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论自由基生物学与物理学

2013-10-24 01:09

　　论文关键词 自由基，自由基生物学，物理学，电子自旋共振
　　论文摘 要 自由基生物学与物理学关系密切，没有物理学关于电子的理论和检测技术,就没有自由基生物学今天的辉煌，没有自由基生物学与物理学的结合，也许至今大部分人都还不知道什么是自由基。文章从自由基生物学的发展讨论物理与生物学的关系。 
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　　AbstractThere is a close relationship between free-radical biology and physics. The great advances in modern free-radical biology would not have occurred if physics had not provided the theory and detection technology for electrons. Without the combination of free-radical biology with physics, many people today might not even know what a free radical is. The relationship between biology and physics is discussed from the viewpoint of the development of free-radical biology. 
　　Keywordsfree radical, free-radical biology, physics, electron spin resonance(ESR)おお 
　　 
　　自由基生物学（free radical biology）是研究自由基在生物体系中产生和作用规律及其与疾病和健康关系的科学。自由基生物学是一门新兴的前沿和交叉科学，是一个具有重要理论意义和广泛应用前景并且与人类健康密切相关的科学。自由基不仅具有重要的生物功能，而且可以引起衰老和多种疾病的发生和发展。自由基生物学自1968年发现超氧化物岐化酶（superoxide dismutase,SOD）以来［1］，在过去三十几年时间获得了迅速发展和辉煌的成就。1998年，一氧化氮自由基研究获得诺贝尔生物和医学奖，将自由基生物学和自由基医学研究推向另一个新高潮［2］。今后自由基生物学在衰老和疾病关系的理论研究方面将有所突破，为人类健康和延寿做出更大贡献。物理学和自由基生物学看似两门相差很远的学科，其实关系很密切。从自由基生物学的发展来看，可以说，没有物理学的理论和技术就没有自由基生物学今天的辉煌，当然没有自由基生物学与物理学的结合，也许至今大部分人都还不知道什么是自由基。本文不打算在物理学和生物学方面做广泛讨论，只从自由基生物学这一学科讨论物理学与生物学的关系，也就是从生物物理学或物理生物学的一个侧面讨论物理学和生物学的关系。 

　　 
　　1 物理学是自由基生物学的基础 
　　 
　　可以毫不夸张地说，物理学是自由基生物学的基础，自由基的概念、理论和检测技术都是来自物理学。按照自由基的概念和定义，“任何包含一个未成对电子的原子或原子团，均称之为自由基”，从物理学角度看自由基的实质就是一个电子。电子除了具有质量玬，电荷e之外，它还具有另一个特性，就是自旋S。所谓自旋,我们可以想像电子像地球一样绕一个轴旋转。电子是一个带电体，带电体的旋转就会产生磁场，这样一个旋转着的电子就好像一个小磁偶极子。在力学上可以用磁偶极矩μ来描述，它具有方向性，因此是一个矢量。如果将这一磁偶极矩放在磁场H中，它们之间就会产生一个相互作用能獷，这个能量可以用量子力学的薛定谔方程描述和求解，即 
　　 
　　这里g是一个没有量纲的常数,称为g因子，β是玻尔磁子。自旋磁矩与外磁场平行的电子具有较低的能量－gβH，自旋磁矩和外磁场反平行的电子具有较高的能量gβH。若用辐射的方法给处于低能级的电子一个能量hν,正好等于gβH，它们就会吸收这一能量跃迁到高能级,我们就称电子在频率ν发生了共振。这就是电子自旋共振（electron spin resonance, ESR）或顺磁共振(electron paramagnetic resonance, EPR))的基本原理，也是检测自由基最特异、最直接和最有效的技术［3］。 
　　至此，我们可以看出，自由基完全可以用纯物理学的语言通过一个电子的物理性质来表述。正是描述一个电子在磁场中的自旋共振奠定了自由基的检测方法，才使得我们可以利用ESR波谱仪检测自由基，因此可以说ESR是自由基物理学，它包括自由基的基本理论和自由基的检测技术——电子自旋共振，当然还包括该技术在物理学中的应用。  （科教范文网 fw.nseac.com编辑发布）
　　尽管在物理学中对自由基的研究已经很深入，甚至自由基在化学中的应用也获得巨大发展，比如，辐射化学和放射化学的反应基础都是自由基理论，有机化学中的聚合反应和有机化工也都是以自由基理论作为基础的，但是直到上世纪60年代，人们根本没有想到一个具有小小电子的自由基会与生物学有什么关系，更不能想像会产生一门独立的自由基生物学和该学科今日取得的辉煌。 
　　 
　　2 生物学与物理学的结合带来了自由基生物学的发展和辉煌お