Chương 16 QUANG SINH HỌC 16.1 CƠ CHẾ HẤP THỤ ÁNH SÁNG VÀ PHÁT SÁNG 16.1.1 Định luật hấp thụ ánh sáng Chiếu chùm ánh sáng đơn sắc, song song tới đập vng góc vào lớp mơi trường giới hạn hai mặt phẳng song song, có bề dày l (Hình 16.1) Gọi cường độ chùm sáng chiếu tới mặt trước I0, phần ánh sáng bị phản xạ tới Hình 16.1 mặt phân cách hai môi trường If, phần ánh sáng bị tán xạ môi trường Ix, phần ánh sáng bị phân tử hấp thụ Ih, phần lại truyền qua khối môi trường It Theo định luật bảo tồn lượng, ta có: I0 = If + Ix + Ih + It (16.1) Giả sử mặt ngăn cách môi trường nhẵn, phẳng tia sáng tới đập vng góc với mặt nên xem phần ánh sáng phản xạ If không đáng kể Môi trường suốt va đồng ánh sáng bị tán xạ bỏ qua Như cịn: I0 = Ih + It (16.2) Để xác định trực tiếp phần lượng ánh sáng bị phân tử môi trường hấp thụ khó, xác định Ih gián tiếp qua việc đo I0 It Định luật Bugơ - Lambe - Bia (Bouguer - Lambert - Bear) cho ta mối liên quan I0 It Giả sử ta xét lớp môi trường có bề dày dx, cách mặt trước mơi trường x Gọi i cường độ chùm sáng tới mặt dx, (i-di) cường độ chùm sáng khỏi lớp dx Như vậy, qua lớp đơn xin, cường độ chùm sáng giảm lượng - di Độ giảm -di cường độ chùm sáng tỷ lệ với i độ dày dx, ta có: - di ~ i, dx Vậy: - di = k.i.dx (16.3) 189 Trong k hệ số tỉ lệ, gọi hệ số hấp thụ môi trường, k phụ thuộc vào chất, mật độ mơi trường, vào bước sóng ánh sáng Giải phương trình vi phân (16.3): It = I0.e-kl (16.4) Biểu thức (4) biểu thức tốn học định luật Bugơ - Lambe Khi chuyển từ số tự nhiên (e) sang số thập phân (10) biểu thức (4) trở thành: It = I0.10-k'l (16.5) Trong k' gọi hệ số tắt, k' = 0.43k Nếu Ix 1 = k' = , hệ số tắt có giá trị nghịch đảo bề dày mà với x I0 10 cường độ ánh sáng yếu 10 lần Trong trường hợp môi trường hấp thụ ánh sáng dung dịch loãng nồng độ C, ta thấy hệ số tắt k' tỷ lệ thuận với C k' = ε C (16.6) ε hệ số tắt dung dịch Hệ số ε không phụ thuộc vào nồng độ, phụ thuộc vào chất chất tan, vào bước sóng ( λ ) ánh sáng chiếu vào dung dịch Phối hợp biểu thức (16.5) (16.6) ta phương trình biểu diễn định luật hấp thụ ánh sáng, định luật Bugơ- Lambe- Bia: It = I0.10 −ε C l (16.7) Định luật chứng tỏ hệ số hấp thụ chất tỷ lệ thuận với khối lượng lớp môi trường mà ánh sáng qua, tức tỷ lệ thuận với số phân tử chất hấp thụ đơn vị độ dài đường truyền sáng Ý nghĩa vật lý định luật khả hấp thụ ánh sáng phân tử khơng phụ thuộc vào có mặt cảu phân tử khác xung quanh Rõ ràng điều với dung dịch loãng Khi nồng độ dung dịch tăng, khoảng cách phân tử giảm, tương tác phân tử không đáng kể, ta thấy có nhiều sai khác so với định luật Bugơ Lambe - Bia Ngoài ra, nhiều trường hợp ε khơng phụ thuộc vào chất tan mà cịn phụ thuộc vào dung môi Điều chứng tỏ tương tác phân tử chất tan phân tử dung môi ảnh hưởng đến hấp thụ dung dịch Vậy điều kiện để áp dụng định luật hấp thụ ánh sáng là: 190 - Chùm sáng phải đơn sắc - Dung dịch đo phải loãng (nằm khoảng nồng độ thich hợp) - Dung dịch phải suốt (trừ chuẩn độ đo quang) - Chất thử phải bền dung dịch bền tác dụng ánh sáng UV-VIS * Một số đại lượng thông dụng - Độ truyền qua (T-Transmittance) Độ truyền qua (hay gọi độ thấu quang) đặc trưng cho độ suốt (về mặt quang học) dung dịch, định nghĩa: T= It =10-ε.C.l I0 (16.8) Thường T tính phần trăm (%) Một chất cho T=1 (hay 100%), nghĩa hồn tồn khơng hấp thụ ánh sáng, người ta nói chất suốt hồn tồn - Độ hấp thụ Độ hấp thụ (hay gọi mật độ quang D - Density, độ tắt E Extinction) định nghĩa: A(D,E) = lg = ε C.l T (16.9) Đối với chất xác định (có ε xác định), thường đo loại cốc đo (có bề dày thông thường l =1 cm) độ hấp thụ tỷ lệ thuận với nồng độ dung dịch: A = K.C (K= ε l) (16.10) Đây sở lý thuyết phương pháp định lượng quang phổ hấp thụ - Hệ số hấp thụ phần trăm (E 11cm % ) Theo công thức A = ε C.l, l = 1cm, C=1% A = ε = E 11cm % ( thường viết tắt E 1) Vậy E11 độ hấp thụ dung dịch có nồng độ 1%, dùng cốc đo có bề dày cm Với chất tan xác định, λ xác định, E11 số - Hệ số hấp thụ phân tử ( ε μ ) Hệ số hấp thụ phân tử, hay gọi hệ số tắt mol, độ hấp thụ dung dịch có nồng độ M/l, dùng cốc đo có đọ dày 1cm 191 Cũng E11, với chất xác định, điều kiện đo