TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN & CÔNG NGHỆ BỘ MÔN SINH HỌC THỰC NGHIỆM BÀI GIẢNG LÝ SINH Đắk Lắk, 2014 TRƯỜNG ĐẠI HỌC TÂY NGUYÊN KHOA KHOA HỌC TỰ NHIÊN & CÔNG NGHỆ BỘ MÔN SINH HỌC THỰC NGHIỆM BÀI GIẢNG LÝ SINH Biên soạn: Nguyễn Minh Trung Đắk Lắk, 2014 MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 MỤC TIÊU MÔN HỌC MỘT SỐ KHÁI NIỆM VAI TRÒ VẬT LÝ VÀ SINH HỌC TRONG LÝ SINH HỌC VỊ TRÍ CỦA LÝ SINH HỌC TRONG NỀN KHOA HỌC KỸ THUẬT HIỆN ĐẠI SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN LÝ SINH HỌC Chương - NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 1.1 NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU 1.2 MỘT SỐ KHÁI NIỆM VÀ ĐẠI LƯỢNG CƠ BẢN 10 1.2.1 Hệ nhiệt động 10 1.2.2 Trạng thái 10 1.2.3 Quá trình 11 1.2.4 Năng lượng – Nội 11 1.2.5 Công nhiệt 12 1.3 ĐỊNH LUẬT I NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 13 1.3.1 Định luật I nhiệt động học hệ 13 1.3.2 Hiệu ứng nhiệt phản ứng hóa học Định luật Hess 15 1.3.3 Phân biệt máy nhiệt thể sống 17 1.3.4 Áp dụng định luật I nhiệt động học vào hệ thống sống 18 1.3.5 Phương pháp nhiệt lượng kế gián tiếp 19 1.4 ĐỊNH LUẬT II NHIỆT ĐỘNG HỌC HỆ SINH VẬT 21 1.4.1 Quá trình thuận nghịch trình bất thuận nghịch 21 1.4.2 Một vài thông số nhiệt động quan trọng 22 1.4.3 Định luật II nhiệt động học 25 1.4.4 Áp dụng định luật II nhiệt động học vào hệ thống sống 25 Chương - TÍNH THẤM CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ 32 2.1 PHÂN TỬ VÀ DUNG DỊCH TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 32 2.1.1 Phân tử ion thể sinh vật 32 2.1.2 Dung dịch thể sinh vật 33 2.2 CÁC HIỆN TƯỢNG VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT CƠ BẢN TRONG CƠ THỂ SINH VẬT 34 2.2.1 Hiện tượng khuếch tán 34 2.2.2 Hiện tượng thẩm thấu 37 2.2.3 Hiện tượng lọc siêu lọc 41 2.3 MÀNG TẾ BÀO VÀ CÁC CON ĐƯỜNG THÂM NHẬP CỦA VẬT CHẤT VÀO TRONG TẾ BÀO 42 2.3.1 Màng tế bào 42 2.3.2 Các đường thâm nhập vật chất vào tế bào 47 2.4 ĐỘNG LỰC VÀ CƠ CHẾ VẬN CHUYỂN VẬT CHẤT QUA MÀNG 47 2.4.1 Vận chuyển thụ động 47 2.4.2 Vận chuyển tích cực 50 2.4.3 Thực bào ẩm bào 55 Chương - SỰ VẬN CHUYỂN MÁU VÀ KHÍ TRONG CƠ THỂ SỐNG 58 3.1 TRẠNG THÁI VẬT LÝ, VẬT CHẤT CỦA CÁC CHẤT LỎNG VÀ KHÍ 58 3.1.1 Tính chất vật lý chất khí chất lỏng 58 3.1.2 Các mô hình dòng tính đặc biệt dòng thực 62 3.2 SỰ VẬN CHUYỂN MÁU TRONG CƠ THỂ SỐNG 66 3.2.1 Sơ lược tính chất vật lý hệ tuần hoàn 66 3.2.2 Sự thay đổi áp suất tốc độ chảy máu đoạn mạch 71 3.2.3 Đặc điểm thể dịch máu hệ tuần hoàn máu .74 3.2.4 Những yếu tố khách quan ảnh hưởng đến tuần hoàn máu .75 3.3 SỰ VẬN CHUYỂN KHÍ TRONG CƠ THỂ NGƯỜI .78 3.3.1 Sơ lược quan hô hấp hoạt động hô hấp .78 3.3.2 Sự vận chuyển khí thể .80 3.3.3 Vai trò máu trao đổi khí 82 3.3.4 Những yếu tố ảnh hưởng tới trình trao đổi khí 83 Chương - DÒNG ĐIỆN VÀ SỰ SỐNG 86 4.1 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ CƠ BẢN 87 4.1.1 Điện điện cực (electrode) 87 4.1.2 Điện ion .89 4.2 CÁC LOẠI ĐIỆN THẾ SINH VẬT 91 4.2.1 Điện tĩnh .91 4.2.2 Điện hoạt động 92 4.2.3 Điện tổn thương 96 4.3 BẢN CHẤT VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH ĐIỆN THẾ SINH VẬT 97 4.3.1 Nguồn gốc chất điện tĩnh 97 4.3.2 Bản chất chế hình thành điện hoạt động 99 4.3.3 Hạn chế lý thuyết ion màng vai trò ion Ca++ 101 4.4 ĐẠI CƯƠNG VỀ KÍCH THÍCH CƠ VÀ THẦN KINH 102 4.4.1 Nguồn kích thích thời gian kích thích 103 4.4.2 Đáp ứng kích thích 103 4.4.3 Sự dẫn truyền xung động thần kinh 104 4.5 LÝ SINH HIỆN TƯỢNG CO CƠ 110 4.5.1 Cấu trúc, hình thái 110 4.5.2 Cơ chế trình co 112 4.5.3 Cấu trúc hoạt động trơn 114 4.6 ĐỘ DẪN ĐIỆN CỦA TẾ BÀO VÀ MÔ - ỨNG DỤNG 114 4.6.1 Điện trở tế bào mô dòng điện chiều 116 4.6.2 Điện trở tế bào mô đối dòng điện xoay chiều 117 4.6.3 Tổng điện trở tế bào mô 119 4.6.4 Cơ chế phân cực hệ thống sống 119 4.6.5 Ứng dụng phương pháp đo độ dẫn điện sinh học y học 121 Chương - HIỆN TƯỢNG ÂM TRÊN CƠ THỂ SỐNG 123 5.1 DAO ĐỘNG VÀ SÓNG TRONG VẬT LÝ 123 5.1.1 Các loại dao động tính chất chung chúng 123 5.1.2 Sóng học, sóng âm Hiệu ứng Doppler 126 5.2 LÝ SINH QUÁ TRÌNH NGHE 133 5.2.1 Sơ lược quan cảm