Water is often used as the medium for characterizing the effects of radiation on living tissue. However, in this study, charged-particle track simulations are employed to quantify the induced physicochemical and potential biological implications when a primary ionising particle with energy 10 keV strikes a medium made up entirely of water or pyrimidine. Note that pyrimidine was chosen as the DNA/RNA bases cytosine, thymine, and uracil can be considered pyrimidine derivatives. This study aims to assess the influence of the choice of medium on the charged-particle transport, and identify how appropriate it is to use water as the default medium to describe the effects of ionising radiation on living tissue. Based on the respective electron interaction cross sections, we provide a model, which allows the study of radiation effects not only in terms of energy deposition (absorbed dose and stopping power) but also in terms of the number of induced molecular processes. Results of these parameters for water and pyrimidine are presented and compared.
References
1.
B.
Boudaiffa
, P.
Cloutier
, D.
Hunting
, M. A.
Huels
, and L.
Sanche
, Science
287
, 1658
(2000
).2.
C.
von Sonntag
, Free-Radical-Induced DNA Damage and its Repair
(Springer
, New York
, 2005
).3.
L.
Sanche
, in Radiation Induced Molecular Phenomena in Nucleic Acids
, edited by M.
Shukla
and J.
Leszczynski
(Springer
, Netherlands
, 2008
), Vol. 5
, pp. 531
–575
.4.
S. M.
Pimblott
and J. A.
LaVerne
, Radiat. Phys. Chem.
76
, 1244
(2007
).5.
V.
Cobut
, Y.
Frongillo
, J. P.
Patau
, T.
Goulet
, M.-J.
Fraser
, and J.-P.
Jay-Gerin
, Radiat. Phys. Chem.
51
, 229
(1998
).6.
J. A.
LaVerne
and S.
Pimblott
, Radiat. Res.
141
, 208
(1995
).7.
L.
Turi
and P. J.
Rossky
, Chem. Rev.
112
, 5641
–5674
(2012
).8.
L.
Sanche
, Nature
461
, 358
–359
(2009
).9.
S.
Agostinelli
, J.
Allison
, K.
Amako
, J.
Apostolakis
, H.
Araujo
, P.
Arce
, M.
Asai
, D.
Axen
, S.
Banerjee
, G.
Barrand
, F.
Behner
, L.
Bellagamba
, J.
Boudreau
, L.
Broglia
, A.
Brunengo
, H.
Burkhardt
, S.
Chauvie
, J.
Chuma
, R.
Chytracek
, G.
Cooperman
, G.
Cosmo
, P.
Degtyarenko
, A.
Dell'Acqua
, G.
Depaola
, D.
Dietrich
, R.
Enami
, A.
Feliciello
, C.
Ferguson
, H.
Fesefeldt
, G.
Folger
, F.
Foppiano
, A.
Forti
, S.
Garelli
, S.
Giani
, R.
Giannitrapani
, D.
Gibin
, J. J.
Gómez Cadenas
, I.
González
, G.
Gracia Abril
, G.
Greeniaus
, W.
Greiner
, V.
Grichine
, A.
Grossheim
, S.
Guatelli
, P.
Gumplinger
, R.
Hamatsu
, K.
Hashimoto
, H.
Hasui
, A.
Heikkinen
, A.
Howard
, V.
Ivanchenko
, A.
Johnson
, F. W.
Jones
, J.
Kallenbach
, N.
Kanaya
, M.
Kawabata
, Y.
Kawabata
, M.
Kawaguti
, S.
Kelner
, P.
Kent
, A.
Kimura
, T.
Kodama
, R.
Kokoulin
, M.
Kossov
, H.
Kurashige
, E.
Lamanna
, T.
Lampén
, V.
Lara
, V.
Lefebure
, F.
Lei
, M.
Liendl
, W.
Lockman
, F.
Longo
, S.
Magni
, M.
Maire
, E.
Medernach
, K.
Minamimoto
, P.
Mora de Freitas
, Y.
Morita
, K.
Murakami
, M.
Nagamatu
, R.
Nartallo
, P.
Nieminen
, T.
Nishimura
, K.
Ohtsubo
, M.
Okamura
, S.
