Lý sinh học phần 6

Chia sẻ: Danh Ngoc | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:17

Thêm vào BST

Báo xấu

131
lượt xem 27
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì trở kháng của tế bào, mô sống phụ thuộc nhiều vào tần số (ω) của nguồn phát. Do đó, thành phần điện kháng của đối tượng sinh vật như cảm kháng, dung kháng và tổng trở mạch sẽ phụ thuộc nhiều vào tần số của nguồn. Khi ở một trạng thái sinh lý nào đó, ứng với một tần số nhất định của nguồn xoay chiều thì điện trở của tế bào và mô sống có giá trị không đổi. Từ năm 1920, nhiều công trình nghiên cứu khảo sát sự...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Lý sinh học phần 6

78 III. Sự biến đổi điện trở theo tần số dòng xoay chiều. Dưới tác dụng của dòng điện xoay chiều thì trở kháng của tế bào, mô sống phụ thuộc nhiều vào tần số (ω) của nguồn phát. Do đó, thành phần điện kháng của đối tượng sinh vật như cảm kháng, dung kháng và tổng trở mạch sẽ phụ thuộc nhiều vào tần số của nguồn. Khi ở một trạng thái sinh lý nào đó, ứng với một tần số nhất định của nguồn xoay chiều thì điện trở của tế bào và mô sống có giá trị không đổi. Từ năm 1920, nhiều công trình nghiên cứu khảo sát sự biến đổi của điện trở dưới tác dụng của nguồn xoay chiều cho thấy: Điện trở của hầu hết các loại mô, cơ, tế bào sống sẽ bị thay đỗi dưới các tần số khác nhau. Đặc tuyến biến đổi của điện trở theo tần số (ω) có dạng như (hình 4.3) dưới đây: R ω1 ω2 ω Hình 4.3: Sự biến đổi điện trở của tế bào mô theo tần số. Từ đố thị trên ta thấy: Với ω < ω1 và ω > ω2 : điện trở tương đối ổn định. ω1 < ω < ω2 : điện trở giảm khi tần số tăng. Quy luật này hoàn toàn xảy ra và biến đổi là như nhau với mọi loại tế bào, mô và nhiều đối tượng khác. Đặc biệt, kết quả xảy ra cũng tương tự đối với các sợi cơ mặc dù giá trị trở kháng tuyệt đối của cơ là khác nhau. Các giá trị ω1 ÷ω2 có giá trị thay đổi trong khoảng từ 102 ÷108 Hz.
79 Đa số các mô sống, điện trở cực tiểu hay trị số độ dẫn điện cao ứng với tần số khoảng 106 Hz, còn đối với sợi thần kinh thì giá trị này tương ứng với tần số vào khoảng 109 Hz. Từ thực nghiệm cho thấy, độ dẫn điện của tế bào và mô thay đổi chủ yếu ở tần số thấp. Ở tần số cao tính chất này ít thay đổi hơn vì ở tần số thấp hiện tượng phân cực diễn ra chậm chạp và rõ rệt hơn nhiều. Sự phụ thuộc độ dẫn điện vào tần số là đại lượng đặc trưng biểu diễn cho đối tượng là tế bào hoặc mô sống. Đối với các tế bào, mô bị tổn thương tuỳ theo mức độ, tính chất này cũng giảm dần theo, đến khi tế bào chết thì tính chất đó cũng không còn nữa. Nghĩa là điện trở của tế bào khi bị tổn thương không còn phụ thuộc nhiều vào tần số. Để hiểu rõ điều đó, ta khảo sát điện trở của một số mô thực vật ở trạng thái sinh lý bình thường và bị tổn thương với các mức độ khác nhau dưới tác dụng nhiệt, như (h.4.4): R (1 (2 ) ) (3 (1) (4 ) ω Hình 4.4: Biến đổi điện trở mô thực vật theo tần số ở trạng thái sinh lý bình thường và khi bị tổn thương. (1): Trạng thái bình thường. (2): Đun ở 500C trong 2 phút (3): Đun ở 500C trong 4 phút (4): Đun ở 1000C trong 20 phút. Từ đặc trưng biến đổi của tổng trở theo tần số của dòng điện xoay chiều ở trên, ta thấy tại nhiệt độ cao nếu thời gian tác dụng càng dài thì mức độ tổn thương càng lớn, đồng thời sự phụ thuộc của điện trở theo tần số ít hơn. Dựa trên cơ sở nghiên cứu về các thông số điện có thể dễ dàng xác định, đánh giá cũng như để mô tả đối tượng theo các chỉ số sinh học của