xác định ( λ , dung môi, nhiệt độ ), ε μ số Giữa E11 ε μ có mối liên hệ: εμ = E11 M 10 (16.11) Ở M phân tử gam chất tan 16.1.2 Ứng dụng quang phổ hấp thụ phân tử Đa số chất suốt có hệ số hấp thụ k (cũng có nghĩa độ hấp thụ A) thay đổi theo bước sóng ( λ ) Những chất gọi chất hấp thụ lọc lựa Đường cong biểu diễn phụ thuộc độ hấp thụ (A) chất vào bước sóng ánh sáng chiếu vào nó, gọi phổ hấp thụ chất (k, ε , A, D) = f( λ ) (16.12) Phổ hấp thụ chất đặc trưng bỏi hình dạng đường cong hấp thụ, số lượng, vị trí cường độ cực đại Ngày phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử (bao gồm phổ tử ngoại, khả kiến, hồng ngoại - UV, VIS, IR) trở thành phương pháp phân tích thơng dụng phịng thí nghiệm sở nghiên cứu, trường học, trạm kiểm nghiệm, xí nghiệp sản xuất dược phẩm…Sở dĩ phương pháp có ưu điểm sau: Độ xác (precision), độ lặp lại (reproducibility) phương pháp cao Sai số tương đối phương pháp (UV-VIS) nhỏ, thường vào khoảng 0,5-1% Độ nhạy cao phương pháp giúp phân tích dung dịch lỗng cỡ 10-4 μ g/l (cỡ cài chục μ g/ml) thích hợp cho phép phân tích vết (phân tích độc chất) Thời gian phân tích nhanh chóng, cần 5-10 phút cho biết kết Kỹ thuật thao tác đơn giản, máy móc ngày hồn thiện, gon nhẹ, trình độ tự động hố, tin học hoá cao Dưới giới thiệu cách ngắn gọn số lĩnh vực áp dụng phổ hấp thụ phân tử ngành Dược 16.1.2.1 Phân tích định tính 192 Cơ sở lý luận phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ phân tử phụ thuộc phổ chất vào cấu trúc hoá học (cụ thể cấu trúc lớp vỏ phân tử, mối liên kết, nhóm chức cấu hình khơng gian phân tử…).Vì thế, có hai chất đo điều kiện hoàn toàn mà cho phổ (đặc biệt phổ IR) hồn tồn giống xem hai chất có cấu trúc hố học Để phân tích phổ, người ta dựa vào tiêu: - Bước sóng hấp thụ cực đại: sóng: ν = λ nước có λ max (với phổ IR thường dùng đại lượng số (cm-1) Ví dụ, phổ dung dịch vitamin B12 (cyanocobalamin) λ max = 278; 361; 548 nm Phổ dung dịch vitamin B2 (riboflavn) nước có λ max = 223; 267; 375 444 nm - Dựa vào tỷ số độ hấp thụ cực đại cực đại với cực tiểu hấp thụ Thí dụ, với vitamin B12 ta có tỷ số A278/A361 = 0.57; A548/A361 = 0.30 Trong thực tế thường tiến hành so sánh phổ chất khảo sát với phổ chất chuẩn đo điều kiện nhau, so sánh với phổ công bố tài liệu nghiên cứu (catalogue chuyên đề …) Hiện việc dùng phổ hấp thụ hồng ngoại để phân tích có nhiều ưu việt dùng phổ tử ngoại, khả biến, phổ IR cho lượng thơng tin nhiều (phổ IR chất thường có vài chục đỉnh hấp thụ cực đại, phổ UV VIS thường có λ max) Phân tích cấu trúc chất thiếu phương pháp phổ IR 16.1.2.2 Phân tích định lượng Định lượng lĩnh vực ứng dụng chủ yếu phương pháp phổ UV VIS Nhiều chuyên luận Dược điển dùng phương pháp để định lượng hoạt chất Cơ sở phương pháp dựa vào công thức: A = ε C.l Có nhiều kỹ thuật định lượng phổ UV VIS: - Phương pháp đo trực tiếp - Phương pháp so sánh 193 - Phương pháp đường chuẩn - Phương pháp thêm đường chuẩn - Phương pháp chuẩn độ đo quang - Phương pháp quang phổ vi sai - Phương pháp phổ đạo hàm Những phương pháp trình bày kỹ giáo trình khác(phân tích dụng cụ hay chuyên đề sau đại học…) Đặc biệt việc phân tích thành phần hỗn hợp mà tách riêng thành phần ưu điểm phương pháp phân tích phổ UV VIS 16.1.2.3 Máy quang phổ Ở giới thiệu nguyên tắc cấu tạo máy quang phổ UV VIS Các máy gồm khối chức chính, theo sơ đồ khối sau (Hình 2.2) Nguồn phát xạ Hệ tạo ánh sáng đơn sắc Quang kế Ngăn đựng mẫu đo Bộ thu Hình 16.2 Sơ đồ khối máy quang phổ UV VIS - Nguồn phát xạ: gồm có loại đèn nguồn Đèn dây tóc (tungsten) phát ánh sáng vùng phổ kiến có sáng tử ngoại có λ > 320 nm Đèn hydro (hay Deutri - D2) phát ánh λ < 350 nm Đèn Xenon phát ánh sáng có λ = 200-800nm - Hệ đơn sắc (monochromator): Ánh sáng từ nguồn phát ánh sáng đa sắc, có độ đơn sắc chưa cao Để làm đơn sắc ánh sáng, có nhiều cách khác nhau: + Dùng kính lọc cho ta chùm ánh sáng có độ đơn sắc khơng cao, thường dùng quang kế thông thường (photometre) Trong máy quang phổ (spectrophotometre) người ta dùng thiết bị sau + Dùng lăng kính, dựa vào tán sắc ánh sáng để biến ánh sáng đa sắc thành đơn sắc Nếu đo vùng UV phải dùng lăng kính