3. Cơ sở lý thuyết của quá trình thanh trùng n−ớc mắm bằng tia cực tím
3.2.1. Thời gian sống
Sau khi tắt kích thích mẫu nghiên cứu c−ờng độ ánh sáng huỳnh quang của mẫu giảm theo quy luật:
I = I0/ t/τ
e
Trong đó:
I0 - c−ờng độ ánh sáng huỳnh quang vào lúc tắt kích thích.
I - C−ờng độ ánh sáng ở thời điểm t tính từ lúc cắt nguồn kích thích. 0 2 0 S0 1 0 2 1 S* 1 λ λ2λ3 ′ 1 λ ′ 2 λ 3′ λ λ1″ ″ 2 λ λ3″
τ - là thời gian sống trung bình, có trị số nằm trong khoảng 10-4 ữ 10-10 s. Căn cứ vào giá trị của τ ng−ời ta phân biệt hiện t−ợng huỳnh quang với lân quang. 3.2.2. Định luật Stock - Lomen
Toàn bộ huỳnh quang và cực đại của nó bao giờ cũng dịch về phía b−ớc sóng dài hơn so với toàn bộ phổ hấp thu và cực đại của nó. Phần thoả m8n định luật Stock gọi là phần Stock, phần còn lại gọi là đối Stock.
Giải thích định luật: phần tử huỳnh quang hấp thu photon có năng l−ợng
ht
hc λ
ε0 = / . Nh−ng trong hiện t−ợng huỳnh quang nh− đ8 trình bày ở trên, một phần năng l−ợng hấp thu bị tiêu phí thành năng l−ợng dao động của các nguyên tử trong phân tử, phần còn lại phát ra d−ới dạng l−ợng tử huỳnh quang. Do đó năng l−ợng photon phát quang:
0 ε λ ε = < hq hc 3.2.3. Định luật Vavilop
Phổ huỳnh quang cũng nh− xác suất phát l−ợng tử huỳnh quang không phụ thuộc vào b−ớc sóng kích thích ( λkt ).
Thực vậy, tr−ớc khi phân tử trở về trạng thái cơ bản, điện tử bao giờ cũng đ−ợc sắp xếp lại và chuyển về mức năng l−ợng thấp nhất của trạng thái kích thích ( S1* ), nên phổ huỳnh quang cũng nh− xác suất phát l−ợng tử huỳnh quang chỉ phụ thuộc vào tính chất của mức đó mà không phụ thuộc vào quá trình chuyển điện tử sang trạng thái kích thích, nghĩa là chúng không phụ thuộc vào λkt.
Đối với hỗn hợp hai chất đều phát quang thì sự phát quang phức tạp hơn, vì t−ơng quan hấp thụ, của hai chất sẽ khác nhau ở b−ớc sóng khác nhau, c−ờng độ phát quang của hỗn hợp sẽ phụ thuộc vào λkt. Sự phụ thuộc này là một tiêu chuẩn cho phép kết luận hỗn hợp nghiên cứu ít nhất có hai chất phát quang.
3.2.4. ứng dụng của phổ kích thích huỳnh quang
Khi ta xét c−ờng độ huỳnh quang t−ơng đối Ihq/ I0 ở các b−ớc sóng kích thích (λkt) khác nhau ( trong đó I0 là c−ờng độ ánh sáng kích thích, giữ không đổi với mọi λkt) ta thấy tỷ số này phụ thuộc vào λkt.
J = ( ) 0 kt hq f I I λ =
Hàm số đ−ợc xác định trong vùng ánh sáng hấp thu của chất huỳnh quang. Đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa c−ờng độ huỳnh quang t−ơng đối và b−ớc sóng kích thích gọi là phổ kích thích huỳnh quang.
3.2.5.Tác dụng của các bức xạ Ion hoá
Khi các bức xạ đâm xuyên vào môi tr−ờng vật chất, năng l−ợng của các bức xạ này đ−ợc truyền vào môi tr−ờng gây ra tác dụng Ion hoá.