O'Neale
, Y.
Oohata
, K.
Paech
, J.
Perl
, A.
Pfeiffer
, M. G.
Pia
, F.
Ranjard
, A.
Rybin
, S.
Sadilov
, E.
Di Salvo
, G.
Santin
, T.
Sasaki
, N.
Savvas
, Y.
Sawada
, S.
Scherer
, S.
Sei
, V.
Sirotenko
, D.
Smith
, N.
Starkov
, H.
Stoecker
, J.
Sulkimo
, M.
Takahata
, S.
Tanaka
, E.
Tcherniaev
, E.
Safai Tehrani
, M.
Tropeano
, P.
Truscott
, H.
Uno
, L.
Urban
, P.
Urban
, M.
Verderi
, A.
Walkden
, W.
Wander
, H.
Weber
, J. P.
Wellisch
, T.
Wenaus
, D. C.
Williams
, D.
Wright
, T.
Yamada
, H.
Yoshida
, and D.
Zschiesche
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
506
, 250
–303
(2003
).10.
J.
Allison
, K.
Amako
, J.
Apostolakis
, H.
Araujo
, P. A.
Dubois
, M.
Asai
, G.
Barrand
, R.
Capra
, S.
Chauvie
, R.
Chytracek
, G. A. P.
Cirrone
, G.
Cooperman
, G.
Cosmo
, G.
Cuttone
, G. G.
Daquino
, M.
Donszelmann
, M.
Dressel
, G.
Folger
, F.
Foppiano
, J.
Generowicz
, V.
Grichine
, S.
Guatelli
, P.
Gumplinger
, A.
Heikkinen
, I.
Hrivnacova
, A.
Howard
, S.
Incerti
, V.
Ivanchenko
, T.
Johnson
, F.
Jones
, T.
Koi
, R.
Kokoulin
, M.
Kossov
, H.
Kurashige
, V.
Lara
, S.
Larsson
, F.
Lei
, O.
Link
, F.
Longo
, M.
Maire
, A.
Mantero
, B.
Mascialino
, I.
McLaren
, P. M.
Lorenzo
, K.
Minamimoto
, K.
Murakami
, P.
Nieminen
, L.
Pandola
, S.
Parlati
, L.
Peralta
, J.
Perl
, A.
Pfeiffer
, M. G.
Pia
, A.
Ribon
, P.
Rodrigues
, G.
Russo
, S.
Sadilov
, G.
Santin
, T.
Sasaki
, D.
Smith
, N.
Starkov
, S.
Tanaka
, E.
Tcherniaev
, B.
Tome
, A.
Trindade
, P.
Truscott
, L.
Urban
, M.
Verderi
, A.
Walkden
, J. P.
Wellisch
, D. C.
Williams
, D.
Wright
, and H.
Yoshida
, IEEE Trans. Nucl. Sci.
53
, 270
–278
(2006
).11.
F.
Salvat
, J. M.
Fernandez-Varea
, and J.
Sempau
, in PENELOPE2011: A Code System for Monte-Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, OECD—Nuclear Energy Agency, 2011
.12.
C.
Champion
, C.
Le Loirec
, and B.
Stosic
, Int. J. Radiat. Biol.
88
, 54
–61
(2012
).13.
A.
Muñoz
, F.
Blanco
, J. C.
Oller
, J. M.
Pérez
, and G.
García
, in Advances in Quantum Chemistry
, edited by J. R.
Sabin
and E.
Brändas
(Academic Press
, 2007
), Vol. 52
, pp. 21
–57
.14.
A.
Muñoz
, M.
Fuss
, M. A.
Cortés-Giraldo
, S.
Incerti
, V.
Ivanchenko
, A.
Ivanchenko
, J. M.
Quesada
, F.
Salvat
, C.
Champion
, and G.
Gómez-Tejedor
, in Radiation Damage in Biomolecular Systems
, edited by G.
García Gómez-Tejedor
and M. C.
Fuss
(Springer
, Netherlands
, 2012
), pp. 203
–225
.15.
R. D.
White
, W.
Tattersall
, G.
Boyle
, R. E.
Robson
, S.
Dujko
, Z. L.