thạch anh + Dùng cách tử (grating) xem phần cách tử nhiễu xạ 194 - Quang kế: Quang kế thực chất hệ thống thiết bị quang học khe sáng, gương, lăng kính, thấu kính để làm chức quang học khác - Ngăn đựng mẫu đo: Có loại ngăn dùng cho máy quang phổ chùm tia, có loại hai ngăn dùng cho máy hai chùm tia Cốc đo có hai loại, loại thuỷ tinh dùng để đo vùng khả biến, loại thạch anh dùng UV VIS Bề dày cốc khác tuỳ theo u cầu đo loại thơng dụng có bề dày cm - Bộ thu xạ: Bộ phận có chức chuyển tín hiệu quang phổ thành tín hiệu điện xử lý tín hiệu để hiển thị kết đo đồng hồ, giấy vẽ phổ hay in máy vi tính Để biến tín hiệu quang thành tín hiệu điện, người ta dùng loại tế bào quang điện, ống nhân quang điện, quang điện trở Một số máy đại dùng mảng diot (diode array) làm xạ (detetor) Các máy quang phổ thường có gắn kết nối với máy vi tính để xử lý tín hiệu đầu máy quang phổ Nhờ công việc phân tích trở nên nhanh chóng, thuận lợi xác nhiều 16.1.3 Cơ chế hấp thụ ánh sáng phát sáng Các phản ứng hóa sinh liền với hấp thụ phát xạ nhiệt Ta giải thích chế hấp thụ phát sáng sở phân tích sơ đồ lượng nguyên tử Dưới tác dụng lượng tử, hay tác dụng xạ nhiệt điện tử nguyên tử hấp thụ lượng chuyển từ mức lượng sang mức lượng cao (mức lượng trạng thái kích thích) Q trình coi q trình tích lũy lượng Nhưng trạng thái trang thái khơng bền vững ln ln có xu hướng trở trạng thái ban đầu (cơ bản) cách giải phóng phần lượng tích lũy dạng nhiệt (dạng không phát quang) lượng dạng lượng lượng tử (dạng phát quang), sử dụng phản ứng quang hóa Tập hợp đường ngang gọi sơ đồ mức lượng, đó: 195 So: mức lượng ứng với trạng thái S0*,S1*,S2*, : mức lượng ứng với trạng thái kích thích Singlet T: mức lượng ứng với trạng thái kích thích Triplet 196 s2* s1* s0* 2 T s0 Hình 16.3 Sơ đồ chuyển mức lượng điện tử hấp thụ phát sáng Trạng thái kích thích Singlet (S) trạng thái lớp điện tử mà tất spin điện tử tạo cặp mômen spin tổng cộng Trạng thái kích thích Triplet (T) trạng thái ứng với mức lượng cấm khơng phải điện tử tạo cặp, hình chiếu tổng mơmen spin phương cho trước nhận giá trị +1,0,-1 Đặc điểm trạng thái kích thích Triplet là: điện tử khơng thể từ trang thái S0 chuyển lên mà chuyển từ trạng thái kích thích Singlet sang bước chuyển khơng phát quang Có dạng phát quang bản: Huỳnh quang lân quang + Huỳnh quang: Là xạ lượng tử ánh sáng điện tử chuyển từ trạng thái kích thích Singlét xuống trạng thái Thời gian nguyên tử (phân tử) tồn trạng thái kích thích Singlét xuống trạng thái Thời gian nguyên tử (phân tử) tồn trạng thái kích thích Singlét vào khoảng 10-9 - 10-8s huỳnh quang tồn khoảng thời gian chiếu sáng vật Theo định luật Stock, lượng photon ánh sáng kích thích lớn lượng photon ánh sáng phát quang hνkt = hνpq + ΔE 197 (16.13) λ pq > λ kt, ΔE lượng cho q trình khơng phải quang học (nhiệt học, hóa học) Sự phụ thuộc cường độ phát quang nguồn vào bước sóng gọi phổ phát quang nguồn Trong phân tử tồn nhiều mức lượng kích thích, điện tử chuyển lên mức phụ thuộc vào lượng lượng tử bị hấp thụ Còn phát quang bắt đầu phân mức lượng thấp Chẳng hạn kích thích phân tử ánh sáng xanh da trời có lượng đáng kể, hiệu phát quang giống kích thích lượng tử ánh sáng màu đỏ có lượng thấp màu ánh sáng phát quang loại phân tử phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng gây nên trạng thái kích thích phân tử - Lân quang: xạ lượng tử ánh sáng phân tử phát chúng chuyển từ trạng thái kích thích Triplet xuống trạng thái Q trình là: Từ trạng thái → kích thích Singlet → kích thích Triplet → Trạng thái Các phân tử sau hấp thụ phải trải qua thời gian xảy tượng lân quang, nghĩa tắt nguồn sáng lân quang cịn phát sáng thời gian đáng kể Ngoài dạng phát quang cịn có tượng phát quang hóa học phát quang sinh học Phát quang hóa học: xảy phân tử tương tác với sinh lượng tử lượng thuộc vùng ánh sáng hồng ngoại, nhìn thấy, tử ngoại - Phát quang sinh học: thuộc loại phát quang hóa học chất q trình men 16.1.4 Sự di chuyển lượng hệ sinh vật Năng lượng lượng tử phân tử hấp thụ giải phóng dạng phát xạ (phát lượng tử), truyền từ phân tử sang phân tử khác, hay từ hệ phân tử sang phân tử khác với