TÓM TẮT BÀI BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG Bức xạ i ôn hóa • Bức xạ ion hóa xạ có lượng đủ lớn để tương tác với nguyên tử, phân tử giải phóng điện tử khỏi liên kết với nguyên tử chúng nguyên tử, phân tử điện tử trở thành ion bị ion hóa Bản chất loại xạ ion hóa Phân loại • Bức xạ có chất chuyển động hạt vi mô có khối lượng tĩnh Năng lượng xạ dạng động hạt Hai loại hạt vi mô: có điện tích • Bức xạ có chất sóng điện từ dòng photon truyền qua không gian có lượng E = hf Hiện tượng phóng xạ Là tượng hạt nhân nguyên tử • HOẶC tự biến đổi để trở thành hạt nhân nguyên tử nguyên tố khác • HOẶC từ trạng thái lượng cao trạng thái lượng thấp trình phát xạ ion hóa Các đồng vị • Hạt nhân nguyên tố chứa số proton Z xác định chứa số neutron N khác số khối A khác • Các nguyên tử có số proton khác số neutron hạt nhân gọi đồng vị • Một nguyên tố có vài đồng vị, tự nhiên nhân tạo • Các đồng vị có tính chất hóa học giống tính chất vật lý khác • Các đồng vị bền hay không bền Đồng vị không bền có tính phóng xạ gọi đvpx Các tia phóng xạ • Phân rã α, β+, β −, γ • Phổ tia α đơn (chất phóng xạ định phân rã phát tia α có lượng), phổ tia β đa (chất phóng xạ định phân rã phát tia β nhiều mức lượng tạo phổ liên tục) Năng lượng tia động hạt • Tia ( β-) kí hiệu -1e0 tức electron tia ( β+) kí hiệu 1e0 tức positron So sánh tia X tia gamma • Tia X gamma xạ ion hóa dạng sóng điện từ photon lượng cao di chuyển qua không gian • Có khả xuyên sâu, dễ dàng xuyên qua thể • Khác biệt: Tia X không phát từ hạt nhân nguyên tử Hoạt độ phóng xạ • Hoạt độ nguồn phóng xạ số nguyên tử bị phân rã (biến đổi chất) đơn vị thời gian • Đơn vị hoạt độ SI Becquerel (Bq) 1 Bq = phân rã / giây • Đơn vị phổ biến khácà Curie (Ci) • Curie hoạt độ gram of radium-226, Ci = 3.7 x 1010 Bq Các qui luật phân rã phóng xạ Tại thời điểm lấy làm mốc thời điểm t , số hạt nhân có tính phóng xạ nguồn • tương ứng N0 Nt Trong thời gian dt, số hạt nhân phân rã -dNt tỷ lệ với Nt dt • – dNt = λ.Nt.dt , λ - số phân rã Giải pt vi phân à Nt = N0 e – λ t • Hoạt độ nguồn thời điểm t q= -dNt /dt =λNt Chu kì bán rã • Chu kì bán rã T khoảng thời gian mà số hạt nhân có tính phóng xạ nguồn giảm xuống nửa • NT = N0 / λ T= ln2 T=ln2/λ Bài tập minh họa: Theo định nghĩa đơn vị Ci hoạt độ 1g Ra -226, biết hoạt độ 1Ci = 3.7x 1010Bq Hãy tính chu kì bán rã Ra-226 Gợi ý: 1g Ra-226 có chứa nguyên tử Ra-226 có tính phóng xạ? Biết số lượng Nt rồi, biết hoạt độ q ta tìm λ theo công thức q = λ Nt Biết λ tính T Mật độ xạ • Mật độ xạ điểm không gian số tia phóng xạ truyền qua đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền chùm tia điểm đơn vị thời gian • Nếu nguồn phát n tia phóng xạ giây theo hướng mật độ tia phóng xạ cách nguồn khoảng R : J = n / 4πR2 • mật độ xạ tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách tới nguồn Cường độ xạ • Cường độ xạ điểm không gian lượng chùm tia phóng xạ tải qua đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền chùm tia điểm đơn vị thời gian • Nếu