thụ nghe cảm giác âm 133 5.2.2 Cơ chế trình nghe 137 5.3 ỨNG DỤNG ÂM VÀ SIÊU ÂM TRONG Y SINH HỌC 140 5.3.1 Phương pháp âm chẩn đoán bệnh 140 5.3.2 Ứng dụng siêu âm ngành Y 141 Chương - QUANG SINH HỌC 146 6.1 BẢN CHẤT CỦA ÁNH SÁNG 146 6.1.1 Những lý thuyết 146 6.1.2 Thuyết sóng điện từ 147 6.1.3 Thuyết lượng tử ánh sáng 148 6.1.4 Các mức lượng điện tử nguyên tử 149 6.2 CÁC GIAI ĐOẠN CƠ BẢN CỦA QUÁ TRÌNH QUANG SINH HỌC 149 6.2.1 Quy luật hấp thụ ánh sáng 151 6.2.2 Sự phát quang 153 6.2.3 Sự di chuyển lượng hệ sinh vật 158 6.2.4 Phản ứng quang hóa 159 6.3 MỘT SỐ TÁC DỤNG CỦA ÁNH SÁNG LÊN CƠ THỂ SỐNG 162 6.3.1 Tác dụng quang động lực 162 6.3.2 Tia tử ngoại hiệu ứng sinh học 164 6.4 LÝ SINH THỊ GIÁC 167 6.4.1 Sơ lược cấu trúc giải phẩu quan thị giác 167 6.4.2 Cơ chế quang hóa thụ cảm ánh sáng xảy võng mạc 169 6.4.3 Một số tượng đặc biệt 171 6.5 PHƯƠNG PHÁP QUANG PHỔ HẤP THỤ PHÂN TỬ 172 6.5.1 Cơ sở vật lý 172 6.5.2 Các ứng dụng 174 6.5.3 Ưu điểm phép phân tích quang phổ 176 Chương - BỨC XẠ ION HÓA VÀ CƠ THỂ SỐNG 178 7.1 ĐẠI CƯƠNG VỀ BỨC XẠ ION HÓA 178 7.1.1 Các nguồn xạ ion hóa 178 7.1.2 Bức xạ ion hóa có chất sóng điện từ 178 7.1.3 Bức xạ ion hóa có chất hạt 180 7.2 TÁC DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA LÊN VẬT CHẤT 182 7.2.1 Tác dụng xạ ion hóa có chất sóng điện từ 182 7.2.2 Tác dụng xạ ion hóa có chất hạt 184 7.2.3 Những đơn vị đo liều lượng 186 7.3 TÁC DỤNG SINH HỌC CỦA BỨC XẠ ION HÓA 187 7.3.1 Cơ chế chung tác dụng sinh học xạ ion hóa 189 7.3.2 Tổn thương xạ ion hóa 191 7.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học xạ ion hóa 195 7.4 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA 198 7.4.1 Phân tích cấu trúc vật chất tia X 198 7.4.2 Ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học 201 7.5 AN TOÀN PHÓNG XẠ 202 7.5.1 Khái niệm 202 7.5.2 Chiếu xạ nhiễm xạ 203 7.5.3 Các nguyên tắc kiểm soát an toàn phóng xạ 204 7.5.4 Các biện pháp đảm bảo an toàn phóng xạ 205 TÀI LIỆU THAM KHẢO 209 MỞ ĐẦU MỤC TIÊU MÔN HỌC Lý sinh môn học sở giảng dạy cho sinh viên năm thứ ngành Bác sỹ đa khoa hệ quy khoa Y Dược - Trường Đại học Tây Nguyên Đây môn khoa học cần thiết cho người nghiên cứu lĩnh vực sinh vật học y sinh học Để đáp ứng nhu cầu học tập sinh viên, biên soạn tập giảng Lý sinh nhằm mục đích cung cấp kiến thức Lý sinh nhằm đưa người học vươn tới mục tiêu tổng quát sau: Trình bày khái niệm Lý sinh học Giải thích chế vật lý trình sinh học Áp dụng kiến thức học vào thực tế học tập nghiên cứu Trình bày số phương pháp vật lý sử dụng nghiên cứu lý sinh Có kỹ làm việc với số thiết bị đo lường lý sinh đại MỘT SỐ KHÁI NIỆM Thế giới tự nhiên chất vật chất Vật chất tồn khách quan, tác động vào giác quan gây cho ta cảm giác Vật chất tồn dạng chất trường, vận động không ngừng, nhiều dạng hình Vận động phương thức tồn vật chất, thuộc tính bên trong, bao gồm biến đổi, trình xảy tự nhiên từ di chuyển đơn giản đến tư phức tạp Nghiên cứu giới tự nhiên, tức nghiên cứu giới vật chất Mục đích môn khoa học tự nhiên nghiên cứu dạng vận động vật chất để tìm qui luật biến đổi nó, hiểu chất trình, chinh phục sử dụng phục vụ đời sống người Căn vào dạng vận động cụ thể vật chất, người ta phân loại môn khoa học tự nhiên như: Vật lý, Hóa học, Sinh học… Vật lý học môn khoa học nghiên cứu dạng vận động tổng quát giới vật chất không gian thời gian, với khái niệm liên hệ lượng lực Đối tượng nghiên cứu dạng vận động vật lý, bao gồm: vận động cơ, vận động hấp dẫn, vận động nhiệt, vận động điện từ, vận động nguyên tử, vận động hạt nhân Phương pháp nghiên cứu vật lý học gồm có hai phương pháp chính:  Phương pháp quan sát thí nghiệm: Tiến hành lập nên mô hình thí nghiệm cho tượng, lặp lại thí nghiệm, thay đổi điều kiện chi phối tượng rút kết luận có tính quy luật tượng Phương pháp nhằm tìm định luật vật lý: mô tả chất, mối liên hệ thuộc tính tượng tự nhiên  Phương pháp lý thuyết: Để giải thích tính chất, định luật tượng, người ta đưa giả thuyết, mô chất tượng Xây dựng nên giả thuyết thường kèm theo đơn giản hóa, sơ đồ hóa tượng Sự đắn giả thuyết, tùy thuộc vào mức độ phù hợp với thực nghiệm