Petrovic
, A.
Bankovic
, M. J.
Brunger
, J. P.
Sullivan
, S. J.
Buckman
, and G.
Garcia
, Appl. Radiat. Isot.
83
(Pt. B
), 77
–85
(2014
).16.
J.
de Urquijo
, E.
Basurto
, A. M.
Juarez
, K. F.
Ness
, R. E.
Robson
, M. J.
Brunger
, and R. D.
White
, J. Chem. Phys.
141
, 014308
(2014
).17.
R. D.
White
, M. J.
Brunger
, N. A.
Garland
, R. E.
Robson
, K. F.
Ness
, G.
Garcia
, J.
de Urquijo
, S.
Dujko
, and Z. L.
Petrović
, Eur. Phys. J. D
68
, 1
–6
(2014
).18.
S.
Incerti
, G.
Baldacchino
, M.
Bernal
, R.
Capra
, C.
Champion
, Z.
Francis
, P.
Guèye
, A.
Mantero
, B.
Mascialino
, P.
Moretto
, P.
Nieminen
, C.
Villagrasa
, and C.
Zacharatou
, Int. J. Model. Simul. Sci. Comput.
1
, 157
–178
(2010
).19.
J.
Builth-Williams
, S. M.
Bellm
, D. B.
Jones
, H.
Chaluvadi
, D.
Madison
, C. G.
Ning
, B.
Lohmann
, and M. J.
Brunger
, J. Chem. Phys.
136
, 024304
(2012
).20.
D. B.
Jones
, S. M.
Bellm
, F.
Blanco
, M.
Fuss
, G.
Garcia
, P.
Limão-Vieira
, and M. J.
Brunger
, J. Chem. Phys.
137
, 074304
(2012
).21.
D. B.
Jones
, S. M.
Bellm
, P.
Limão-Vieira
, and M. J.
Brunger
, Chem. Phys. Lett.
535
, 30
–34
(2012
).22.
Z.
Masin
, J. D.
Gorfinkiel
, D. B.
Jones
, S. M.
Bellm
, and M. J.
Brunger
, J. Chem. Phys.
136
, 144310
(2012
).23.
M.
Stener
, P.
Decleva
, D. M. P.
Holland
, and D. A.
Shaw
, J. Phys. B: At. Mol. Phys.
44
, 075203
(2011
).24.
F.
Ferreira da Silva
, D.
Almeida
, G.
Martins
, A. R.
Milosavljevic
, B. P.
Marinkovic
, S. V.
Hoffmann
, N. J.
Mason
, Y.
Nunes
, G.
Garcia
, and P.
Limao-Vieira
, Phys. Chem. Chem. Phys.
12
, 6717
–6731
(2010
).25.
P.
Palihawadana
, J.
Sullivan
, M.
Brunger
, C.
Winstead
, V.
McKoy
, G.
Garcia
, F.
Blanco
, and S.
Buckman
, Phys. Rev. A
84
, 062702
(2011
).26.
M. C.
Fuss
, A. G.
Sanz
, F.
Blanco
, J. C.
Oller
, P.
Limão-Vieira
, M. J.
Brunger
, and G.
García
, Phys. Rev. A
88
, 042702
(2013
).27.
A.
Zecca
, L.
Chiari
, G.
Garcia
, F.
Blanco
, E.
Trainotti
, and M. J.
Brunger
, J. Phys. B: At. Mol. Phys.
43
, 215204
(2010
).28.
J. B.
Maljkovic
, A. R.
Milosavljevic
, F.
Blanco
, D.
Sevic
, G.
Garcia
, and B. P.
Marinkovic
, Phys. Rev. A
79
, 052706
(2009
).29.
C. G.
Ning
, K.
Liu
, Z. H.
Luo
, S. F.
Zhang
, and J. K.
Deng
, Chem. Phys. Lett.
476
, 157
–162
(2009
).30.
S. H. R.
Shojaei
, B.
Hajgató
, and M. S.
Deleuze
, Chem. Phys. Lett.
498
, 45
–51
(2010
).31.
P. L.
Levesque
, M.
Michaud
, and L.
Sanche
, J. Chem. Phys.