tia phóng xạ có lượng không giống thì: I=Σ Ji.Ei , Ei – lượng tia phóng xạ Ji – mật độ riêng tia phóng xạ • Đơn vị (W/m ) Tương tác tia α , β với vật chất • Chủ yếu tương tác với điện tử quĩ đạo lực tĩnh điện, tương tác với hạt nhân khó xảy không xét Các hạt α , β tương tác với điện tử vật chất dần lượng ( động ) sau lần tương tác • Do kích thước, điện tích lớn hạt alpha có xác suất va đập với điện tử vật chất lớn nhanh chóng động Khả đâm xuyên tia alpha (quãng chạy R ngắn) Bị chặn tờ giấy hay lớp da • So với alpha hạt Beta (là electron) có sác xuất tương tác với điện tử quĩ đạo nhỏ nhiều Khả đâm xuyên lớn hạt alpha (quãng chạy R lớn tia α ) Có thể xuyên qua đến gần cm nước mô thể Có thể chặn tia Beta nhôm mỏng Tương tác tia γ, tia X với vật chất • Bị hấp thụ vật chất tương tác với vật chất theo chế khác có chất khác lực tĩnh điện • cách thức tương tác – hiệu ứng quang điện, tạo cặp, Compton (chỉ cần biết qua) • Qui luật giảm cường độ tia qua lớp vật chất hấp thụ I = I0 e–µ x • Tấm chì vài millimét chặn tia X • Tuy nhiên cần đến lớp bê-tông mét chì 10 cm để chặn tia gamma • bề dày hấp thụ nửa – làm giảm cường độ chùm tia xuống nửa Tương tác Neutron với vật chất • Tán xạ đàn hồi: neutron điện tích nên không tương tác với điện tử, va đập với hạt nhân bia trong trò bi-aà dần lượng Tán xạ đàn hồi dễ xảy với hạt nhân nhẹà vật liệu chứa nhiều H paraffin, nước, bê tông hấp thụ tốt neutron dùng che chắn lò phản ứng hạt nhân • Tán xạ không đàn hồi: neutron thí dụ qua kim loại nặng làm phát tia gamma kim loại nặng nói chung che chắn neutron • Phản ứng bắt neutron  n + 10B α + 7Li o Pha B kim loại hấp thu tốt neutron tia alfa phát sau không tiếp xa 58  n + Fe γ + 59Fe o Thép che chắn neutron phát gamma sau hấp thụ neutron Nguyên lý ghi đo xạ ion hoá  Dựa vào phản ứng hoá học: xạ ion hoá gây nên phản ứng hoá học phim ảnh  Dựa vào hiệu ứng vật lý: tương tác xạ ion hoá với vật chất gây nên  ion hoá chất khí tượng dẫn điện chất khí (thiết bị : buồng ion hoá ; ống đếm Geiger – Muller ;…  tượng phát quang số chất (thiết bị : ống đếm nhấp nháy ; Ghi đo dựa tính phát quang • Khi hấp thụ lượng từ xạ ion hoá, số tinh thể dung dịch có khả phát quang Cường độ phát quang tỷ lệ với lượng xạ ion hoá hấp thụ Đo gián tiếp cường độ xạ qua cường độ phát xạ thứ cấp từ chất phát quang • Một số chất phát quang tác dụng loại tia định • Dùng rộng rãi tinh thể muối NaI có khả phát quang tác dụng tia γ Được dùng thiết bị đo có tên ống đếm nhấp nháy • Trong ống đếm nhấp nháy, tinh thể NaI đặt đầu dò (detector) gắn với phận khuếch đại ống nhân quang điện (xem minh họa) • Từ tia sáng yếu ta thu dòng quang điện khuếch đại Đầu dò gắn với ống nhân quang điện hiệu quả, dùng gamma camera để khảo sát, chụp hình thể phương pháp đánh dấu phóng xạ Ghi đo dựa ion hóa chất khí • Dưới tác dụng xạ phân tử khí bị ion hóa chất khí trở nên dẫn điện • Các thiết bị ghi đo loại gồm phận tụ điện nối với nguồn điện chiều Bình thường chất khí tụ không dẫn điệnà mạch dòng điện • Khi có tia ion hóa lọt vào khoảng hai cực tụ điện, phụ thuộc loại thiết bị mạch điện xuất dòng điện (buồng ion hóa) xung điện (ống đếm Geiger – Muller) So sánh buồng i ôn hóa ống đếmG M • Hiệu điện ống đếm lớn nhiều so với buồng ion hóa • Buồng ion hóa không đóng kín, không khí giống môi trường Ống đếm GM đóng kín, không khí rút hết thay khí hữu khí Halogen + khí trơ • Áp suất ống đếm thấp, khoảng 10 mmHg • Buồng ion hóa đo liều chiếu, ống đếm không (xem liều chiếu đề cập phía sau) Tác dụng xạ i ôn hóa lên tổ chức sống Cơ chế tác dụng trực tiếp • Bức xạ ion hóa trực tiếp tương tác với phân tử hữu cấu tạo nên tế bào sống • Quá trình làm bật điện tử liên kết làm đứt gãy phân tử hữu cấu trúc phân tử bị phá vỡ • Tùy thuộc vào tính chất, chức mức độ quan trọng phân tử hữu bị phá vỡ mức độ tổn thương tế bào khác • Kết quả: tổn thương DNA, màng tế bào, protein enzym đặc dụng • Cơ chế gây tổn thương tức thời, chỗ bị chiếu xạ Cơ chế tác dụng gián tiếp  Bước I • Bức xạ tương tác với phân tử nước (thành phần chủ yếu tổ chức sống) xạ phân (radiolysis) phân tử nướcà tạo loại ion H2O+, H2O¯, H+, OH¯, gốc trung hòa lực hóa học mạnh • Các gốc tương tác với với H2O, với O2 tạo chất độc (do khả oxi hóa mạnh) HO2 (superoxide) H2O2 (peroxide – nước oxi già = H2O + O) • Thực nghiệm cho thấy nhiều O2 tổ chức sống lượng H2O2 sản sinh nhiều nồng độ oxi cao tổn thương sinh học bị chiếu xạ lớn (hiệu ứng oxi)  Bước II • Các sản phẩm tạo từ trình xạ phân nước gốc tự có khả oxi hóa mạnh (khát điện tử)àđánh căp điện tử phân tử hữu cấu thành tế bào • Các phân tử hữu bị lấy điện tử lại trở thành gốc tự khát điện tử đánh cắp điện tử phân tử khác phản ứng dây chuyền àtác dụng lan xa, kéo dài • Kết quả: tổn thương DNA, màng tế bào, protein, enzyme đặc dụng Dựa vào lý thuyết tác dụng gián tiếp người ta hiểu tác dụng lan truyền xa điểm chiếu xạ, tác dụng hàm lượng nước, hiệu ứng oxi môi trường chiếu nhiều tượng khác phóng xạ sinh học (về hiệu ứng oxi, hiệu ứng nhiệt độ, hàm lượng nước đọc SGK tr 329 để biết qua Độ nhạy cảm phóng xạ tế bào • Một số loại tế bào dễ bị tổn thương xạ ion hóa tế bào khác • Các tế bào thường phục hồi, sửa chữa tổn thương, khả tế bào khác khác Nếu tổn thương, sai lệch ADN mhiều, tế bào TỰ HỦY (xem hình minh họa, để tham khảo trình tự hủy tế bào – Apoptosis) • • Các tế bào sinh sản nhanh dễ bị tổn thương trước xạ: Các tế bào bào thai, tế bào ung thư, tế bào quan tạo máu thí dụ tế bào Nguyên lý Bergonie - Tribondeau • Các tia X tác dụng mạnh lên tế bào có khả phân chia mạnh, tế bào xa giai đoạn phân bào, tế bào có hình thái học chức phận rõ ràng Chú ý : nhờ tính nhạy cảm phóng xạ cao tế bào ung thư mà có ứng dụng tia phóng xạ diệt tế bào ung thư – xạ trị, nhiên lại không quên, quan tạo máu, bào thai, trẻ em nhạy cảm với xạ ion hóa Nói chung diệt tế bào ung thư tàn phá mạnh quan tạo máu, thí dụ hóa trị liệu CÁC LOẠI LIỀU LƯỢNG BỨC XẠ Liều chiếu ( phụ thuộc nguồn chiếu xạ) • Chỉ dùng cho tia γ tia X , áp dụng cho với máy phát tia X, tia