* Một điện tử đ8 đ−ợc gia tốc, khi đi qua vật chất năng l−ợng của nó bị mất đi là do nó đánh bật những điện tử ở quỹ đạo ngoại biên (những điện tử sơ cấp), tiếp đó những điện tử này có thể phóng ra những điện tử thứ cấp. Do đó hình thành những Ion d−ơng và Ion âm có hoạt động hoá học cao. Hiện t−ợng đó gọi là sự Ion hóa. Sự Ion hóa có thể làm biến đổi những thành phần cấu trúc của tế bào và tạo ra những chất độc cho tế bào.
* Các tia X và tia Gamma: Các tia này không mang điện tích, chúng gây tác dụng Ion hoá chỉ sau khi tác dụng lên những điện tử và hạt nhân của vật chất đ−ợc chiếu xạ. Tác dụng này đ−ợc diễn ra theo 3 h−ớng chính sau:
- Tác dụng quang điện: đ−ợc đặc tr−ng bởi sự hấp thu hoàn toàn tia tới (X hoặc γ) bởi đám mây điện tử rồi phóng ra một điện tử có năng l−ợng bằng hiệu của năng l−ợng tia bức xạ tới miền năng l−ợng liên kết của điện tử với hạt nhân (khi năng l−ợng tia tới thấp, <0,5 Mev).
- Tác dụng Compton: Đó là hiện t−ợng phóng ra một điện tử và một tia thứ cấp theo h−ớng khác nhau khi năng l−ợng liên kết giữa điện tử và hạt nhân là không đáng kể so với năng l−ợng của tia tới. Tr−ờng hợp này diễn ra khi chiếu
xạ môi tr−ờng có số nguyên tử thấp với những tia có năng l−ợng trung bình từ 0,2 – 0,5 Mev. Đây là hiện t−ợng chủ yếu xảy ra trong quá trình Ion hoá thực phẩm.
- Tác dụng cặp đôi: Khi năng l−ợng tia tới rất cao, >10 Mev, nó bị biến mất trong điện tr−ờng của hạt nhân làm xuất hiện một điện tử (e-) và một đốiđiện tử (e+). Đối điện tử bị mất đi khi va chạm với một điện tử và tạo ra một cặp tia phát theo hai h−ớng đối diện nhau.
- Hoạt động phóng xạ cảm ứng:
Hoạt động phóng xạ cảm ứng là sự biến đổi một nguyên tố không có hoạt tính phóng xạ thành một nguyên tố có hoạt tính phóng xạ do ảnh h−ởng của các bức xạ Ion hoá.
Đây là hiện t−ợng ngoài ý muốn. Để tránh hiện t−ợng này, cần phải giới hạn năng l−ợng của các tia đ−ợc sử dụng. Đối với bức xạ X và γ chỉ ở mức 5 Mev, còn đối với chùm điện tử đ−ợc gia tốc ở mức 10 Mev.
3.3. Những đại l−ợng cơ bản dùng trong sinh học phóng xạ Khi ta chiếu xạ vào hệ sinh học, trong hệ xảy ra những biến đổi sinh Khi ta chiếu xạ vào hệ sinh học, trong hệ xảy ra những biến đổi sinh hoá nhất định phụ thuộc vào liều l−ợng và bản chất chiếu xạ, liều l−ợng hấp thụ do đó ta có các đơn vị đo là:[14]
3.3.1.Hệ thống đơn vị của hoạt độ phóng xạ
Hệ thống đơn vị hợp pháp hiện nay là hệ thống quốc tế (System International - SI). Hệ thống đơn vị này đ−ợc định nghĩa nh− sau:
* Đơn vị về hoạt động phóng xạ
Đơn vị BECQUEREL: là đơn vị hoạt động hạt nhân, ký hiệu là Bq. 1Bq = 1 sự phân r8 trong 1 giây.