kết suy từ giả thuyết Sinh học môn khoa học sống Nó nhánh khoa học tự nhiên, tập trung nghiên cứu cá thể sống, mối quan hệ chúng với môi trường Đối tượng nghiên cứu sinh học cách tổng quát thể sống mối liên hệ thể sống với môi trường Cụ thể là: Cấu trúc sống, cấu trúc chức thể sống, đa dạng tiến hóa sinh vật mối quan hệ hữu sinh Không sử dụng công thức toán học để miêu tả trình sinh lý hệ thống sinh học vật lý học, sinh học sử dụng hệ thống khái niệm nguyên lý riêng bao gồm: tính phổ biến (universality), tiến hóa (evolution), tính đa dạng (diversity), tính liên tục (continuity), trạng thái cân nội môi mối quan hệ hữu (interactions) Trong trình phát triển khoa học, gắn kết môn khoa học tự nhiên quan tâm nhà khoa học để tìm chất chung tượng tự nhiên Do vậy, môn khoa học liên ngành hóa lý, hóa sinh, lý sinh đời Lý sinh học môn khoa học ứng dụng nguyên tắc vật lý hóa học với phương pháp toán học thống kê mô hình máy tính để tìm hiểu hoạt động hệ thống sống Từ khái niệm ta nhận thấy rằng:  Mục đích lý sinh học tìm hiểu vai trò quy luật vật lý, hóa lý chi phối trình xảy tổ chức sống từ mức độ phân tử, tế bào đến thể  Để hiểu lý sinh cần có vốn kiến thức định môn khoa học khác sinh học, vật lý, hóa học, toán học thống kê…  Về đối tượng nghiên cứu, lý sinh có đối tượng nghiên cứu gần với sinh học Về phương pháp nghiên cứu lý sinh gần với vật lý học Về tổng thể, thấy rằng, ta dùng vật lý học để hiểu biết sinh học làm ngược lại mồ hôi biến đổi màu sắc tích nhiều sắc tố bề mặt da Trong viêm ướt, tổ chức da bị loét, nhiễm trùng hoại tử tổ chức xuống mô sâu Các tổn thương da phụ thuộc vào liều lượng Liều lượng lần 10 Gy gây viêm đỏ da, liều 15 Gy gây khô liều 30 Gy gây hoại tử da Tùy vị trí niêm mạc bị tổn thương mà có triệu chứng khác nhau: niêm mạc dày, ruột, đường hô hấp Tổn thương niêm mạc gây ảnh hưởng đến việc tiết dịch Liều 25 – 45 Gy gây vết loét dày, ruột Tổn thương viêm loét giác mạc, đục thủy tinh gây hậu mù lòa 7.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng sinh học xạ ion hóa 7.3.3.1 Các yếu tố thuộc chiếu xạ Ảnh hưởng chất lượng tia Tác dụng sinh học chùm tia phụ thuộc vào số lượng cặp ion hóa tạo tổ chức sinh học tương tác Khả ion hóa phụ thuộc vào chất tia lượng tia Ở đây, khả ion hóa tia xạ đặc trưng đại lượng truyền lượng tuyến tính LET, giá trị LET lớn số lượng cặp ion hóa nhiều, tác dụng sinh học tia lớn Ngoài ra, tia xạ ion hóa khác lại có khả xuyên sâu qua tổ chức khác Cùng tia lượng tia lớn khả xuyên sâu nhiều, giá trị LET lớn, tác dụng sinh học tia khác Ảnh hưởng liều lượng, suất liều yếu tố thời gian Liều chiếu yếu tố quan trọng định tính chất tổn thương sau chiếu xạ Liều lớn, tổn thương nặng xuất sớm Bảng 7-1 Đáp ứng liều – hiệu ứng sau chiếu xạ toàn thân Liều 0,1 Gy Gy Hiệu ứng Không có dấu hiệu tổn thương lâm sàng Tăng sai lạc nhiễm sắc thể phát Xuất bệnh nhiễm xạ số – 7% thể sau chiếu xạ Rụng lông, tóc, đục thủy tinh thể, giảm bạch cầu, xuất ban đỏ da – Gy Bệnh nhiễm xạ gặp hầu hết đối tượng bị chiếu Tử vong 10 – 30% số thể sau chiếu xạ 195 Giảm bạch cầu nghiêm trọng, ban xuất huyết, xuất huyết, nhiễm khuẩn, rụng – Gy lông, tóc Tử vong 50% số cá thể sau chiếu xạ Vô sinh lâu dài nam nữ Tử vong 50% số thể bị chiếu, Gy chí trường hợp điều trị tốt Việc phối hợp ảnh hưởng liều lượng yếu tố thời gian có vai trò quan trọng Thực nghiệm cho thấy rằng, chiếu toàn thân chuột liều 25r ta không quan sát thấy tổn thương Nếu chiu liều liên tục 10 ngày đến ngày cuối xuất triệu chứng chiếu lần với liều lượng 250r Nếu giảm liều xuống 5r/lần phải sau 60 lần chiếu thấy tổn thương Như vậy, có tượng tích lũy liều thể chuột để cuối tổn thương xuất tương đương với tổn thương liều tổng cộng Nhưng giảm suất liều xuống 3r/lần 1r/lần không thấy tổn thương xuất dù liều tổng cộng lên tới 250r – 300r Như vậy, với liều lượng chia nhỏ rải thời gian dài tác dụng sinh học giảm Đó ảnh hưởng thời gian Suất liều nhỏ thời gian lần chiếu dài tổn thương khả phục hồi lớn Bảng 7-2 Ảnh hưởng tốc độ chiếu đến tác dụng sinh học xạ ion hóa Liều lượng (r) Tốc độ chiếu (r/h) Thời gian chiếu (h) Tỷ lệ chết (%) 