122
, 094701
(2005
).32.
M. H.
Palmer
, I. C.
Walker
, M. F.
Guest
, and A.
Hopkirk
, Chem. Phys.
147
, 19
–33
(1990
).33.
I.
Nenner
and G. J.
Schulz
, J. Chem. Phys.
62
, 1747
–1758
(1975
).34.
D.
Almeida
, D.
Kinzel
, F.
Ferreira da Silva
, B.
Puschnigg
, D.
Gschliesser
, P.
Scheier
, S.
Denifl
, G.
García
, L.
González
, and P.
Limão-Vieira
, Phys. Chem. Chem. Phys.
15
, 11431
–11440
(2013
).35.
D.
Almeida
, F.
Ferreira da Silva
, G.
García
, and P.
Limão-Vieira
, Phys. Rev. Lett.
110
, 023201
(2013
).36.
F.
Blanco
, A.
Muñoz
, D.
Almeida
, F.
Ferreira da Silva
, P.
Limão-Vieira
, M. C.
Fuss
, A. G.
Sanz
, and G.
García
, Eur. Phys. J. D
67
, 199
(2013
).37.
A. G.
Sanz
, M. C.
Fuss
, A.
Muñoz
, F.
Blanco
, P.
Limão-Vieira
, M. J.
Brunger
, S. J.
Buckman
, and G.
García
, Int. J. Radiat. Biol.
88
, 71
–76
(2012
).38.
A.
Muñoz
, J. M.
Pérez
, G.
García
, and F.
Blanco
, Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
536
, 176
–188
(2005
).39.
A. G.
Sanz
, M. C.
Fuss
, F.
Blanco
, Z.
Mašín
, J. D.
Gorfinkiel
, F.
Carelli
, F.
Sebastianelli
, F. A.
Gianturco
, and G.
García
, Appl. Radiat. Isot.
83
(Pt. B), 57
–67
(2014
).40.
I.
Linert
, M.
Dampc
, B.
Mielewska
, and M.
Zubek
, Eur. Phys. J. D
66
, 1
–9
(2012
).41.
W. Y.
Baek
, A.
Arndt
, M. U.
Bug
, H.
Rabus
, and M.
Wang
, Phys. Rev. A
88
, 032702
(2013
).42.
J. R.
Ferraz
, A. S.
dos Santos
, G. L. C.
de Souza
, A. I.
Zanelato
, T. R. M.
Alves
, M. T.
Lee
, L. M.
Brescansin
, R. R.
Lucchese
, and L. E.
Machado
, Phys. Rev. A
87
, 032717
(2013
).43.
W.
Wolff
, H.
Luna
, L.
Sigaud
, A. C.
Tavares
, and E. C.
Montenegro
, J. Chem. Phys.
140
, 064309
(2014
).44.
A.
Muñoz
, F.
Blanco
, G.
García
, P. A.
Thorn
, M. J.
Brunger
, J. P.
Sullivan
, and S. J.
Buckman
, Int. J. Mass Spectrom.
277
, 175
–179
(2008
).45.
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, edited by D. R.
Lide
(CRC Press
, Boca Raton, FL
, 2005
), Internet Version 2005, http://www.hbcpnetbase.com.46.
R.
Colmenares
, A. G.
Sanz
, M. C.
Fuss
, F.
Blanco
, and G.
García
, Appl. Radiat. Isot.
83
(Pt. B
), 91
–94
(2014
).47.
T.
Field
, private communication (2008).48.
M. C.
Fuss
, A. G.
Sanz
, F.
Blanco
, P.
Limão-Vieira
, M. J.
Brunger
, and G.
García
, Eur. Phys. J. D
68
, 161
(2014
).49.
R.
Mota
, R.
Parafita
, A.
Giuliani
, M.-J.
Hubin-Franskin
, J. M. C.
Lourenco
, G.
Garcia
, S. V.
Hoffmann
, N. J.
Mason
, P. A.
Ribeiro
, M.
Raposo
, and P.
Limão-Vieira
, Chem. Phys. Lett.
416
, 152
–159
(2005
).© 2015 AIP Publishing LLC.
2015
AIP Publishing LLC
You do not currently have access to this content.
