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114年:醫物幅安(2)

水被輻射照射後，其產物有那些？①H⁺ ②OH‧ ③H₂O₂ ④HO₂‧

A僅①②④
B①②③④
C僅②③
D僅③④

詳細解析

本題觀念

本題考查放射生物學中非常重要的核心概念：「水的輻射分解（Radiolysis of water）」。人體內含有大約 70% 至 80% 的水，當游離輻射（如 X 射線或 γ 射線）進入生物體後，輻射能量主要會與水分子發生交互作用，使其游離與激發，進而產生各種離子、自由基（free radicals）與分子產物。此過程稱為輻射的「間接作用（Indirect action）」，是造成 DNA 損傷與細胞死亡最主要的機制。

選項分析

水分子受輻射照射後的反應可依時間先後分為幾個階段：

  1. 物理階段（游離階段）： 水分子被輻射游離，產生正水離子與電子： H2O→RadiationH2O++e−H_2O \xrightarrow{\text{Radiation}} H_2O^+ + e^-

  2. 物理化學階段（離子分解階段）： 不穩定的 H2O+H_2O^+ 會極快地發生分解反應： H2O+→H++OH⋅H_2O^+ \rightarrow \mathbf{H^+} + \mathbf{OH \cdot} 在此階段產生了氫離子 (H+H^+) 與氫氧自由基 (OH⋅OH \cdot)。 (另外，游離出的電子 e−e^- 會與另一個水分子結合成 H2O−H_2O^-，接著分解為氫自由基 H⋅H \cdot 與氫氧根離子 OH−OH^-)。

    • ① H+H^+：正確。由 H2O+H_2O^+ 分解產生（在水溶液中常以水合氫離子 H3O+H_3O^+ 的形式存在）。
    • ② OH⋅OH \cdot (氫氧自由基)：正確。OH⋅OH \cdot 具有極高的反應活性，是輻射間接作用中最具破壞力的主要自由基。

  3. 化學階段（自由基重組與反應）： 產生的自由基非常活潑，會彼此結合或與環境中的氧分子反應：

    • 兩個氫氧自由基結合會生成過氧化氫（Hydrogen peroxide）： OH⋅+OH⋅→H2O2OH \cdot + OH \cdot \rightarrow \mathbf{H_2O_2}
    • 若環境中有氧氣存在（氧效應），氫自由基（H⋅H \cdot）會與氧氣迅速反應，產生氫過氧自由基 (Hydroperoxyl radical, HO2⋅HO_2 \cdot)： H⋅+O2→HO2⋅H \cdot + O_2 \rightarrow \mathbf{HO_2 \cdot} （此外，OH⋅OH \cdot 攻擊生成的 H2O2H_2O_2 也會產生 HO2⋅HO_2 \cdot：OH⋅+H2O2→H2O+HO2⋅OH \cdot + H_2O_2 \rightarrow H_2O + \mathbf{HO_2 \cdot}）
    • ③ H2O2H_2O_2 (過氧化氫)：正確。是一種具有細胞毒性的穩定分子產物。
    • ④ HO2⋅HO_2 \cdot (氫過氧自由基)：正確。在有氧環境中極易生成，其半衰期比 OH⋅OH \cdot 稍長，能擴散更遠並延長對生物組織的傷害。

答案解析

根據上述的放射化學反應式，水受到游離輻射照射後，其輻射分解產物明確包含了氫離子（H+H^+）、氫氧自由基（OH⋅OH \cdot）、過氧化氫（H2O2H_2O_2）以及在有氧條件下極易生成的氫過氧自由基（HO2⋅HO_2 \cdot）。 因此，①②③④ 均為正確產物，最適合的答案為 (B) ①②③④。

核心知識點

考生在準備醫學物理學與放射生物學時，務必熟記**水的輻射分解（Radiolysis of water）**機制：

  1. 主要產物清單：初始產物包含 eaq−e^-_{aq} (水合電子)、OH⋅OH \cdot (氫氧自由基)、H⋅H \cdot (氫自由基)、H3O+H_3O^+ (水合氫離子)、H2O2H_2O_2 及 H2H_2。在有氧環境下則會進一步產生 HO2⋅HO_2 \cdot 與超氧陰離子 (O2⋅−O_2^{\cdot -})。
  2. 氧效應（Oxygen Effect）的角色：輻射在有氧狀態下的殺傷力遠大於缺氧狀態。氧氣能與輻射產生的自由基結合，生成如 HO2⋅HO_2 \cdot 等具高度毒性的過氧自由基，此現象稱為**「氧氣固化假說（Oxygen Fixation Hypothesis）」**，這類產物會造成難以修復的 DNA 損傷。
  3. 破壞主力：人體受 X 光或 γ 射線照射時，約 2/3 的生物損傷源自間接作用，其中 OH⋅OH \cdot (氫氧自由基) 貢獻了絕大多數的 DNA 破壞。

臨床重要性

水的輻射分解不僅是基礎理論，更是放射治療臨床應用的重要依據。腫瘤微環境的「含氧量」會直接決定 HO2⋅HO_2 \cdot 及過氧化物產生的多寡。臨床上常見的**缺氧腫瘤（Hypoxic tumors）**因為缺乏氧氣，無法有效產生長壽命且高破壞力的 HO2⋅HO_2 \cdot，從而對輻射產生抗性（Radioresistance）。這也是為何放療領域必須深入研究氧增強比（OER）以及各種增氧技術的原因。

參考資料

  1. 核能安全委員會. "用過核子燃料最終處置計畫 - 地下水受輻射影響機制與水輻射分解產物." 行政院核安會研究報告 (2018). (https://www.nusc.gov.tw)
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