhältnis des einfach differentiellen Ionisierungsquerschnitts von hydratisiertem THF zu dem von gasförmigem THF.

Als ein Beispiel zeigt Abbildung 1 die berechneten einfach differentiellen Ionisierungsquerschnitte dσi/dΩ von THF (Tetrahydrofuran) für Elektronen mit einer Primärenergie von 200 eV als Funktion des Emissionswinkels. Zum Vergleich sind experimentellen Daten eingefügt. Es ist zu erkennen, dass die theoretische Winkelverteilung für gasförmiges THF die experimentellen Daten im Rahmen der Unsicherheit gut wiedergibt. Aus der Abbildung geht weiterhin hervor, dass der Ionisierungsquerschnitt von hydratisiertem THF für 200 eV-Elektronen im Mittel etwa 8% höher als der von gasförmigem THF ist. Außerdem werden die Sekundärelektronen bei hydratisiertem THF tendenziell bei größeren Winkeln als bei gasförmigem THF emittiert.

Literatur

  1. S. Thürmer, R. Seidel, M. Faubel, W. Eberhardt, J. C. Hemminger, S. E. Bradforth, and B. Winter, Phys. Rev. Lett. 111, 173005 (2013)
  2. Gaussian 09, Gaussian, Inc., Wallingford, CT, USA