772 2539 0,3 50 785 896 0,88 50 800 240 3,3 50 1010 87 11,6 50 1281 37 31,9 50 1658 276 50 2760 4,7 576 50 Tùy mục đích công việc, tùy mô đối tượng nghiên cứu mà người ta lựa chọn liều lượng tổng cộng, suất liều thời gian cách quãng hai lần chiếu thích hợp công việc thực tế Trong điều trị chiếu xạ, để đạt tác dụng điều trị định trước cần phải có tổng liều tích lũy đủ lớn suất liều thích hợp thời gian chiếu kéo dài 196 7.3.3.2 Các yếu tố gắn với đối tượng chiếu xạ Diện tích chiếu: Mức độ tổn thương sau chiếu xạ phụ thuộc nhiều vào diện tích chiếu, chiếu phần (chiếu cục bộ) hay toàn thể Liều tử vong chiếu xạ toàn thân thường thấp nhiều so với chiếu xạ cục Hàm lượng nước: Trong chế gián tiếp, xạ ion hóa tạo gốc tự OH*, H* chất oxy hóa mạnh H2O2, phản ứng mạnh với phân tử sinh học Ngoài nhờ có nước mà gốc tự H2O2 di chuyển xa, làm cho hiệu ứng sinh học lan rộng Oxy: Tác dụng sinh học xạ ion hóa tăng lên môi trường có nhiều oxy, lúc lượng chất oxy hóa H2O2 tăng lên oxy tạo peroxyd hoạt động mạnh (cơ chế gián tiếp có mặt oxy) Cần lưu ý hiệu ứng oxy xuất có mặt lúc chiếu xạ, thời gian tồn gốc tự ngắn Nhiệt độ: Hạ nhiệt độ môi trường, tác dụng sinh học xạ ion hóa giảm gốc tự H2O2 giảm chuyển động nhiệt giảm phản ứng hóa học Hạ nhiệt độ đến đóng băng, tác dụng xạ ion hóa giảm hẳn kể có mặt nước 7.3.3.3 Các chất bảo vệ Các chất bảo vệ làm giảm tác dụng xạ ion hóa theo chế:  Cạnh tranh lượng chất bảo vệ phân tử cấu tạo tổ chức Năng lượng chùm tia truyền cho phân tử chất bảo vệ, từ chuyển thành dạng lượng nhiệt quang thoát  Các phân tử cấu tạo hấp thụ lượng bị chuyển thành dạng Ở dạng chúng tương tác với phân tử chất bảo vệ truyền lượng cho chất bảo vệ, trở lại cấu trúc ban đầu  Các chất bảo vệ khử gốc tự tạo thành sau chiếu xạ, làm giảm tác động xạ  Một số chất bảo vệ có tác dụng làm tăng phản ứng tự vệ thể co mạch, tăng cường trao đổi chất, tăng tiết độc tố, tăng phản ứng oxy hóa làm giảm lượng oxy nước tổ chức, bảo vệ thể trước tác dụng độc tố tạo sau bị chiếu xạ Tuy chất bảo vệ tác dụng với hiệu ứng đột biến thường lại độc với thể 197 MỘT SỐ ỨNG DỤNG CỦA BỨC XẠ ION HÓA 7.4 7.4.1 Phân tích cấu trúc vật chất tia X 7.4.1.1 Phân tích cấu trúc vĩ mô vật chất Nguyên lý ứng dụng  Cơ sở phương pháp phân tích vĩ mô quy luật hấp thụ tia X phụ thuộc hệ số hấp thụ vào đặc tính cấu trúc vật cần nghiên cứu Hình 7-14 Quy luật hấp thụ tia X Nếu chiếu chùm tia X song song có cường độ I0 tới lớp vật chất có bề dày x Cường độ chùm tia lo sau lớp vật chất I Quy luật hấp thụ: 𝐼 = 𝐼0 𝑒 −𝜇.𝑥 Trong e số tự nhiên  hệ số hấp thụ bậc phụ thuộc vào đặc tính cấu trúc vật chất  Sơ đồ khối phương pháp phân tích sau: Hình 7-15 Sơ đồ khối phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mô vật chất tia X Khối phát chùm tia X cường độ đồng phủ kính đối tượng nghiên cứu (khối 2) Chùm tia X sau qua đối tượng nghiên cứu, bị hấp thụ khác vùng khác tiết diện, tạo ảnh ẩn cấu trúc bên vật Khối huỳnh quang phim ảnh có nhiệm vụ biến ảnh ẩn thành ảnh hiện, biểu thị cường độ ánh sáng huỳnh quang mức độ sáng tối phim ảnh Phương pháp sở việc chẩn đoán tia Roentgen (chẩn đoán X quang) y tế Bằng thủ thuật khác nhau, người ta làm cho hình ảnh rõ nét, phân tích cấu trúc lớp vật chất nằm song đối tượng nghiên cứu Kỹ thuật chụp cắt lớp tia X (computerized tomography: C.T scanner) ứng dụng nhiều y học để chẩn đoán bệnh 198 Trong C.T Scanner người ta cho chùm tia X chiếu xoay quanh bệnh nhân Khi qua khỏi thể bệnh nhân, chùm tia tiếp nhận phận điện tử có độ nhạy cao gấp 100 lần so với phim X quang Sự di chuyển ngược hướng vận tốc ống phóng tia phim chụp làm cho vị trí phim ảnh điểm thuộc lớp vật giữ nguyên Do đó, hình ảnh thu rõ không bị chồng lấn Nhờ hệ thống máy tính thu nhận tái tạo hình ảnh tia X phát bình diện khác thể Do đó, thu hình ảnh khác theo “lớp cắt” dọc, ngang… Hình 7-16 Sơ đồ nguyên tắc chụp cắt lớp tia X 7.4.1.2 Phân tích cấu trúc vi mô vật chất Tia Roentgen (tia X) có chất sóng điện từ sóng ánh sáng nên có tượng phản xạ, khúc xạ, nhiễu xạ giao thoa gặp điều kiện tích hợp Một số vật chất có cấu tạo tinh thể, tức có cấu trúc mạng