γ • Cho biết tổng số điện tích ion dấu tạo lượng không khí định bị chùm tia chiếu vào (do khả ion hóa xạ) • Hệ SI Đơn vị C/kg (lượng xạ đủ tạo Coulomb kg vật chất không khí đk chuẩn) • Đơn vị khác R- roengent Liều hấp thụ • Chỉ phần xạ ion hóa tương tác với vật chất thể sống ( tức bị thể hấp thụ lượng) gây nên tác động sinh học • Để đánh giá tác dụng sinh học lên thể sống xạ ta cần ước lượng có lượng xạ hấp thụ đơn vị khối lượng phận hay toàn thể • Liều hấp thụ = Năng lượng xạ ion hóa hấp thụ / khối lượng đối tượng sống hấp thụ lượng • Đơn vị quốc tế (SI) liều hấp thụ Gray (Gy) Gy = J/kg Liều tương đương • Tác động sinh học xạ không phụ thuộc vào liều hấp thụ mà phụ thuộc khả ion hóa tế bào sống loại xạ khác nhau, tức mức độ gây tổn thương chúng • Các hạt neutron, proton alpha gây nên tổn thương gấp 5-20 lần so với liều hấp thụ xạ tia beta gamma • Liều tương đương = Liều hấp thụ × hệ số chất lượng tia • Đơn vị liều tương đương SI sievert (Sv) • Sv đại lượng lớn , khuyến cáo liều tương đương tổng cộng người năm không nên vượt 0.05 Sv (50 mSv) Mối liên quan hệ số chất lượng tia giá trị LET - Sở dĩ tia khác lượng có khả gây tổn thương khác giá trị LET tia khác Giá trị LET tia alpha neutron lớn nhất, nhỏ tia gamma beta - LET hệ số truyền tải lượng tuyến tính (linear energy transfer) Giá trị LET = ∆E/∆l - lượng tia truyền cho vật chất đơn vị chiều dài mà tia qua - Như LET lớn tia oxi hóa nhiều phân tử đơn vị độ dài mà qua - Với lượng tia nhau, đoạn mô sinh học tia alpha neutron ôxi hóa số phân tử nhiều so với tia gamma beta, phá hủy tập trung hơn, mật độ tàn phá cao hơn, tế bào bị tổn thương nặng hơn, KHÓ hồi phục Liều hiệu dụng • Các loại tế bào mô khác có độ nhạy cảm phóng xạ khác nên người ta đưa vào khái niệm trọng số mô • Độ nhạy cảm mô lớn trọng số lớn, có nghĩa liều tương đương nhau, trọng số mô lớn tổn thương hay hiệu ứng sinh học xạ ion hóa gây lớn Thí dụ W thận =0.2, phổi =0.12, gan=0.05,… • Liều hiệu dụng = liều hấp thụ x hệ số chất lượng tia x trọng số mô; đvị - Sv Suất liều • Suất liều liều lượng nhận đơn vị thời gian (s, phút , giờ, …) Các yếu tố quan trọng định mức độ tổn thương Thông thường người chủ yếu chịu tác động xạ chiếu mà chủ yếu tia X tia gamma, chiếu dùng tia beta (trong công việc, y tế từ môi trường,…), nói đến liều ta ngầm hiểu liều hấp thụ liều tương đương Trong công việc, y tế, nguồn chiếu lên người nguồn kiểm soát cường độ chiếu Yếu tố định mức độ tổn thương là:  Tổng liều, có khái niệm liều ngưỡng tức mô nhận liều ngưỡng bị tiêu diệt Tuy nhiên giá trị liều ngưỡng lại phụ thuộc yếu tố  Yếu tố thời gian: - Suất liều : tổng liều mà thời gian chiếu kéo dài tổn thương Điều dễ giải thích tế bào có khả tự phục hồi, sửa chữa hư hỏng tốc độ sửa chữa có giới hạn - Khoảng cách lần chiếu (thời gian nghỉ) : thí nghiệm cho thấy, suất liều, tổng liều, chia nhỏ đợt chiếu có thời gian nghỉ tổn thương Điều giải thích tương tự khả tự phục hồi, sửa chữa hư hỏng tế bào  Yếu tố không gian : Kích thước vùng vị trí