6 MV光子辐照诱导的氧化石墨烯中的非线性氧去除和碳键断裂

《Radiation Physics and Chemistry》：Nonlinear Oxygen Removal and Carbon Bond Breakage in Graphene Oxide Induced by 6 MV Photon Irradiation

石墨烯氧化物在6MV光子辐照下的结构演变及剂量响应特性研究。采用EDS、XPS、拉曼光谱和热释光技术分析0-20Gy不同剂量辐照后的C/O比、D/G峰面积比、D''峰及储存电荷变化，发现氧去除和碳键断裂与剂量呈非线性关系。首次揭示辐照后加热过程中出现的triboluminescence现象与拉曼光谱变化相关，证实GO在常温大气环境下作为被动剂量计的可行性。

　　### 解读：石墨烯氧化物在6 MV光子辐射下的结构变化及其作为剂量计材料的潜力

石墨烯氧化物（Graphene Oxide, GO）作为一种广泛研究的二维材料，因其独特的物理化学性质，在多个领域展现出巨大的应用潜力。GO是石墨的氧化形式，含有丰富的含氧官能团，如环氧基、羟基以及边缘处的羧基等。这些官能团不仅影响GO的结构特性，还决定了其在不同环境下的行为。在本研究中，GO被暴露于6 MV光子辐射场下，剂量范围为0、5、10、15和20 Gy，以研究氧气官能团的去除情况以及辐射对碳网络结构的影响。通过多种光谱分析技术，包括能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱和热释光（Thermoluminescence），研究人员探讨了GO在不同辐射剂量下的结构变化，并分析了其作为剂量计材料的可行性。

#### GO的结构特性与辐射响应

GO的结构特点使其成为研究辐射响应的理想材料。在自然状态下，GO具有层状结构，其层间距离受氧化程度的影响。随着辐射剂量的增加，GO中的含氧官能团可能会发生分解或去除，而碳骨架则可能经历一定程度的断裂或重组。这种变化不仅影响GO的物理性质，还可能改变其在不同应用中的性能。研究发现，GO在高剂量（如“兆”级Gray）下表现出一定的线性响应，但在低剂量（如“千”级Gray）下，这种线性关系可能不成立。因此，了解GO在不同剂量范围下的行为，对于评估其作为剂量计材料的适用性至关重要。

#### 元素组成与辐射处理的影响

在本研究中，GO的合成采用了一种改良的Hummer法，该方法通过将石墨在浓硫酸中进行氧化处理，生成GO。合成后的GO含有碳、氧等元素，同时还检测到了硅、铝、钾和铁等元素，这些元素来源于原始的石墨材料。此外，反应过程中使用的其他试剂，如硫酸和高锰酸钾，也对GO的元素组成产生了影响。值得注意的是，在清洗过程中，镁元素是唯一被检测到从GO中去除的元素。这表明，在GO的制备和处理过程中，不同元素的保留或去除可能与处理条件密切相关。

#### 低剂量辐射下的行为研究

尽管GO在高剂量辐射下表现出一定的线性响应，但在低剂量条件下的行为却较少被研究。相比之下，其他碳基材料，如石墨和碳纳米管，已经被广泛用于剂量测量。低剂量辐射在医疗领域尤为重要，例如在心脏计算机断层扫描血管造影中，剂量通常在0.05至0.5 Gy之间，而在乳腺癌治疗中，单次治疗的剂量可能在1.8至2 Gy之间。因此，研究GO在低剂量条件下的结构变化，不仅有助于理解其在不同辐射环境下的行为，还可能为临床剂量测量提供新的思路。

#### 热释光现象与GO的发光特性

研究还提出，热释光现象可能是GO在加热过程中产生发光光谱的原因。在使用Harshaw TLD 3500读数器对GO进行加热处理时，其发光特性可能与热释光过程有关。这种现象表明，GO在受到辐射后，可能在特定条件下释放出能量，从而产生可检测的发光信号。这为GO作为剂量计材料提供了新的可能性，因为其发光特性可能与吸收的辐射剂量相关。

#### 处理条件对线性关系的影响

为了评估GO作为剂量计材料的可行性，研究特别关注了处理条件对辐射响应的影响。与一些在真空条件下进行辐射处理的研究不同，本研究在常温、常压和湿度条件下进行GO的辐射处理。这种处理方式更接近实际应用环境，尤其是医疗领域中GO可能遇到的条件。研究发现，在常温条件下，GO的还原程度与吸收的辐射剂量之间可能存在一定的线性关系，但这种关系可能在不同剂量下发生变化。因此，研究GO在常温条件下的行为，对于评估其作为剂量计材料的适用性具有重要意义。

#### 6 MV光子辐射的临床意义

6 MV光子辐射是癌症治疗中常用的手段，尤其在肺部癌症治疗中，累积剂量通常不超过20 Gy。这种剂量水平与本研究中使用的剂量范围相符，使得GO在临床环境下的应用成为可能。因此，研究GO在6 MV光子辐射下的行为，不仅有助于理解其在高能辐射下的结构变化，还可能为开发新的剂量测量方法提供参考。

#### GO在医疗领域的应用前景

GO在医疗领域的应用前景广阔，尤其是在剂量测量方面。由于其独特的物理化学性质，GO可以作为被动剂量计材料，用于测量吸收的辐射剂量。与传统的剂量计材料相比，GO具有较高的灵敏度和可调性，这使其在医疗环境中具有潜在优势。此外，GO的结构变化可能与吸收的辐射剂量相关，这为开发基于GO的剂量测量方法提供了理论依据。

#### 未来研究方向

尽管本研究取得了初步成果，但仍有许多问题需要进一步探讨。例如，GO在不同剂量范围下的行为是否具有普遍性，其发光特性是否可以用于实际剂量测量，以及处理条件对辐射响应的影响机制等。此外，还需要研究GO在不同辐射类型（如电子束、离子束等）下的响应情况，以确定其作为剂量计材料的广泛适用性。这些研究将有助于推动GO在医疗、工业等领域的应用，并为其作为新型剂量计材料提供更坚实的理论基础。

#### 研究方法与技术

在本研究中，采用了多种光谱分析技术来研究GO在不同辐射剂量下的结构变化。这些技术包括能量色散光谱（EDS）、X射线光电子能谱（XPS）、拉曼光谱和热释光（Thermoluminescence）。通过这些技术，研究人员能够检测GO中的元素组成、化学官能团的变化以及碳骨架的结构变化。此外，研究还探讨了GO在不同处理条件下的行为，如在常温、常压和湿度条件下的辐射响应，以确定其在实际应用中的适用性。

#### 结论

本研究探讨了GO在6 MV光子辐射下的结构变化，并分析了其作为剂量计材料的可行性。研究发现，GO在不同剂量下的行为可能与吸收的辐射剂量相关，但这种关系可能并非线性。此外，研究还提出，热释光现象可能是GO在加热过程中产生发光光谱的原因。这些发现为GO在医疗、工业等领域的应用提供了新的思路，并为其作为新型剂量计材料奠定了基础。未来的研究将需要进一步探讨GO在不同处理条件下的行为，以及其在不同辐射类型下的响应情况，以确定其作为剂量计材料的广泛适用性。