không gian mà nút mạng nguyên tử ion Khoảng cách ion cạnh khoảng 2,8.10-8cm, tương đương với bước sóng tia X Năm 1912, Laue Bragg tiến hành thí nghiệm tượng nhiễu vạ giao thoa tia X mạng tinh thể Kết là: - Nếu chiếu chùm tia X đơn sắc song song vào mạng tinh thể nguyên tử nút mạng trở thành trung tâm tán xạ theo hướng (hình 6-.) - Các tia có hiệu số khoảng cách trung tâm tán xạ ảnh số nguyên lần bước sóng tia hình xuất cực đại giao thoa Khi có số lớn trung tâm tán xạ đạt điều kiện cường độ tổng cộng đạt tới giá trị I 𝑛 𝐼 = (∑ 𝐸𝑖 ) 𝑖=1 Ii tỷ lệ thuận với bình phương cường độ điện trường Ei điểm 199 Hình 7-17 Thí nghiệm tượng nhiễu vạ giao thoa tia X mạng tinh thể (Laue Bragg) Các tia tới 1, song song, tạo tia phản xạ 1’, 2’ từ nguyên tử mặt phẳng mạng cạnh Chỉ tia xác định phương (đặc trưng góc ) có cực đại giao thoa hiệu đường tia phản xạ phát từ nguyên tử số nguyên lần bước sóng  theo hệ thức sau: 2𝑑 𝑠𝑖𝑛𝜃 = 𝑘𝜆 Như vậy, để cường độ giao thoa đạt cực đại tiến hành hai cách sau: - Thay đổi liên tục bước sóng  có giá trị  làm cho hệ thức thõa mãn - Quay tinh thể xung quanh trục định để làm cho góc  thay đổi có giá trị thõa mãn điều kiện Dựa vào nguyên tắc đó, ta xác định khoảng cách góc không gian phần tử mạng tinh thể Bằng kỹ thuật xác định cấu trúc nhiều phân tử sinh học phức tạp b) a) Hình 7-18 a) Sơ đồ phân tích cấu trúc phân tử DNA; b) Ảnh thu 200 7.4.2 Ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học 7.4.2.1 Phương pháp đánh dấu phóng xạ Đây kỹ thuật ứng dụng rộng rãi chẩn đoán điều trị bệnh Cơ sở phương pháp dựa vào đặc điểm sau đây:  Đồng vị phóng xạ đồng vị bền chịu trình sinh lý sinh hóa tổ chức sống  Khối lượng chất đánh dấu thường nhỏ không gây nên ảnh hưởng đến hoạt tính tổ chức sống  Các kỹ thuật áp dụng thường không gây thương tổn cao tiêm tĩnh mạch  Liều chiếu dùng cho bệnh nhân thường nhỏ nghiệm pháp tương đương dùng tia X, khảo sát ghi hình nhiều lần với liều chiếu Một chất đánh dấu lý tưởng cần thỏa mãn đặc tính sau:  Có tính chất hoàn toàn giống đối tượng cần khảo sát  Được hấp thụ hoàn toàn, nhanh chóng riêng mô, quan cần khảo sát  Nồng độ thay đổi chỗ suốt trình khảo sát  Nhanh chóng hoàn toàn đào thải sau khảo sát xong  Bức xạ phát dễ dàng ghi đo phương tiện sẵn có  Tạo liều hấp thụ thấp Các ứng dụng phương pháp đánh dấu phóng xạ kể đến là:  Thăm dò chức tế bào, mô, quan hay hệ thống thể sống: Nghiệm pháp bao gồm thăm dò chức hấp thụ, chuyển hóa đào thải; động học trình tuần hoàn, tiết niệu…; hàm lượng nồng độ yếu tố thành phần hợp chất sinh học đối tượng khảo sát Từ giá trị nồng độ cho phép đánh giá chức tổ chức sống hay quan  Định lượng kỹ thuật RIA IRMA: Đây thực chất kỹ thuật thăm dò chức tuyến nội tiết, mô hay phủ tạng Tuy nhiên, sở khoa học khả ứng dụng mà tách riêng thành nội dung y học hạt nhân Nguyên lý phương pháp khả kết hợp kháng nguyên đánh dấu không đánh dấu với kháng thể Kỹ thuật cho phép định lượng đến cỡ nanogram (10-9g) pictogram (10-12g)  Ghi hình phóng xạ: Kỹ thuật cho phép ghi hình ảnh mô, phủ tạng tổn thương bên thể xạ phát từ chúng Kỹ thuật chụp cắt lớp xạ photon phát từ đồng vị phóng xạ gắn vào đối tượng cần ghi SPECT 201 (Single Photon Emission Computerized Tomography) kỹ thuật chụp cắt lớp chùm positron PET (Positron Emission Tomography) cho thông tin thay đổi chức nhiều cấu trúc đối tượng, cho phép chẩn đoán sớm tượng bệnh lý 7.4.2.2 Phương pháp dùng nguồn chiếu xạ  Dùng nguồn chiếu xạ để chẩn đoán bệnh: phương pháp định lượng yếu tố vi, đa lượng mẫu sinh học cách chiếu tia tạo phản ứng hạt nhân thích hợp Kỹ thuật định lượng kích hoạt neutron (Neutron Activization Analysis) dựa sở biến đồng vị bền thành đồng vị phóng xạ cách bắn neutron thích hợp vào đồng vị bền Từ xác định hàm lượng đồng vị bền cách đo đếm phóng xạ phát từ đồng vị phóng xạ  Dùng nguồn chiếu điều trị: Phương pháp sử dụng tác dụng sinh học xạ ion hóa lên mầm bệnh tế bào bệnh Bao gồm:  Điều trị chiếu (Teletherapy): Với việc sử dụng tia X, tia gamma cứng máy gia tốc để diệt tế bào ung thư  Điều trị áp sát (Brachytherapy): Bao gồm lưỡi dao gamma, nguồn kín nguồn hở sử