* Đơn vị về liều xạ đ−ợc hấp thụ
Đơn vị GRAY (viết tắt là Gy) là sự hấp thu một năng l−ợng là 104 erg bởi 1gam vật chất trong quá trình chiếu xạ, không phụ thuộc vào thời gian cần
1Gray (Gy) = 100 Rad = 104 erg/g = 2,4.10-4 Cal/g = 1 Joule/kg 1kGy = 1000 Gy
* Liều chiếu xạ t−ơng đ−ơng, REM (Radiological Equiralent Man)
Liều chiếu xạ t−ơng đ−ơng là liều xạ t−ơng đ−ơng đ−ợc hấp thu nhân với “hệ số chất l−ợng” phụ thuộc vào dạng bức xạ. Ví dụ đối với tia Gamma thì hệ số chất l−ợng là 1.
Ng−ời ta còn dùng khái niệm về l−u l−ợng chiếu xạ đ−ợc đo bằng REM (rem)/giờ (rem/h) hoặc Rad/giờ (Rad/h) hoặc Rem/năm. Con ng−ời không thể chịu nổi l−u l−ợng chiếu xạ lớn hơn 5 Rem/năm trong vùng có bức xạ.
ở một số n−ớc (ví dụ nh− ở Pháp), ng−ời ta còn dùng một số đơn vị sau: * CURIE (Ci)
1Curie (Ci) là khả năng phát bức xạ của Cobalt 60 hoặc Césium 137 trong 1 giờ để một thực phẩm có tỷ khối là 1 đ−ợc đặt trong không khí,cáchxa nguồn bức xạ 10cm, hấp thu đ−ợc 140 Rad ở khoảng cách 1m hấp thu đ−ợc 1,4 Rad.
1 Rad = 100 erg/g = 10-2 Gy 1 Rad = 2,4.10-6 Cal/g
1 Mrad = 10 kGy 100 kRad = 1 kGy
3.3.2. Đơn vị liều l−ợng chiếu xạ
Rơnghen (R) là liều l−ợng chiếu xạ của tia X hoặc tia gamma cần thiết để tạo ra trong một kg không khí ở điều kiện tiêu chuẩn, các Ion có tổng điện l−ợng bằng 1C ( cu lông ) đối với điện tích của các Ion cùng dấu.
1R t−ơng đ−ơng với 0,111erg/cm3 và 84 erg/g.
Đối với bức xạ hạt, ng−ời ta th−ờng dùng đơn vị vật lý, tuy nhiên hiện nay đơn vị này ít sử dụng vì khó khăn về ph−ơng tiện kỹ thuật.
3.3.3. Đơn vị liều l−ợng hấp thụ
Là đại l−ợng cho biết năng l−ợng mà đơn vị khối l−ợng vật bị chiếu xạ hấp thụ đ−ợc của chùm tia phóng xạ, theo định nghĩa, liều l−ợng hấp thụ D sẽ là :
D =
m E
∆ ∆
Trong đó: ∆E - năng l−ợng bức xạ ion hoá do mẫu hấp thu ∆m - khối l−ợng mẫu nghiên cứu.
Đơn vị của D là j/kg. Khi khối l−ợng vật bị chiếu xạ là một kg hấp thụ năng l−ợng của chùm tia chiếu xạ là 1 (j) thì liều l−ợng hấp thu là 1 j/kg.
Công suất hấp thu là đại l−ợng đo liều l−ợng hấp thu trong một đơn vị thời gian: P =
t D
∆ ∆ 3.3.4. Đơn vị sinh học Rơnghen
Khi chiếu xạ cùng một liều l−ợng lên một mẫu sinh vật sẽ dẫn tới những hiệu ứng sinh vật khác nhau, do vậy để so sánh tác dụng của các loại bức xạ ion hoá khác nhau ng−ời ta dùng đơn vị thống nhất : Đại l−ợng sinh vật Rơnghen ký hiệu Ret.
Ret - năng l−ợng bức xạ nào đó đ−ợc tế bào hấp thụ sao cho tác dụng sinh học của nó t−ơng đ−ơng với tác dụng sinh học của tia X hay tia gamma. Khi chiếu xạ lên đối t−ợng đó với liều l−ợng 1 Ret.
3.3.5. Các đại l−ợng đặc tr−ng của sự hấp thu
a) Mật độ quang của hệ hấp thu D = lg
I I0
= α.c.l Trong đó :
l - bề dày môi tr−ờng (quang lộ) , cm c - nồng độ chất tan, mol/l.
Vì chất nghiên cứu là lo8ng nên α = const.
Mật độ D là đại l−ợng tỷ lệ với nồng độ chất hấp thu và qu8ng đ−ờng ánh sáng đi trong mẫu. D là đại l−ợng phụ thuộc vào λ.
b) Độ truyền qua
Trong thực nghiệm để đánh giá phần năng l−ợng ánh sáng bị hấp thu, ng−ời ta có thể biểu diễn định luật hấp thu theo độ truyền qua ( T ).
T = 0
I I
( %)
Giá trị T biến động trong khoảng 0≤ T ≤ 1.
T = 0 khi I = 0 , mẫu hoàn toàn hấp thu ánh sáng chiếu vào nó. T = 1 khi I = I0, mẫu không hấp thu ánh sáng tới.
c) Độ hấp thu (1 - T ) 0 0 1 I I I T − = − ( %)
Ta có thể xác định đ−ợc l−ợng ánh sáng do hệ hấp thu trong một đơn vị thời gian: Iht = I0 - I = I0( 1- T ).
Vì số photon tỷ lệ với c−ờng độ ánh sáng tới nên đại l−ợng (1 - T) xác định số l−ợng tử hấp thu trong một đơn vị thời gian, ở trong môi tr−ờng. 3.4. Tác dụng của tia cực tím
Tác dụng tia tử ngoại lên hệ sinh vật có thể gây ra những hiệu ứng có lợi hoặc bất lợi tuỳ thuộc vào λ của chùm tia. Tia có λ= 300 - 400 nm gây tác dụng sinh lý hoá có lợi nh−: gây kích thích quá trình phát triển, sinh tổng hợp, phản ứng lên men, .v.v. Tia có λ = 200 - 300nm có thể gây tử vong, biến dị di truyền, khử hoạt tính,.v.v. Cả hai loại tác dụng đều có ý nghĩa thực tiễn trong y học, nông nghiệp và vi sinh kỹ thuật. Việc nghiên cứu tác dụng của tia tử ngoại là một lĩnh vực khá rộng và đa dạng, trong phạm vi ch−ơng trình tôi chỉ xét đến những vấn đề có ý nghĩa khái quát và giữ vai trò quan trọng trong các hiệu ứng quang hoá mang tính chất phá huỷ biến tính.[15]
3.4.1. Sự phân ly của n−ớc do chiếu tia cực tím
Trong hệ sinh vật có chứa một l−ợng n−ớc khá lớn ( chiếm từ 60 - 90%, trong trọng l−ợng cơ thể sống, 65 - 75% trong tế bào, 83% trong n8o, 90% trong huyết t−ơng ). D−ới tác dụng của tia cực tím, trong n−ớc sẽ tạo ra các ion và các phân tử bị kích thích, quá trình có thể xảy ra nh− sau:
H2O →hυ H2O*
Phân tử H2O* phân ly tạo ra (H2O+ + e- ) ; Ion d−ơng H2O+ lại phân ly tạo gốc hyđrôxit (OH- ) và hyđrô (H+ )
H2O →hυ H2O+ + e-
→H2O →OH- + H+
Các gốc tự do khác cũng có thể xuất hiện do t−ơng tác của các ion d−ơng (H2O* ) với phân tử n−ớc:
H2O* + H2O → H3O + OH-
Các điện tử bức xạ khỏi n−ớc (điện tử thuỷ hoá ) kết hợp phân tử n−ớc trung hoà khác tạo thành ion âm.
Ion âm H2O- sẽ phân ly thành hiđrôxit ( OH-) và ion ( H+). Điện tử thuỷ hoá cũng có thể kết hợp với ion H+ tạo ra gốc tự do H+ ( nguyên tử hyđro tự do).
e- → + + → → + + − + + − − H e H H OH O H e O H2 2 phanly
Các gốc tự do cũng có thể t−ơng tác với nhau tạo thành các phân tử H2.