khoảng cách xa Chẳng hạn hệ sinh vật có loại phân tử A B Khi chiếu sáng vào hệ sinh vật, phổ hấp thụ vật trùng với phổ hấp thụ phân tử A, sau hệ phát quang phổ phát quang lại trùng với phổ phát quang phân tử B Điều chứng tỏ phân tử A hấp thụ lượng, truyền cho phân tử B, phân tử B phát quang 198 - Đối với máy Xquang thường qui, tất thông tin nằm phim, cịn CTS tồn thơng tin nhớ người điều khiển chỉnh lý máy để chọn hình ảnh có ý nghĩa chẩn đốn Khi cần thiết, người thầy thuốc làm lại hình ảnh phận chụp bệnh nhân - Giống Xquang, đơi CTS bệnh nhân cịn uống tiêm thuốc cản quang để làm bật đối quang 18.2.4 An toàn xạ tia X 18.2.4.1 Bảo vệ cho cán nhân viên * Giảm tối đa tiếp xúc với xạ: - Trước tiến hành chụp chiếu, phải chắn cửa phịng X quang đóng kín - Khơng để chùm tia X rọi vào cửa sổ phòng, trực tiếp rọi vào tường, trừ trường hợp đặc biệt - Tất nhân viên làm việc khơng đứng sau chắn phải mặc áo bảo vệ cần thiết phải đeo găng tay - Các thiết bị che chắn máy X quang cố định X quang động phải bố trí cho che chắn tốt chống xạ khuếch tán - Cán nhân viên X quang cần giữ bệnh nhân chiếu chụp, cần mặc áo bảo vệ, đeo găng tay, đứng sang bên tránh bị máy phát tia X rọi vào trực tiếp - Thiết bị X quang bị hư hỏng khơng dùng, kiểm tra lại thấy đạt tiêu chuẩn sử dụng * Yêu cầu đặc biệt với máy X quang động: Khi máy X quang động đưa khỏi khoa X quang đến buồng bệnh phải tn theo ngun tắc sau đây: - Phải kiểm tra hướng kích cỡ chùm tia X - Phải thiết kế che chắn nơi máy hoạt động - Phải đảm bảo tia X không chiếu vào bệnh nhân khác buồng bệnh (trực tiếp tán xạ) - Người điều khiển máy phải cách xa nguồn bóng phát xạ tối thiểu mét phải mặc quần áo bảo vệ 250 * Chế độ kiểm tra theo dõi: Nhân viên cần đeo phim thiết bị đo liều (bút đo, thiết bị đo nhiệt huỳnh quang ) tất thời gian làm việc Khi mặc quần áo bảo vệ, thiết bị đo liều cần phải đo cài đặt phía áo bảo vệ Nếu nhân viên làm việc phải kiểm tra X quang cho thân phải tháo thiết bị đo liều khỏi người Nếu nhiệt huỳnh quang phải gửi trung tâm kiểm tra đọc kết theo định kỳ, loại bút đo liều tự đọc cần ghi chép tháng sau lại đưa số không để tiếp đo cho tháng sau 18.2.4.2 Bảo vệ cho bệnh nhân * Nguyên tắc chung: Điểm khác người bệnh nhân viên người bệnh nhiều ích lợi chiếu chụp X quang: hiểu bệnh tật thể để có phương hướng xử lý điều trị X quang mang lại lợi ích cho người bệnh nhiều gây hại Nếu thấy chiếu chụp X quang không cần thiết xét nghiệm khác khơng nên dùng X quang Chỉ dùng X quang thấy tốt biện pháp chẩn đốn khác trường hợp bệnh lý Cần cân nhắc lợi hại trẻ em phụ nữ có thai dùng X quang * Biện pháp cụ thể + Giảm thiểu tiếp xúc với phóng xạ: - Nên dùng biện pháp kỹ thuật tốt để hạn chế mức chiếu xạ cho bệnh nhân - Nên chụp phim Chụp với diện tích nhỏ tốt + Phải hướng chùm tia X vào chỗ cần thiết: tránh chiếu vào ngực phận sinh dục + Che chắn: phải dùng chì (khoảng 1mm) che chắn vùng sinh dục phải khám xét phận lân cận Trường hợp bị đa chấn thương, lần khám khơng che chắn làm cho không phát gẫy xương khu vực liên quan 251 + Khoảng cách tiêu cự tối đa: 30 cm, xa tốt + Chất lượng xạ: tăng điện tăng sức đâm xuyên tia X mức chiếu xạ giảm + Lọc: biện pháp giảm xạ lượng yếu tăng lượng trung bình chùm tia X, giảm mức chiếu xạ cho bệnh nhân + Chiếu tia X với bệnh nhân có thai: Chỉ sử dụng phương pháp X quang cho bệnh nhân có thai khơng phương pháp thay thế, phải chiếu chụp X quang cố gắng che chắn giảm thiểu chiếu xạ vào thai 252 Chương 19 PHƯƠNG PHÁP CỘNG HƯỞNG TỪ HẠT NHÂN 19.1 C¬ së vËt lý phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân 19.1.1 Mô men từ hạt nhân Hạt nhân nguyên tử gồm có hai lo¹i h¹t: proton vμ neutron Proton lμ h¹t mang điện tích dơng, giá trị điện tích electron, nhng có khối lợng lớn cỡ hai nghìn lần khối lợng electron Proton tơng tự nh hạt mang điện dơng tự quay tròn, có mômen từ Neutron cịng cã spin, cịng cã m«men tõ, cã thĨ xem neutron nh cầu có điện tích phân bố, tính chung điện tích không (neutron trung hòa điện) nhng quay tạo mômen từ Mômen từ proton v neutron có chênh lƯch chót Ýt, nh−ng rÊt nhá, vμo cì 10-27 A.m2 Hạt nhân có nhiều proton