dụng đồng vị phát bêta cứng gamma mềm Nó bao gồm kỹ thuật đơn giản để trị bệnh da kỹ thuật phức tạp để đưa nguồn xạ vào khối u  Điều trị nguồn hở (Curietherapy): Dựa vào hoạt tính chuyển hóa bình thường thay đổi bệnh lý, người ta cho nguồn hở phóng xạ vào tổ chức đích bị bệnh để điều trị  Dùng nguồn chiếu xạ sinh học: Tiêu diệt nấm mốc, vi sinh vật gây hại; Kích thích trồng, hạt giống gây đột biến gen có lợi để tạo giống 7.5 AN TOÀN PHÓNG XẠ 7.5.1 Khái niệm Nguồn xạ tự nhiên: Con người thường xuyên bị chiếu xạ từ xạ vũ trụ, xạ mặt đất chiếu xạ bên chất xạ từ thức ăn, nước uống, không khí vào… Nguồn xạ nhân tạo: Ngoài bị chiếu xạ nhân tạo khám X quang, khám điều trị đồng vị phóng xạ, đồng hồ đeo tay có quang, ti vi… Như vậy, xạ ion hóa chất phóng xạ thuộc tính tự nhiên vĩnh viễn môi trường, nguy liên quan đến xạ dạng bị hạn chế loại bỏ hoàn toàn 202 Khái niệm an toàn phóng xạ: An toàn phóng xạ việc đảm bảo an toàn cho người sử dụng môi trường phương diện phóng xạ cách áp dụng tiêu chuẩn an toàn phóng xạ thống toàn cầu Nhiệm vụ an toàn phóng xạ: ngăn ngừa hạn chế tác hại tia phóng xạ lên thể tránh làm ô nhiễm môi trường sống việc hiểu nắm vững nguyên tắc an toàn phóng xạ Những nguyên lý ICRP INSAG (nhóm tư vấn an toàn hạt nhân) sau:  Những công việc tiếp xúc với nguồn xạ, chấp nhận tạo lợi ích đáng kể cho cá thể cho xã hội mà lợi ích nhiều mức độ thiệt hại có xạ gây  Các sở xạ, nguồn xạ phải thiết kế che chắn có biện pháp bảo vệ tốt cho nhân viên, bệnh nhân nhân dân xung quanh nhằm giảm thấp tối đa suất liều chiếu mà đáp ứng yêu cầu ứng dụng  Pháp nhân làm việc liên quan đến nguồn xạ phải chịu trách nhiệm hàng đầu bảo vệ an toàn  Văn hóa an toàn cần nhận thức sâu sắc để đạo thái độ thói quen việc bảo vệ an toàn xạ nhân tổ chức liên quan  Các sở xạ cần có quy định vận hành nguồn, thiết bị để tránh sai sót có biện pháp bảo vệ an toàn  Cần phải quản lý đắn, xác có kỹ thuật hợp lý, bảo đảm chất lượng thường xuyên bổ sung huấn luyện trình độ nhân viên cập nhật với kiến thức giới để đánh giá toàn diện an toàn ý đến học từ kinh nghiệm nghiên cứu 7.5.2 Chiếu xạ nhiễm xạ Nguồn xạ kín: nguồn có kết cấu kín chắn không để chất phóng xạ lọt môi trường sử dụng, bảo quản vận chuyển nguồn xạ kín nguồn Co60, Cs137, kim Radi để điều trị ung thư Nguồn tập trung sở điều trị ung thư tia xạ… Vấn đề an toàn đề phòng nguy bị chiếu Nguồn xạ hở: nguồn kết cấu kín dạng nước, dạng bột hay dạng khí Chúng ta tiếp xúc chủ yếu với nguồn phóng xạ hở sở y học hạt nhân Khi làm việc với nguồn phóng xạ hở, việc đề phòng nguy bị chiếu phải đề phòng nguy bị chất phóng xạ xâm nhập vào bên thể (nhiễm xạ trong) 203 Chiếu xạ: Chiếu xạ có nguồn phát xạ rọi vào thể (nguồn kín) Loại xạ xạ nguyên cấp thứ cấp Trong thực tế người vật thể bị chiếu tia X gamma trở thành nguồn phát xạ thứ cấp, giảm yếu tỏa nhiều hướng Nhiễm xạ: xảy chất phóng xạ nguồn không đóng kín, rơi vãi môi trường hay bề mặt mà ta không muốn có  Nhiễm xạ xảy chất phóng xạ bám bề mặt thể gây chiếu xạ  Nhiễm xạ chất phóng xạ xâm nhập vào thể gây chiếu xạ 7.5.3 Các nguyên tắc kiểm soát an toàn phóng xạ Để kiểm soát an toàn phóng xạ, IRCP phân loại thành vùng:  Vùng không kiểm soát: suất liều không vượt 1,0µSv/giờ Nhân viên làm việc 40 tuần 50 tuần năm mà không vượt 2mSv/năm  Vùng giám sát: vùng có suất liều không vượt 1,0µSv/giờ trở lên, nhân viên làm việc không vượt 3/10 suất liều giới hạn năm Nhân viên làm việc phải đeo liều kế cá nhân thường xuyên vùng đối tượng để giám sát  Vùng kiểm soát: vùng có suất liều vượt 3µSv/giờ Nhân viên làm việc vùng kiểm soát người xếp nhóm A, đối tượng phải giám sát y tế, thường xuyên để máy đo suất liều xạ hoạt động  Vùng cấm: vùng có suất liều 10µSv/ Những đường dẫn vào khu vực phải có biển báo thận trọng phóng xạ đặc biệt, giới hạn thời gian làm việc dùng thiết bị an toàn để bảo vệ có máy đo suất liều hoạt động có nhân viên làm việc 7.5.3.1 Chiếu xạ nghề nghiệp Liều giới hạn 20mSv/năm (cho chiếu xạ chiếu xạ trong) Một số điểm cần lưu ý:  Có thể chấp nhận liều tố đa 50mSv/năm năm năm liên tiếp liều chiếu trung bình phải đảm bảo 20mSv/năm  