bị chiếu xạ (xem SGK tr 329 cần biết qua)  Các yếu tố khác: hiệu ứng nhiệt độ, hiệu ứng oxi, hàm lượng (xem SGK tr 329 cần biết qua) Các biện pháp bảo vệ người trước xạ ion hóa Chủ yếu có ba cách - Giảm thời gian chịu tác dụng xạ liên tục, giảm suất liều hấp thụ, tăng thời gian lần chịu tác dụng xạ - Tăng khoảng cách tới nguồn xạ - Sử dụng lớp che chắn bảo vệ thích hợp (xem lại khả đâm xuyên loại tia ion hóa qua loại vật chất đề cập) • Tác dụng chất thiên nhiên giảm hiệu ứng sinh học tiêu cực lên thể sống: chất chống oxy hóa thiên nhiên Tác dụng chất chống oxy hóa thiên nhiên rõ ràng, gốc tự có khả oxi hóa mạnh kẻ thù lớn thể sống, chất chống oxi hóa có nhiều loại rau trung hòa gốc tự Đặc biệt vitamin E, C dạng TỰ NHIÊN , beta carotene, Đọc thêm: • Liều tương đương lần chụp CT 15 mSv / người lớn, 30 mSv / teenager 50 mSv / trẻ em Thường phải chụp – lần lớn liều ngưỡng cho phép nhân viên làm việc với xạ Mỹ Lưu ý người dân Hiroshima Nagasaki sống sót sau vụ ném bom nguyên tử nhận liều tương đương thấp 50 mSv • Một lần chụp CT bệnh nhận liều tương đương 74 lần chụp nhũ ảnh 442 lần chụp X-quang lồng ngực • Một nghiên cứu diện rộng Mỹ nhà khoa học Trường đại học California nghiên cứu cho thấy, việc tăng tần suất chụp cắt lớp CT trẻ em làm gia tăng đáng kể nguy em mắc ung thư sau Các nhà nghiên cứu cho việc cắt giảm CT không thực cần thiết giảm lượng phóng xạ dùng cho trẻ em, nguy ung thư đời em sau giảm thiểu đến 62% (Theo báo Thanh niên, dẫn nguồn New England Journal of Medicine) Ứng dụng xạ ion hóa y khoa Hai ứng dụng  Trong chẩn đoán hình ảnh : phương pháp đánh dấu phóng xạ Đưa đồng vị phóng xạ vào thể (với mức độ liều lượng tương đối an toàn) để làm chất đánh dấu phóng xạ Các thiết bị đo bên thu hình ảnh phân bố chất đánh dấu thể (xạ hình) để dùng chẩn đoán, theo dõi trình trao đổi chất Tùy mục đích người ta dùng chất phóng xạ khác  Phân biệt hai cách dùng đồng vị phóng xạ làm chất đánh dấu:  thân chất đánh dấu cấu thành nên phân tử tham gia vào trình chuyển hóa thể ( đvpx H, C, P, I…) Các phân tử tổng hợp nhân tạo để đưa vào thể Cơ thể không phân biệt đồng vị bền hay Đvpx đvpx tham gia bình đẳng trình trao đổi chất thể Thí dụ uống đvpx iod I-131 để theo dõi hoạt động tuyến giáp  Chất đánh dấu chất phóng xạ chuyên biệt “gắn” vào phân tử chất, dược chất mà có tham gia trình chuyển hóa thể (như đuôi vậy) Thí dụ loại đvpx Technetium (Tc), Thallium (Tl), Fluor (F-18) Yêu cầu: Chất đánh dấu phải có chu kì bán rã không dài  Phương pháp xạ trị : dùng tia phóng xạ diệt tế bào ung thư …(xem lại mục “độ nhạy cảm phóng xạ”) Phương pháp SPECT (Single-photon emission computed tomography) - Chụp cắt lớp dùng xạ gamma Dùng chất đánh dấu phát tia gamma, phổ biến Tc-99m (Technetium- 99m) Chất gắn vào với loại thuốc tiêm vào thể Sự phân bố thuốc tổ chức phản ánh trạng thái sinh lý tế bào (thí dụ tim, não,…) hoạt động trao đổi chất tỷ lệ với tiêu thụ chất đặc thù Thuốc đâu ta biết nhờ tia gamma phát từ Tc-99m gắn với thuốc dùng gamma camera