脱氧核糖核酸（DNA）是辐射生物学效应的最重要和灵敏的靶分子。电离辐射通过直接作用和自由基的间接作用可引起DNA分子多种类型的损伤，如碱基损伤、糖基损伤、单链和双链断裂以及DNA交联等。其中双链断裂（DSBs）是最关键的损伤类型，它的正确和完全修复可保证细胞的存活，而错误修复和残余DNA损伤将导致细胞的死亡、突变和转化。重离子和质子是具有高传能线密度（LET）的辐射。与低LET辐射相比，其能量沉积密集，通过物质时有着完全不同结构的电离径迹，径迹结构复杂，能引起较高的相对生物学效应（RBE）。在辐射生物学实验中，具有高LET的粒子的使用，为研究不同离子密度和生物学系统之间的相互关系及证实模型和理论的物理基础提供了基本和良好的工具。研究高LET辐射与生物物质的相互作用对于重离子和质子在放射治癌中的应用具有十分重要的意义，同时对于暴露于高LET辐射情形下，如太空辐射及核辐射环境下人员的危险性评估和辐射防护也是十分必要的。本研究利用原子力显微镜（AFM）技术和凝胶电泳方法，在分子水平上研究了具有高LET的重离子辐射中直接和间接作用致DNA链断裂的物理化学机理及自由基清除剂的辐射防护作用。利用光学显微镜手段，在细胞水平上观测了质子辐射诱发的一些生物学效应。以期为重离子和质子治癌、太空辐射和核辐射的危险性评估及其防护等提供有价值的实验依据。选用HI-13串列加速器加速的具有不同LET值的⁷Li和¹²C重离子，以不同的剂量分别对干状及不含和含自由基清除剂的水溶液pUC19质粒DNA进行了辐照。使用AFM在纳米尺度上直接观测了辐射诱发的DNA碎片及分子形态的变化。得到了DNA碎片长度的分布和双链断裂数目随辐射剂量的变化规律，评估了自由基清除剂甘露醇和维生素C的抗辐射能力。同时，使用凝胶电泳方法分析了实验样品，对AFM的结果进行了验证和补充。研究结果表明：对于水溶液pUC19质粒DNA，具有110keV／μm左右LET值的⁷Li离子诱发的生物效应最为严重。与具有低LET的电子和高LET的中子（55keV／μm）相比，在相近剂量下，具有较高LET的⁷Li离子可诱发DNA分子发生集团损伤，即形成更多和更短的DNA小碎片，从而使DSB的分布更局部和更密集；干状DNA及DNA水溶液浓度和自由基清除剂对DNA链断裂产额的影响均暗示，在水溶液环境下，⁷Li离子辐射诱发的DNA链断裂是直接作用和自由基的间接作用的共同结果，而自由基的作用为主导因素；在⁷Li和¹²C重离子辐射中，自由基清除剂甘露醇和维生素C均能与DNA分子竞争自由基，清除辐射过程中产生的自由基，有效地减少重离子诱发的DNA链断裂的产生，具有一定的重离子辐射防护能力：与γ辐射相比，自由基清除剂对重离子辐射诱发产生的DSB的清除能力略小，表明重离子辐射可诱发更多的不能清除的DSB，这些DSB主要由直接作用和局部多重损伤位点（LMDS）所引起；质子辐射诱发ICR小鼠的皮肤及心肌、肝和肺等深层组织发生了病理性改变。这些结果为进一步深入研究质子辐射致生物体损伤机理提出了挑战。总之，传统的核物理实验技术与先进的AFM技术和现代分子生物学技术的成功结合，为辐射生物损伤机制及其防护的研究提供了一种重要和有力的研究手段，可实现在分子水平上获得高LET辐射致DNA损伤及其防护的更为精细的信息和丰富的实验数据。