v neutron, mômen từ hạt nhân l tổng hợp (theo quy tắc lợng tử) mômen từ hạt proton v neutron Có hạt nhân có mômen từ lớn, có hạt nhân có mômen từ nhỏ , Hạt nhân H 12 C 13 C 14 N 23 Na 31 P 39 K Sè proton 6 11 15 19 Sè neutron 7 12 16 20 có hạt nhân mômen từ Nhng nói chung, mômen từ hạt nhân nhỏ, vo cỡ phần nghìn mômen từ vỏ electron nguyên tử Vì điều kiện để có cộng B0 hởng từ hạt nhân khác với điều kiện để có đợc cộng hởng từ electron Không thế, ngời ta cã thĨ thùc hiƯn céng h−ëng tõ ®èi víi loại hạt nhân nguyên tử Thí dụ thể, ngời ta thờng đặc biệt ý l hạt nhân nguyên Hình 19.1 Dới tác dụng từ tử hiđro hiđro l hai nguyên tố trờng B0 mômen từ thực chuyển động Larmor cÊu t¹o thμnh n−íc (H2O), mμ n−íc nãi chung l thể chỗ no có Hơn hạt nhân nguyên tử hiđro cho tín hiệu cộng hởng từ mạnh 253 Hạt nhân nguyên tử hiđro đơn giản: có hạt proton, mômen từ hạt nhân hiđrô l mômen từ proton 19.1.2 Cộng hởng từ hạt nhân Hạt nhân có mômen từ l nằm tõ tr−êng B0 , sÏ thùc hiƯn chun → ®éng t sai (chun ®éng Larmor), tøc lμ ®Çu mót vectơ vạch nên đờng tròn quanh phơng B0 Trên hình B0 19.2 biểu diƠn: d−íi t¸c dơng cđa tõ tr−êng → → → B0 mômen từ thực chuyển động B1 Larmor Đây l chuyển động tuần hon, tần số → phơ thc vμo B0 vμ μ Trong tr−êng hỵp Hình 19.2 Từ trờng xoay chiều proton, tần số đợc tính theo công thức B1 vuông góc với Bo, quay quanh → → f = g p μ p B0 (hình 19.1) Bo với tần số góc : B1 tác dụng lên mômen từ m lực tuần hon tần số góc , = o xảy hiƯn t−ỵng céng h−ëng TÝnh nÕu B0 b»ng 1T (Tesla) proton có tần số Larmor l 42,58 MHz Chú ý l sóng vô tuyến có tần số 42,58 MHz lμ øng víi b−íc sãng m, cßn tõ trờng hai cực nam châm vĩnh cưu m¹nh chØ vμo cì 0,2 T → Nh− vËy hạt nhân nằm từ trờng B0 trở thnh hệ dao động với tần số dao động riêng lμ f phơ thc B0 NÕu chiÕu thªm sóng điện từ tần số rađiô thích hợp, biến thiên từ trờng sóng rađiô tạo lm cho hạt nhân dao động cộng hởng Trên hình 19.2 biểu diễn từ trờng xoay chiều B1 vuông góc với Bo, quay quanh Bo với tần số góc : B1 tác dụng lên mômen từ lùc tuÇn hoμn tÇn sè gãc ω, ω = o xảy tợng cộng hởng 254 Cụ thể tr−êng hỵp tõ tr−êng N2 B0 = 1T , đầu mút mômen từ hạt nhân hiđro quay tròn với tần số N1 > N f = 42,58MHz , chiếu thêm vo sóng rađiô với bớc sóng 7m (tức l tần số 42,58 MHz) đầu mút mômen Hình 19.3 Trong từ trờng Bo, N1 từ hạt nhân hiđro quay cịng víi proton cã μ song song víi tõ tr−êng, tần số nh trớc nhng biên độ lớn hơn, N2 proton cã μ ®èi song víi tõ tr−êng ΔN μB0 mômen từ prôtôn nghiêng xa so N với phuơng B0 , tức l nghiêng kT nhiều phơng vuông góc với phơng B0 Nhng thực tế, l thực cộng hởng từ dối với hạt nhân hiđro riêng lẻ m l cộng hởng từ tập hợp hạt nhân hiđro thể tích nμo ®ã, thÝ dơ 1mm3 ë vá n·o Do ta xét tập hợp hạt nhân từ trờng v xét tợng cộng hởng tập hợp 19.1.3 Mômen từ tập hợp hạt nhân thể tích Nếu xét tập hợp nam châm nhỏ nằm từ trờng có chiều xác định nam châm nằm quay dọc theo từ trờng, mômen từ nam ch©m nμy sÏ song song cïng chiỊu víi tõ tr−êng Nhng tập hợp hạt nhân l tập hợp hạt vi mô, tuân theo quy luật lợng tử : nằm từ trờng đa số hạt nhân có mômen từ quay song song chiều với từ trờng nhng có hạt nhân có mômen từ song song nhng ngợc chiều với từ trờng, ngời ta gọi l nhũng mômen từ đối song → C¸c phÐp tÝnh to¸n cho thÊy nÕu từ trờng B0 tổng cộng có N hạt nhân có N1 hạt nhân có mômen từ song song v N2 hạt nhân có mômen từ đối song → (Trong tõ tr−êng Bo, N1 proton cã μ song song víi tõ tr−êng, N2 proton cã μ ®èi song víi tõ tr−êng ΔN μB0 ≈ , h×nh 19.3), N1 lớn N2 v tỉ số chênh lệch N kT ΔN N1 − N cã thÓ tÝnh theo công thức gần : = N N 255 ΔN μB0 ≈ víi B0 lμ c−êng ®é tõ tr−êng tác dụng, l mômen từ hạt N kT nhân, k l số Boltzmann, T l nhiệt độ tuyệt đối Tính ra, nhiệt độ phòng T = 25C , B0 = 1T hạt nhân hiđrô, tỉ số N vo cỡ 10-6 Nói cách khác có N hạt nhân, N1 hạt nhân có m«men tõ N → h−íng song song víi tõ tr−êng B0 , N2 hạt nhân có mômen từ song song nhng hớng theo chiều ngợc lại Nếu hai mômen từ ngợc bù trừ cho thật N hạt nhân thực chất lại Z N = N1 − N chiÕm tØ lƯ cì mét phÇn Bo → triƯu lμ h−íng theo chiỊu B0 Thật mômen từ ny có chuyển động → → μ // μ Larmor, nh−ng cịng v× khư cặp nên cuối xem có N hạt nhân đóng góp vo mômen từ M tổng cộng Từ công thức tìm đợc ta cã : M = ΔN × μ = Nμ B0 kT (19.1) Hình 19.4 Phân tích vectơ μ thμnh → → thμnh phÇn μ // vμ μ ⊥ VËy xÐt chun ®éng Larmor → từ trờng B0 N hạt nhân thể tích V cđa vËt chÊt, thÝ dơ cđa vá n·o, ta xét đến mômen từ M tổng cộng 19.1.4 Céng h−ëng tõ mét thĨ → tÝch cã nhiỊu hạt nhân v B0 tợng liên quan Ta xÐt mét thĨ tÝch cã N h¹t → M → nhân, mômen từ hạt nhân l → vμ tõ tr−êng ngoμi t¸c dơng lμ B0 B1 Ta đà thấy N hạt nhân có Hình 19.4 Khi tắt sóng rađiô, đầu mút N1 hạt nhân có mômen từ song song vectơ từ hoá M vạch nênđờng xoắn ốc nhỏ dần 256 với B0 v N2 hạt nhân có mômen từ đối song víi B0 , vỊ mỈt tõ tÝnh xem nh− chóng khử đôi một, N1 N = N ~ 10 hạt nhân có đóng góp vo mômen từ tổng cộng Các mômen từ không ph¶i n»m hoμn toμn song song víi tõ tr−êng ngoμi, chúng đảo nhanh quanh phơng từ trờng nhng góc nghiêng nhỏ Phân tích mômen từ hạt nhân thnh hai vectơ : vectơ song song → → → → víi B0 , ta kÝ hiệu l // v vectơ vuông góc với B0 , kÝ hiÖu lμ μ ⊥ Khi chØ cã → → → B0 , cã thÓ xem cã N hạt nhân có mômen từ hớng B0 v đảo quanh B0 Vectơ tổng p lớn, cỡ gần N Nh−ng vect¬ tỉng → ∑ μ ⊥ xem nh− b»ng không l giá trị nhỏ m l mômen từ đảo quanh B0 , tần số nhng không đồng pha, vectơ hớng trớc, sau, phải, trái cách lộn xộn, cộng vectơ lại chóng triƯt tiªu lÉn Nh− vËy, → chØ có từ trờng ngoi B0 , vectơ từ hoá dọc theo ph−¬ng cđa tõ tr−êng ngoμi → → → → M // = // cực đại, vectơ tõ ho¸ ngang M ⊥ = ∑ μ ⊥ b»ng không (hình 19.3) Khi chiếu sóng rađiô có tần số tần số đảo f (hay tần số góc = f0 ) theo phơng vuông gãc víi B0 , nh− ta ®· thÊy, cã céng hởng xảy ra: vectơ từ trờng B1 sóng rađiô (sóng điện từ) tạo ra, quay quanh B0 với tần số góc tác dụng lên mômen từ hạt nhân lực tuần hon, lm cho nghiêng mạnh phía B1 v quay quanh B0 cách đồng pha với Kết l cộng hởng vectơ từ hóa ngang M = cực đại Còn vectơ từ hóa dọc, mặt nghiêng B1 nên giá trị // nhỏ đi, mặt khác hấp thụ cộng hởng lợng sóng rađiô có thêm số mômen từ hạt nhân quay phía đối song song, N2 tăng lên, N1 giảm xuống, 257 N = N1 N giảm đáng kể Kết l cộng hởng vectơ từ hoá dọc M // = // không Khi tắt sóng rađiô, tập hợp hạt nhân từ trạng thái cộng hởng chuyển trạng thái bình thờng ban đầu Ngời ta gọi l trình hồi phục Trong trình ny, vectơ từ hoá dọc M // có độ lớn từ giá trị không trở giá trị cực đại, vectơ từ hoá ngang có độ lớn từ giá trị cực đại M trở giá trị không Tuy nhiên thời gian trở về, tức l thời gian hồi phục T1 vectơ từ hoá dọc v thời gian hồi phục T2 vectơ từ hoá ngang không nh nhau, nói chung T1 > T2 Nếu quanh hạt nhân có nhiều phân tử nhỏ (nhẹ), nh phân tử nớc H2O, việc hạt nhân truyền lợng đà hấp thụ lâu so với quanh hạt nhân l phân tử lớn, cồng kềnh, thí dụ với phân tử chất mì, chÊt bÐo… Víi c¸c tÕ bμo sinh häc, tïy theo chøa Ýt n−íc, nhiỊu n−íc, Ýt mì hay nhiỊu mỡ T1 thay đổi từ 300 đến 2000 miligiây Thời gian håi phơc T2 cịng sÏ cã trÞ sè lín quanh hạt nhân l nớc v có trị số nhỏ quanh hạt nhân l dịch chứa phân tư lín hc nhiỊu chÊt mì Nh−ng nãi chung, T2 nhỏ T1, thờng thay đổi từ 30 miligiây đến 150 miligiây v so với T1 nhạy cảm với cấu trúc sinh học Tóm lại nÕu xÐt vect¬ tõ hãa tỉng céng M = M // + M ⊥ th× céng h−ëng → → → ( M // = , M ⊥ cùc đại) đầu mút M vạch nên vòng tròn mặt phẳng vuông góc B0 Khi tắt sóng rađiô, M vừa quay tròn, vừa co nhỏ lại, lúc M // từ giá trị không, lớn dần lên Do đầu mút M vạch nên đờng xoắn ốc nhỏ dần (Hình 19.4) Về nguyên tắc, để cuộn dây điện gần biến thiên từ trờng M gây lm thay đổi từ thông qua cuộn dây v sinh dòng điện cảm ứng cuén d©y Trong kÜ thuËt céng h−ëng tõ, ng−êi ta bố trí ăngten để phát sóng rađiô theo xung, xung tắt, trình hồi phục nh đà mô tả xảy v ăngten thu dòng điện cảm ứng sinh vectơ từ hoá M biến thiên theo đờng xoáy trôn ốc 258 Tín hiệu ăngten thu đợc ny có tên l tín hiệu c¶m øng suy gi¶m tù FID (free induction decay) Bản thân tín hiệu FID ny mạnh hay yếu l vectơ từ hoá M lớn hay nhỏ, m độ lớn M lại phụ thuộc vo số hạt nhân phần tử thể tích, cụ thể l số prôtôn Vì tín hiệu FID cho