→ + → + → + − − − 2 2 2 * 2 * * O H OH OH O H OH H H H H
Trong điều kiện có O2 có thể xảy ra t−ơng tác H* + O2→ HO2* e- + H* + O2→ HO2*
Do vậy quá trình phân ly n−ớc do tác dụng bức xạ ion hoá có thể tạo ra các sản phẩm sơ cấp và thứ cấp sau:
Sản phẩm của quá trình phân ly n−ớc là sản phẩm sơ cấp, sản phẩm cuối cùng là sản thứ cấp.
3.4.2. Tác dụng lên phân tử Protein
Protein là phân tử có ý nghĩa rất lớn đối với sự sống, nó có nhiều chức năng nh−:
* Là các enzin xúc tác cho các phản ứng hoá sinh. * Giữ vai trò về mặt cấu trúc trong màng tế bào.
* Có chức năng trong quá trình vận chuyển và trao đổi chất.
Tác dụng tia cực tím lên phân tử Protein rất phức tạp nh−ng vẫn có những biến đổi phân tử dễ dàng phát hiện nh−:
* Đứt mạch chính, dẫn tới sự giảm trọng l−ợng phân tử.
* Khâu mạch: có hai khâu mạch là khâu mạch bên trong một phân tử và giữ các phân tử trong hệ.
* Phá huỷ cấu trúc thứ cấp, liên kết Hiđrô trong phân tử Protein có năng l−ợng liên kết nhỏ, dễ bị phân huỷ làm cho cấu hình phân tử thay đổi rõ rệt.
Những biến đổi trên chứng tỏ tia cực tím ảnh h−ởng không chỉ tới cấu trúc mà cả cấu hình phân tử. Mặt khác làm thí nghiệm Invetro còn cho thấy rằng, quá trình phân huỷ hoặc làm biến đổi Protein Th−ờng chỉ xảy ra biến đổi với liều l−ợng khá lớn, lớn gấp bội so với liều l−ợng gây tử vong tuyệt đối của cơ thể hoặc tế bào. Trái lại sự biến đổi cấu hình phân tử ( cấu trúc thứ cấp ) của phân tử Protein lại xảy ra trong những liều l−ợng nhỏ hơn nhất là các liều l−ợng Invetro, hoặc chiếu xạ trực tiếp.
Các thay đổi trên đây làm cho khả năng xúc tác của phản ứng xúc tác với phân tử cơ bản bị giảm xuống.
3.4.3. Tác dụng lên axit nucleic
Axít nuclêic là thành phần cơ bản của nucleotít, d−ới tác dụng của enzin các loại nucleotít bị phân huỷ mạch thành các phân tử Protein đơn giản cấu tạo bởi axit amin và axít nuclêic.
Các loại axít nuclêic nh− ARN và ADN có vai trò đặc biệt quan trọng. Chúng tham gia ít nhất vào hai quá trình quan trọng của cơ thể sống đó là quá trình tích luỹ thông tin và sinh tổng hợp.
Khi chiếu tia tử ngoại vào axít nuclêic thì các nhóm mầu là các gốc - Nitơ nh− Purin [ adenin (A) và xistezin (X) ] và Pirimidin [ guamin (G) và thimin (T) ở ADN; guamin và uraxin (U) ở ARN ] hấp thu năng l−ợng l−ợng tử và chuyển sang trạng thái kích thích Triplet. Các nhóm màu hấp thu mạnh ở
λ= 300 nm và các gốc Bazơ A, X, T, U đều có khả năng huỳnh quang nh−ng hiệu ứng l−ợng phát quang bé .
Nh− vậy khả năng sử dụng năng l−ợng photon hấp thu và phản ứng quang hoá là rất lớn, năng l−ợng đó sẽ đ−ợc dẫn từ gốc bazơ Nitơ ở rạng thái kích thích theo h−ớng X → G → A → T
Khi nghiên cứu sự biến đổi quang hoá của các gốc purin và pirimidin d−ới tác dụng của tia tử ngoại, ng−ời ta thấy pirimidin nhậy cảm hơn purin rất nhiều do đó các axít nuclêic bị tổn th−ơng chủ yếu do các phản ứng quang hoá