80 một tổ chức sống ở trạng thái sinh lý bình thường hay bị bệnh lý. Ngày nay người ta thường biểu diễn chỉ số sinh học qua đặc trưng biến đổi của điện trở theo tần số R(ω) cho các loại tế bào, mô sống cũng như để xác định cho nhiều đối tượng nghiên cứu sinh vật khác. IV. Tổng trở của tế bào và mô. Để đặc trưng định lượng cho mối liên hệ kể trên, đồng thời để tiện việc khảo sát, Tarutxop đã đưa ra hệ số K cho việc đánh giá đối tượng nghiên cứu sẽ nhanh và có ý nghĩa hơn, thay vì dùng đồ thị biểu diễn sự biến đỗi của điện trở như đã trình bày trên. Hệ số này được xác định như sau: Rω1 k= (2.5) Rω 2 Trong đó ω1 , ω2 được chọn tuỳ theo đối tượng nghiên cứu. Ví du:û Khi khảo sát trên một dây thần kinh, thực nghiệm cho thấy rằng điện trở có giá trị cực tiểu ở tần số ω2 = 109 Hz và ω1 = 104 Hz nên: R10 4 K= (2.6) R109 Giá trị K càng lớn sự phụ thuộc của điện trở vào tần số này càng mạnh và ngược lại giá trị này nhỏ khi tế bào, mô đã bị chết. Trong các tế bào và mô bình thường, hệ số K phụ thuộc vào vị trí của đối tượng theo bậc thang tiến hoá của sự sống. Ví dụ: Hệ số K của gan động vật có vú khoảng 9 ÷ 10 Hệ số K của gan động vật máu lạnh khoảng 2 ÷ 3 Còn trong cơ thể người hoặc động vật, hệ số K phụ thuộc vào cường độ trao đổi chất của từng loại mô. - Ở các mô sống có cường độ trao đổi chất mạnh mẽ như gan, lách thì hệ số K có giá trị lớn. - Còn ở một số cơ quan có cường độ trao đổi chất thấp hơn (cơ) thì hệ số K lại có giá trị nhỏ. Các giá trị Rω1, Rω2 được tiến hành trong cùng nhiệt độ, điều kiện thí nghiệm như nhau, và thời gian rất gần nhau. Nên tỷ số đo được tương đối ổn định khi mô và tế bào ở trạng thái sinh lý bình thường (ở tần số cao điện trở của cơ ít thay đổi trong một thời gian dài, trong khi đó điện trở ở vùng tần số nguồn điện thấp bị thay đổi nhiều hơn)
81 Sự thay đổi điện trở làm cho tính dẫn điện của tế bào và mô bị thay đổi theo, nguồn gốc chính là do khả năng xảy ra hiện tượng phân cực của chúng. Do đó hệ số K còn được gọi là hệ số phân cực V. Áp dụng phương pháp đo điện trong chẩn đoán và điều trị bệnh. 1. Trong chẩn đoán và điều trị bệnh. Ngày nay, phương pháp đo điện trở bằng dòng điện thụ động đã được sử dụng rộng rải trong việc nghiên cứu quá trình diễn biến xảy ra ở tế bào, mô sống và các tổ chức sinh học dưới tác nhân của các yếu tố vật lý, hoá học cũng như ở các quá trình biến đổi trong trạng thái bệnh lý. Vì sử dụng với nguồn điện áp có giá trị nhỏ, do đó tác nhân này không gây nên những biến đổi nhiều về tính chất lý hoá trong tổ chức sống cũng như không làm tổn thương đến đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật. Thực nghiệm cho ta thấy rằng, tình trạng bệnh lý biến đổi có liên quan nhiều đến sự thay