biết mật độ proton Phân tích kĩ dạng tín hiệu FID tìm đợc thời gian hồi phục tõ hãa ngang T2 v.v… Nh− vËy nÕu chia c¾t c¬ thĨ ng−êi tõng thĨ tÝch nhá cã täa độ x, y, z tơng ứng, lm cho hạt nhân thể tích dao Máy phát RF v máy đo động cộng hởng v thu tín hiệu cộng h−ëng tõ thĨ tÝch ®ã gưi ®i, thÝ dơ tÝn hiƯu FID, thêi gian håi phơc T1, thêi gian håi phục T2 v.v v quy định độ đậm, nhạt, Mẫu N S trắng đen mu sắc xanh đỏ tím vng ứng với tín hiệu mạnh, yếu, di, ngắn thu đợc, sở số liệu tọa độ x, y, z cđa phÇn tư thĨ tÝch vμ tÝn hiệu cộng hởng thu đợc từ phần tử đó, máy B0 B1 Cuộn RF Hình 19.5 Sơ đồ máy cộng hởng từ hạt nhân phòng thí nghiệm tính vẽ mn hình ảnh cắt lớp hai chiều ảnh ba chiều thể Tùy theo tín hiệu thu để tạo ảnh mạnh hay yếu ảnh ny cho l nớc, đâu l chất mỡ, máu, xơng v.v 19.2 Chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân Trớc hết ta xét cách thực cộng hởng từ hạt nhân phòng thí nghiệm nghiên cứu tính chất vật liệu Thiết bị gồm nam châm vĩnh cửu để tạo từ trờng B0 hai cực (hình 19.5) Giả sử mẫu nghiên cứu đặt ống hình trụ chung quanh có cuộn dây điện, hai đầu cuộn dây B1 vuông góc với B0 Ngời ta điều khiển tần số B1 cho có tợng cộng hởng từ xảy Lúc công suất máy phát vô tuyến tăng vọt hẳn Nh vậy, theo dõi công suất máy phát phụ thuộc vo tần số, ta xác định đợc tần sè øng víi cã céng → h−ëng tõ x¶y mẫu Mọi biến thiên mômen từ tổng cộng M mẫu gây nên dòng cảm ứng cuộn dây đặt chung quanh mẫu theo nguyên 259 tắc: M biến thiên lm biến thiên từ thông di qua cuộn dây, biến thiên từ thông sinh dòng điện cảm ứng Nếu bố trí cuộn dây vuông góc với B0 ta đo đợc biến thiên → → cđa thμnh phÇn M song song víi song song víi B0 tøc lμ M // Tõ ®ã ta đo đợc thời gian hồi phục dọc Nếu bố trí cuộn dây song song với B0 ta đo đợc biến thiên thnh phần vuông góc M , từ xác định đợc thời gian hồi phục ngang Các tín hiệu m cuộn dây thu đợc nhỏ, ngắn nhng kĩ thuật xử lí tín hiệu ngy cho phép đo xác Giải pháp kĩ thuật quan trọng để có đợc ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân l Lauterbur đa năm 1973 Đó l thêm vo từ trờng mạnh B từ trờng yếu nhng biến thiên theo khoảng cách, nói cách khác l tạo gradien từ trờng Trớc hết ta xét cách tạo từ trờng có B = 1T gradien theo z vμ t¸c dơng cđa tõ tr−êng ny Cuộn dây siêu dẫn tạo từ trờng B mạnh v Ngời ta bố trí thêm cuộn dây tạo tõ tr−êng u song song víi B0 nh−ng biÕn thiªn ®Ịu theo z, tøc lμ cã d¹ng → Bo + Bz 1,02 T 1,01 T 1,00 T 0,99 T 0,98 T → Bz = (α + β z ) B0 (19.2) Vậy thêm cuộn dây tạo gradien ny, từ trờng tổng cộng bên cuộn dây siêu dẫn l: → z → → B0 + Bz = (1 + α + β z ) B0 (19.3) Tõ tr−êng ny mạnh, biến thiên theo Hình 19.6 Do Bz có gradien theo z không gian hình trụ đợc chia thnh lớp cắt mỏng vuông góc với z, từ trờng Bo +Bz lớp xem l không đổi z: từ trờng bên hình trụ bị chia thnh lớp mỏng, vuông góc với trơc z Trong ph¹m vi mét líp, tõ tr−êng cã thể xem l không thay đổi Khi từ lớp ny đến lớp từ trờng tăng dần, thí dơ nh− ë h×nh vÏ 10.35 lμ 0,97T, 0,98T, 0,99T, 1T, 1,01T, 1,02T, 1,03T, Cơ thể ngời đợc đặt hình trụ rỗng, xét mặt từ có 260 thĨ chia lμm nhiỊu líp: líp n»m tõ tr−êng 0,97T, líp n»m tõ tr−êng 0,98T v.v… TÇn số chuyển động đảo mômen từ hạt nhân phơ thc vμo tõ tr−êng ngoμi, thÝ dơ ®èi víi hạt nhân nguyên tử hiđro, từ trờng ngoi l 1T, tần số chuyển động đảo l 42,58 MHz Khi thể nằm từ trờng ngoi có građien theo z, chiếu sóng rađio có tần số 42,58 MHz vo thể có hạt nhân nguyên tử hidro nằm từ trờng 1T bị cộng hởng Nh nhờ cuộn dây tạo gradien tõ tr−êng theo trơc z ta cã thĨ t¹o cộng hởng từ hạt nhân lớp vuông gãc víi z Líp nμy dμy hay máng lμ tuú thuéc vμo tõ tr−êng biÕn thiªn nhanh hay chËm, tøc lμ phơ thc ®é lín dH/dz cđa tõ tr−êng Cã thể dịch chuyển vị trí cộng hởng hai cách: Cách : giữ nguyên tần số sóng radio, dịch chuyển gradien từ trờng Cách : giữ nguyên gradien từ trờng, thay đổi tần số sóng radio máy tạo ảnh cắt lớp cộng hởng từ có tất ba cuộn tạo gradien từ trờng theo phơng x, phơng y v phơng z Phối hợp sử dụng ba cuộn, nguyên tắc tạo đợc cộng hởng từ phần tử thể tích có toạ độ x, y, z thể v thu lÊy tÝn hiƯu céng h−ëng tõ tõ thĨ tÝch ®ã ph¸t Cã thĨ ®iỊu khiĨn ®Ĩ chän mét lớp cắt v lần lợt quét phần tử thể tích céng h−ëng theo toμn bé diƯn tÝch cđa líp c¾t Từ tập hợp số liệu tín hiệu cộng hởng v vị trí tơng ứng máy tính tạo ảnh cộng hởng từ lớp cắt Thu thập số liệu từ lớp cắt liên tiếp nhau, máy tính dựng lại ảnh ba chiều không gian đối tợng Tuỳ thuộc vo việc lấy tín hiệu cộng hởng no để tạo ảnh v cộng hởng Chất xám Cơ bắp chất trắng gan Thí dụ, tÝn hiƯu c¶m øng tõ suy gi¶m FID da hởng từ cho ta thông tin tơng ứng Mật độ proton xơng xảy hạt nhân no, ảnh cắt lớp cộng phụ thuộc vo độ lớn vectơ từ hoá M phần tử thể tích m M lại phụ thuộc vo số Hình 19.7 So sánh mật độ proton mômen từ proton, tín hiệu ny phận thể mạnh hay yếu phụ thuộc vo mật độ proton lớn hay nhỏ, từ ta lý giải chỗ đậm nhạt ảnh tơng ứng với chất no (hình 19.7) 261 Thông thờng ngời ta hay sử dụng tín hiêu liên quan đến thời gian hồi phục dọc v ngang Nh đà nêu trên, thêi gian håi phôc T1 vμ T2 rÊt phô thuéc phần tử thể tích chứa chất : chất nớc, chất dịch, nÃo tuỷ, ung th Do ảnh cắt lớp sử dụng loại tín hiệu T1, T2 dễ thấy rõ đâu l máu, đâu l mỡ, đâu l nÃo v phân biệt máu chảy dều mạch máu hay mạch máu bị vỡ, máu chảy ngầm ngoi Bằng kỹ thuật xử lý ảnh, chỗ có tín hiệu cộng hởng ứng với xơng ngời ta cho mu trắng đục, chỗ ứng với máu có mu đỏ, chỗ ứng với mỡ có mu vng nhạt v.vdo ngời bác sĩ dễ dng nhận định chẩn đoán bệnh So với chụp ảnh cắt lớp b»ng tia X (X-ray computed tomography) vμ mét vμi c¸ch chụp ảnh dùng hạt nhân phóng xạ, phơng pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân có u điểm lớn l không đa vo thể ngời xạ iôn hóa no Khi chụp ảnh, thể ngời chịu ba tác dụng vật lí: từ trờng tĩnh mạnh B0 , biến thiên gradien tõ tr−êng vμ sãng radi« → Tõ tr−êng tÜnh B0 đợc sử dụng thờng vo cỡ Tesla trở lên, mạnh gấp 20.000 lần từ trờng Trái Đất Theo nhiều kết nghiên cứu từ trờng mạnh vo cỡ ®ã thËm chÝ ®Õn 2,5 Tesla vÉn ch−a cã t¸c hại đến thể Còn gradien từ trờng biến thiên mạnh gây thể dòng điện cảm ứng với mật độ dòng vo cỡ 1A/cm2 Giá trị ny nhỏ không gây hại Dới tác dụng sóng rađio chiếu vo, thĨ chØ hÊp thơ hÕt 0,7 W, t−¬ng øng chØ lm nhiệt độ thể tăng cỡ 0,1-0,2o C Điều hạn chế phơng pháp cộng hởng từ hạt nhân l thể không đợc có mảnh kim loại, vật liệu từ, thí dụ mảnh bom, viên đạn sót lại có dới tác dụng từ trờng loại vật liệu từ ny bị hút mạnh v nóng lên Đặc biệt l ngời dùng máy trợ tim, đa vo từ trờng mạnh, máy bị hỏng v ngời mang máy khó tránh khỏi tử vong Phơng pháp chụp ảnh cắt lớp cộng hởng từ hạt nhân có nhiều u điểm so với phơng pháp chụp ảnh cắt lớp khác y học Tín hiệu cộng hởng để tạo độ đậm, nhạt, đen, trắng hay mu sắc ảnh nhạy cảm với cấu tạo, tổ chức sinh học thể Trên ảnh tổ chức, chỗ bất thờng nh mạch máu bị rạn nứt, máu rỉ ngoi, khối u nhỏ chèn dây thần kinh dễ phân biệt v phát 262 Hình 19.8 Máy chụp hình cộng hởng từ hạt nhân (hình trên) Hình ảnh mặt cắt dọc vùng đốt sống cổ (hình dới, bên trái) v hình ảnh mặt cắt ngang tuỷ sống (hình dới, bên phải) 263 TI LIU THAM KHO Jay Newman (2008), Physics of the life sciences, Springer Nico A.M Schellart (2009), Compendium of Medical physics, Medical technology and Biophysics, Dept of Medical physics, University of Amsterdam Paul Davidovits (2008), Physics in Biology and Medicine (Third Edition), Academic Press Phan Sỹ An – Nguyễn Văn Thiện (Chủ biên) (2006), Vật lý - Lý sinh y học, NXB Y học Phan Sỹ An (Chủ biên) (2005), Lý sinh y học, NXB Y học Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2001), Bài tập vật lý đại cương (3 tập), NXB Giáo dục Lương Duyên Bình (Chủ biên) (2005), Giải tập toán Cơ sở vật lý (5 tập), NXB Giáo dục Phan Văn Duyệt (1979), Phóng xạ y học, NXB Yhọc Hà Nội 10 David Halliday tác giả (2001), Cơ sở vật lý (6 tập), NXB Giáo dục 11 Dương Xuân Đạm (2004), Vật lý trị liệu đại cương, NXB Văn hố thơng tin 12 Nguyễn Thị Kim Ngân (2001), Lý sinh học, NXB Đại Học Quốc Gia Hà Nội 13 Lê Văn Trọng (2001), Giáo trình lý sinh học, NXB Đại học Huế 14 Trần Đỗ Trinh (1994), Hướng dẫn đọc điện tim, NXB Y học Hà Nội 15 Vật lý đại cương, Bộ mơn Vật lý - Tốn, Đại học Dược Hà Nội - 2000 264