Đối với công việc cứu chữa khẩn cấp, liều chiếu cho phép 500mSv cho lần suốt trình hoạt động nghề nghiệp  Giới hạn liều không khác cho nam nữ Phụ nữ có thai cho bú không tiếp xúc với nguồn xạ hở Liều giới hạn suốt trình mang thai 2mSv 7.5.3.2 Chiếu xạ dân cư Liều giới hạn 1mSv/năm Trong trường hợp đặc biệt chấp nhận tăng liều năm vòng năm phải đảm bảo trung bình 1mSv/năm 204 Các tiêu chuẩn thiết lập liên quan tới chiếu xạ Trường hợp có nguy chiếu xạ trong, bên cạnh tiêu chuẩn cần xác lập số tiêu chuẩn thứ cấp Các tiêu chuẩn thứ cấp nồng độ tối đa cho phép (NĐTĐCP) Để tính NĐTĐCP cần phải xác định nguồn xạ, đường thâm nhập chất phóng xạ vào thể, xác lập đặc trưng thể người hay số quan đặc hiệu 7.5.4 Các biện pháp đảm bảo an toàn phóng xạ 7.5.4.1 Khi làm việc với nguồn xạ kín Ba biện pháp bảo vệ chống chiếu rọi vào thể  Rút ngắn thời gian tiếp xúc: Là biện pháp đơn giản hiệu đển giảm liều chiếu Biểu thị công thức sau: 𝑇ℎờ𝑖 𝑔𝑖𝑎𝑛 = 𝐿𝑖ề𝑢 𝑐ℎấ𝑝 𝑛ℎậ𝑛 𝑆𝑢ấ𝑡 𝑙𝑖ề𝑢 Thạo nghề yếu tố quan trọng để giảm thời gian tiếp xúc  Tăng khoảng cách với nguồn xạ: Tăng chọn khoảng cách thích hợp để thao tác phương pháp đơn giản để bảo vệ, liều hấp thụ (D) vào thể tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách (r) Biểu thị công thức sau: 𝐷1 𝑟12 = 𝐷2 𝑟22  Bảo vệ che chắn: Theo công dụng, tâm chắn chia làm loại:  Tấm chắn dạng bình (container) chứa: chủ yếu dùng để bảo quản vận chuyển chất phóng xạ trạng thái không làm việc  Tấm chắn thiết bị (glove box, hoot): bao bọc toàn nguồn phát trạng thái làm việc  Tấm chắn di động: bảo vệ nơi làm việc nhân viên, thường di chuyển  Tấm chắn phận công trình: tường, trần, cửa  Tấm chắn bảo hiểm cá nhân: áo giáp, kính chì, quần áo, găng tay, ủng pha chì … Tùy theo chất xạ, vật liệu chắn lựa chọn sau:  Với tia X gamma, vật liệu tốt chì Để giảm giá thành dùng: gang, bê tông trộn barit, bê tông cốt sắt, nước, gạch  Với tia , vật liệu thường dùng thủy tinh thường, thủy tinh hữu pha chì, chất dẻo, nhôm  Với nguồn neutron mạnh cần vật liệu có chứa số lớn nguyên tử hydro (bê tông, nước) Bor, cadmi, chì 205 Công suất liều dạng xạ định chiều dày nguồn nguyên liệu chắn 7.5.4.2 Khi làm việc với nguồn xạ hở Phải thực hai biện pháp: an toàn chống chiều an toàn chống chiều Như vậy, cần thực tất biện pháp với nguồn xạ kín cần lưu ý thêm biện pháp sau đây:  Phân vùng làm việc Nhằm cách li công việc có tiếp xúc với nguồn xạ khỏi công việc có chức khác Vùng làm việc phân theo nguyên tắc: liều xạ giảm dần từ từ lên  Thông khí Nhằm giữ cho nơi làm việc có hoạt tính phóng xạ thấp Nguyên tắc chung: không thổi khí nơi có hoạt tính cao đến nơi có hoạt tính thấp Kết hợp thông khí với lọc khí để giữ bụi khí có hoạt tính phóng xạ  Thường xuyên kiểm tra ô nhiễm phóng xạ Đo ô nhiễm bề mặt làm việc: Dùng detector GM, nhấp nháy, buồng ion … rà bề mặt làm việc Với tia , máy không cao 5mm tốc độ nhỏ 15cm/s; với tia  khoảng cách 2,5 – 5cm 10 – 15cm/s Đo nhiễm xạ thể: Đo nhiễm xạ với máy phát phóng xạ rà quần áo, da Đo nhiễm xạ trực tiếp máy đếm toàn thân gián tiếp cách đo hoạt tính vật phẩm sinh học: máu, nước tiểu, mồ hôi …  Xử lý chất thải phóng xạ Đối với chất thải rắn (bơm kim tiêm, dụng cụ thủy tinh đựng chất phóng xạ bị vỡ, giấy, dùng pha chế liều…): thu gom bao bì dẻo đưa vào bể thải ngày Bể thải xây cất riêng biệt, che chắn, bảo vệ chờ phân rã đến mức quy định, chuyển thành rác thường Đối với chất thải lỏng chẩn đoán vào điều trị (dung dịch dược chất phóng xạ thừa, nước rửa dụng cụ, chất thải bệnh nhân, nước giặt…): đưa vào hệ thống cống thải với liều 15mCi Trường liều cao cần đưa vào hố xí có cấu trúc đặc biệt để xử lý riêng 7.5.4.3 Đối với nhân viên xạ  Thực đầy đủ nội quy vệ sinh cá nhân  Khi làm việc phải sử dụng đầy đủ phương tiện phòng hộ cá nhân  Tuân thủ quy định an toàn xạ  Không hút thuốc, ăn uống, trang điểm phòng làm việc có chứa chất phóng xạ 206  Trước khỏi nơi làm việc có chứa chất phóng xạ phải kiểm tra nhiễm bẩn phóng xạ tay, quần áo Nếu bị nhiễm bẩn phóng xạ phải tẩy xạ theo quy định  Theo dõi liều chiếu cá nhân Liều chiếu nhân xác định hàng tháng hàng quý tính liều tích