Modelagem dos efeitos dos elétrons secundários gerados por íons na indução de radicais livres e quebras de DNA: uma abordagem por simulação de Monte Carlo e aproximação dielétrica

Abstract

Neste estudo, investigamos os efeitos de prótons e partículas alfa de baixa energia (1 keV a 1 MeV) em água líquida e DNA seco, focando na produção de elétrons secundários, radicais livres e danos no DNA. Utilizando a aproximação dielétrica no modelo MELF-GOS, calculamos a produção de elétrons secundários e radicais livres. Simulações Monte Carlo foram empregadas para estimar as probabilidades de danos no DNA, como quebras de bases (BDs), quebras simples de fita (SSBs) e quebras duplas de fita (DSBs), pela interação com elétrons secundários. Nossos resultados indicam que a eficiência na produção de radicais livres apresenta um pico em baixas energias, diminuindo em energias mais elevadas. Acima de 100 keV, os mecanismos de interação de prótons e partículas alfa convergem, com a ionização direta se tornando o principal mecanismo de produção de radicais livres. Em relação ao DNA, os danos causados por elétrons secundários aumentam com a energia dos elétrons. SSBs e BDs aumentam com a energia dos elétrons, enquanto DSBs e formas complexas de danos diminuem, sugerindo uma menor probabilidade de interações múltiplas. Mapas tridimensionais da probabilidade de danos no DNA revelam comportamentos semelhantes para BDs, SSBs e DSBs para cada tipo de partícula. No entanto, observamos diferenças na probabilidade de danos entre prótons e partículas \(\alpha\), atribuídas ao espectro de elétrons secundários, que varia para os dois tipos de projéteis, especialmente em energias abaixo de 100 keV. Em suma, este estudo fornece informações valiosas sobre os efeitos de prótons e partículas alfa de baixa energia em água e DNA. Os resultados podem ser úteis para avaliar os riscos de radiação em diversas aplicações.

This study investigates the effects of low-energy protons and alpha particles (1 keV to 1 MeV) on liquid water and dry DNA, focusing on the production of secondary electrons, free radicals, and DNAdamage. Using the dielectric approach within the MELF-GOS model, we calculated the production of secondary electrons and free radicals. Monte Carlo simulations were employed to estimate the probabilities of DNA damage, such as base damage (BDs), single-strand breaks (SSBs), and double-strand breaks (DSBs), due to the interaction with secondary electrons. Our results indicate that the efficiency of free radical production peaks at low energies and decreases at higher energies. Above 100 keV, the interaction mechanisms of protons and alpha particles converge, with direct ionization becoming the main mechanism for free radical production. Regarding DNA, damage caused by secondary electrons increases with electron energy. SSBs and BDs increase with electron energy, while DSBs and complex damage forms decrease, suggesting a lower probability of multiple interactions. Three-dimensional maps of DNA damage probability reveal similar behaviors for BDs, SSBs and DSBs, for each particle type. However, we observed differences in damage probability between protons and alpha particles, attributed to the secondary electron spectrum, which varies for the two projectile types, especially at energies below 100 keV. In summary, this study provides valuable information on the effects of low-energy protons and alpha particles on water and DNA. The results can be useful for assessing radiation risks in various applications.