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新加坡首个原子能机构协作中心:利用加速器进行尖端研发

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离子束应用中心将质子束聚焦到纳米级分辨率,用于各种应用,包括材料科学研究、生物细胞成像、纳米制造以及法证和遗产样本研究计划。(照片来源:新加坡国立大学)

国际原子能机构与新加坡国立大学离子束应用中心达成协作协议,在从材料科学和文化遗产到癌症护理等多学科应用中强化利用加速器科学技术。这是原子能机构在东南亚国家的首个协作中心。

根据本周签署的新协议,原子能机构指定离子束应用中心为原子能机构协作中心,直至2027年。离子束应用中心的核心设施是一台离子束加速器,供多学科研究使用。离子束应用中心可以产生高能(兆电子伏)质子束和α粒子束,最近借助离子束应用中心开发的尖端纳米聚焦系统形成了小到10纳米的光斑,这在世界上尚无他例。一根头发丝宽约10万纳米。

原子能机构负责核科学和应用部的副总干事纳贾特·穆赫塔尔说:“原子能机构重视离子束应用中心的创新研发方案及其用于开发基于快离子的新技术的无与伦比的研究基础设施。我们已在材料科学、量子科学、文化遗产和法证学领域合作若干年。我很高兴让我们的合作更上一层楼。”

通过利用加速器产生的快速离子探索材料的原子级组成和特性,专家们可以研究和开发绿色技术所需的新材料,例如用于太阳能转换的改进型光伏电池和用于能源储存的先进析氢过程。新协作中心还将利用基于加速器的技术确定诸如食品包装、食品补充剂、玩具及其包装材料等的来源和真实性,以强化公众认识和安全。

新加坡国立大学理学院研发副院长许连斌教授说:“将离子束应用中心指定为原子能机构协作中心,证明了我们研究人员所具有的优质创新思路和专门知识。协作中心将利用基于加速器的技术研究从材料科学到放射生物学等高度相关的研究课题。我们期待与原子能机构合作,通过地方、地区和全球研究伙伴关系促进知识传播和能力建设,为现实世界的问题探索解决方案。”

离子束应用中心的核显微镜光束线可以检测含量低到百万分之几的元素,并以亚微米级的分辨率显示其分布。这些能力将用于研究材料的组成、结构和来源,以及文化遗产物品修复技术。这在新加坡很有价值,因为新加坡从来就是亚太地区的贸易中心。核分析技术可以提供有关过去所用材料和技术的信息,有助于绘制因人员流动而造成的制造技术的变迁图,还可以帮助确定过去的贸易路线,以及新加坡在制造工艺品的材料和技术方面对该地区的影响。

这项工作将与新加坡同步辐射源和新加坡国家文物局协作完成。作为这一新协作中心计划的一部分,2023年10月3日将在新加坡举办国际原子能机构关于核分析技术用于世界遗产的系列网络研讨会第一次会议。

一名研究人员在离子束应用中心为芯片实验室样本准备馈送线路。协作中心将利用离子束应用中心开发的质子束写入技术,开发纳米流体芯片实验室技术,实现脱氧核糖核酸(DNA)单分子检测,用于分子生物学分析,如促进临床诊断和药物开发的基因测序。(照片来源:新加坡国立大学)

亚细胞成像和辐照

离子束应用中心还有一项利用高聚焦离子束能力的新应用,那就是用于放射生物学的亚细胞辐照。今年早些时候,原子能机构启动了一个新的协调研究项目“利用基于加速器的技术进行亚细胞成像和辐照”(F11024)。离子束应用中心下周将主办该项目的首次协调会议。

在500纳米(亚细胞)水平上对活细胞进行离子束照射,可以研究单个细胞器(如癌症治疗中的线粒体)对辐射损伤的反应。基于离子束的成像技术可以显示纳米颗粒经吸收后进行的药物递送情况,从而研究放射增敏效应,这有可能改善放射治疗的疗效。

该项目的主要目标是开发加速器技术,以便通过质子束治疗(目前最先进的癌症放射治疗方法之一)改进和更好地量身定制肿瘤控制方法。将为生物成像开发基于量子科学的新型探测器,让科学家能以非侵入方式实时查看生物功能。

项目参与者、新加坡国立大学副教授安德鲁·贝蒂奥说:“加速器技术在研究辐射对生物细胞的影响方面发挥着至关重要的作用,为深入了解DNA损伤和细胞反应提供了珍贵资料。这些研究发现有可能转化为临床试验,最终加强放射治疗的成果。”

来自12个国家的专家包括来自三个原子能机构协作中心(澳大利亚核科学和技术组织、日本量子科学技术研究开发机构和新加坡国立大学离子束应用中心)的专家将就这个为期五年的项目开展合作。

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