lũy cho năm, cho suốt trình làm việc với xạ Tùy theo loại xạ mà sử dụng loại liều lượng kế khác Các loại sử dụng: Liều kế dùng phim (0,1mSv – 10Sv), Bút đo liều cá nhân (0 – 2mGy; – 50mGy; – 100mGy), Liều kế phát quang (0,1mSv – 100mSv)  Kiểm tra sức khỏe định kỳ TÓM TẮT CHƯƠNG Những xạ có khả trực tiếp hay gián tiếp gây tượng ion hóa vật chất gọi xạ ion hóa Trong tự nhiên, xạ ion hóa chia thành hai loại: Bức xạ ion hóa có chất sóng điện từ xạ ion hóa có chất hạt Bức xạ ion hóa tác dụng lên vật chất theo chế khác tùy thuộc vào chất lượng tia Để đánh giá tác dụng chùm xạ ion hóa lên vật chất người ta dùng đại lượng liều lượng xạ Trên thực tế, người ta dùng hai loại liều lượng là: liều hấp thụ liều chiếu Bức xạ ion hóa tác dụng lên thể sống theo hai chế: Cơ chế trực tiếp chế gián tiếp Hai chế có giá trị quan trọng Bức xạ ion hóa gây nên tổn thương hồi phục không hồi phục phân tử, tế bào, mô thể sống phụ thuộc vào chất lượng tia, liều lượng, suất liều thời gian chiếu Ngoài ra, mức độ tổn thương phụ thuộc vào yếu tố như: diện tích chiếu, hàm lượng nước, oxy, chất bảo vệ nhiệt độ Các loại xạ ion hóa ứng dụng rộng rãi y sinh học mang lại thành tựu đáng kể phục vụ nhu cầu người Tuy nhiên, thiệt hại chúng gây không nhỏ Cho nên cần có nguyên tắc biện pháp đảm bảo an toàn phóng xạ hiệu thống toàn cầu CÂU HỎI ÔN TẬP Phân tích đặc điểm nguồn gốc chất loại xạ ion hóa; Phân tích chế tác dụng xạ ion hóa lên vật chất Ý nghĩa chế tương tác gì? 207 Phân tích chế tác dụng xạ ion hóa lên tổ chức sinh học Vai trò chế nào? Liên hệ với chế tác dụng xạ ion hóa lên vật chất Mô tả tổn thương xạ ion hóa gây nên thể sống mức độ phân tử Vai trò tổn thương nào? Mô tả tổn thương xạ ion hóa gây nên thể sống mức độ tế bào, mô quan Đặc điểm chung tổn thương gì? Phân tích yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng sinh học xạ ion hóa Nguyên tắc ứng dụng đồng vị phóng xạ y sinh học? Ý nghĩa Cơ sở phương pháp phân tích cấu trúc vĩ mô vi mô vật chất? Các ứng dụng nghiên cứu y sinh học Ý nghĩa Trình bày nguyên tắc biện pháp đảm bảo an toàn phóng xạ 10 Anh chị nhận thức vai trò xạ ion hóa nghiên cứu y sinh học nói chung sống Theo anh chị, cần trang bị kiến thức kỹ để người dân phòng tránh tác dụng xạ ion hóa 208 TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Sỹ An (Chủ biên), Lý sinh Y học, NXB Y học, Hà Nội, 2005 Lương Duyên Bình (Chủ biên), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Việt Nam, Hà Nội, 2010 Nguyễn Thị Kim Ngân, Nguyễn Văn An, Lí sinh học, NXB Đại học Sư Phạm, Hà nội, 2004 Nguyễn Thị Kim Ngân, Nguyễn Văn An, Thực hành Lí sinh học, NXB Đại học Sư Phạm, Hà nội, 2004 Đoàn Suy Nghĩ (Chủ biên), Ts Lê Văn Trọng Giáo trình Lý Sinh Học NXB Đại học Huế, Huế, 2006 Nguyễn Thị Quỳ, Lý sinh học (Phần thực tập), NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2002 Bùi Văn Thiện, Nguyễn Quang Đông, Giáo trình Vật lý – Lý sinh y học, Trường Đại học Y Dược Thái Nguyên, 2011 Nguyễn Văn Út, Lý sinh đại cương, Tủ sách Đại học Khoa học Tự nhiên TP Hồ Chí Minh, TP Hồ Chí Minh, 1998 Bộ môn Vật lý, Bài giảng Vật lý – Lý sinh, tập 1, 2, Trường Đại học Y Dược Tp Hồ Chí Minh 10 Vasantha Pattabhi, N Gautham, Biophysics, Kluwer Academic Publishers, New York, London, 2002 11 David L Nelson, Michael M Cox, Lehninger Principles of Biochemistry, Fourth Edition, W H Freeman and Company, 2005 12 Jeremy M Berg, John L Tymoczko & Lubert Stryer, Biochemistry (5th-edition), W H Freeman and Company, 2007 209 ... Khiển Học Sinh Học L Sinh Học Lý KHÍ TƯỢNG HỌC Sinh Khí Tượng Học ĐIỀU KHIỂN HỌC Cơ Năng Học Công Nghệ Sinh Học KỸ THUẬT VẬT LÝ SỰ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN LÝ SINH HỌC Lý sinh học môn khoa học. .. hóa sinh học, toán học, điện tử học khoa học m y tính Vì v y, lý sinh học chuyên ngành riêng di truyền học, hóa sinh học, sinh học phân tử, mà cho thúc đ y bắc cầu liên ngành” SINH HỌC Sinh. .. cứu lý sinh gần với vật lý học Về tổng thể, th y rằng, ta dùng vật lý học để hiểu biết sinh học làm ngược lại VAI TRÒ VẬT LÝ VÀ SINH HỌC TRONG LÝ SINH HỌC Lý sinh môn khoa học liên ngành, vật lý