thu hình ảnh phân bố thuốc tổ chức Yếu điểm rõ ràng, nguyên lý số an toàn phóng xạ là, liều hoàn toàn vô hại, tia gamma lại tia xuyên sâu Phương pháp PET CT PET – Positron Emission Tomography: chụp cắt lớp dùng xạ positron • Chất đánh dấu phóng xạ đvpx Fluor F-18 phát hạt positron (kèm theo hạt neutrino) phản hạt electron • Hạt positron sau phát từ đvpx quãng ngắn (dài vài mm) chắn gặp electron xảy phản ứng hủy hạt e+ + e- = tia γ Năng lượng tia γ xác định, tính theo công thức hf = mc2 = 511keV , m khối lượng electron 9,1.10-31 kg (cũng khối lượng positron) • tia γ phương đối xứng hoàn toàn.Hai tia gamma phát tới cảm biến xạ máy PET đặt kín vành tròn (xem hình minh họa) • Máy tính xử lý tín hiệu cho biết tọa độ phát tia gamma • F-18 cần phải gắn với chất tham gia vào trình trao đổi chất thể Người ta nghĩ cách gắn F-18 vào chất gần giống glucose, chất thu fluordeoxyglucose-18 (FDG) • Chất có đặc điểm tham gia vào trình trao đổi chất tế bào ung thư để tạo ATP Trước hôm định chụp, người bệnh cần phải nhịn để bỏ đói tế bào ung thư Trước chụp, chất FDG tiêm vào thể tế bào ung thư “ngốn ngấu” Trên xạ hình rõ điểm sáng phát từ nơi tập trung FDG, nơi tế bào ung thư trú ngụ Tham khảo :  Quá trình tạo ATP từ glucose tế bào lành chủ yếu hiếu khí xảy ty thể (sự hô hấp tế bào) Ngược lại, trình chuyển hóa glucose (và FDG) tạo ATP tế bào ung thư (dị dạng) chủ yếu yếm khí xảy ty thể, trình với hiệu suất thấp tạo nhiều acid 10  Các tế bào bình thường không “tiêu hóa” chất FDG FDG phi tự nhiên, khác xa glucose Các tế bào bình thường có ADN bình thường lập trình tự nhiên để sử dụng chất có nguồn gốc tự nhiên glucose  Chính tiêm chất FDG vào người, tế bào ung thư đói khát liền ngốn ngấu tiêu thụ chất FDG Trong tế bào bình thường không động đến FDG, kết FDG tập trung đâu, có tế bào ung thư  Không tế bào lành không tiêu thụ FDG, thể coi chất FDG chất độc cần thải loại ảnh PET ta thấy FDG tập trung bàng quang  Đây minh chứng cho việc, tế bào ung thư ăn bừa bãi, ăn “bẩn” ăn tham (ăn khỏe gấp hàng trăm lần tế bào thường) Vì nên cần phải có chế độ ăn đặc biệt cho bệnh nhân ung thư , ăn bình thường hàng ngày tế bào ung thư phát triển nhanh, mà tế bào lành đói phải chịu đựng acid tiết nhiều từ trao đổi chất tế bào ung thư  Có nhiều trường hợp bệnh nhân ung thư nặng, di căn, y học bó tay nhờ áp dụng chế độ ăn uống đặc biệt thoát khỏi ung thư Macrobiotics hay gọi thực phẩm dưỡng sinh trường phái ăn uống  Phải chế độ dinh dưỡng đặc biệt làm môi trường thể KIỀM (pH >7)nên làm ung thư tự chết ? làm thể mạnh lên tự tiêu diệt tế bào ung thư ?Hay lý khác?  Dù nguyên nhân kết một: Thoát khỏi ung thư mà không dùng thuốc hay xạ trị (tham khảo sách “Cancer free”, dịch tiếng Việt “Thoát khỏi ung thư”, sách có bán nhiều)  Bác sĩ Otto Warburg, người giải thưởng Nobel năm 1931 công trình nghiên cứu ung thư chứng minh rằng: “Tế bào ung thư phát triển mạnh môi trường acid O2, (không thích acid mà tạo nhiều acid) ngược lại không chịu môi trường kiềm nhiều O2” 11 - 12