đổi về giá trị điện trở, điện dẫn và các thông số điện điện của tế bào. Khi một tổ chức sinh học bị viêm nhiễm thì ngay trong giai đoạn đầu, thể tích tế bào bị trương lên, khoảng không gian giữa các tế bào bị thu hẹp lại, điện trở của mô tăng lên rất nhanh. Dấu hiệu dễ dàng thấy nhất là dưới tác dụng của dòng điện có tần số thấp, điện trở của mô lúc này được xác định chủ yếu bởi điện trở của các thành phần chất dịch ở khoảng gian bào. Ở giai đoạn đầu trong quá trình viêm, các thành phần và nhất là cấu trúc tế bào chưa có sự thay đổi đáng kể. Thể tích tế bào biến đổi không đáng kể, nên giá trị điện dung của nó chưa có sự thay đổi nhiều. Hiển nhiên rằng: Khi tăng giá trị điện trở mà điện dung vẫn giữ nguyên không thay đổi thì đó là dấu hiệu của sự trương tế bào, ngược lại nếu giảm điện trở mà vẫn giữ nguyên giá trị điện dung thì đó là dấu hiệu của sự giảm thể tích của tế bào. Ở giai đoạn sau trong qúa trình viêm nhiễm, ta thấy có sự thay đổi về cấu trúc tế bào một cách rõ rệt, hiện tượng viêm làm tăng độ thấm qua màng tế bào. Vì vậy làm thay đổi tính dẫn điện của tế bào và mô sống, dẫn đến sự giảm giá trị điện dung và điện trở. Ngày nay hiện tượng điện sinh học được ứng dụng nhiều cho việc chẩn đoán, điều trị ứng dụng trong y học dựa vào các tham số trên. Chẳng hạn, áp dụng phương pháp đo điện trở để xác định nhãn áp, đo độ chênh
82 lệch điện trở giữa nữa mặt bên phải và bên trái, đo điện ốc tai, khảo sát phản ứng cơ bằng cách đo suất Galvanic. Xác định mức độ tổn thương tế bào dưới các tác nhân thông qua các giá trị đo độ điện dẫn, đo giá trị điện trở thuần và trở kháng của da... 2. Phân cực trong hệ thống sống. Nhiều nhà khoa học cho rằng, sự phân cực các ion chủ yếu xảy ra trên bề mặt của màng tế bào. Quan niệm phân cực màng đã xác định là tế bào sống giống như một vật thể, mà bản thân nó có chứa các chất điện phân trong cấu trúc thành phần của hệ. Các chất điện ly thường nằm ở trạng thái tự do. Thật vậy, khi ở trạng thái sinh lý bình thường, tế bào không cho một số chất đi qua chẳng hạn như đối với ion Na+ mà chỉ thấm một chiều đối với ion K+. Khi có điện trường bên ngoài, các ion trong tế bào sẽ di chuyển về các cực điện tương ứng, tuỳ thuộc vào dấu của điện tích. Cuối cùng các ion trái dấu sẽ tập trung ở hai phía đầu cực của màng tế bào. Tương ứng với sự tích tụ điện tích ion ở phía bên trong màng, thì môi trường bên ngoài màng tế bào ở phía đối diện cũng có sự tích tụ các điện tích ion mang dấu ngược lại. Như vậy, hai phía cực của màng sẽ xuất hiện hai lớp điện tích bề mặt. Hiện tượng tạo thành trên tế bào được mô tả giống như hai bản cực của một tụ điện và cùng giữ vai trò tích điện trong chất điện môi. Đây là giả thuyết đưa ra để giải thích về sự xuất hiện giá trị điện dung của một tế bào. Điện dung phụ thuộc vào hằng số điện môi của tế bào, còn giá trị điện trở xuất hiện được xác định thông qua điện trở bề mặt của nó. Ngày nay bằng phương pháp đồng vị phóng xạ đã kiểm chứng được điều đó. Màng tế bào không chỉ thấm đối với ion K+ mà còn thấm đồng thời đối với cả nhiều loại ion khác nhau. Trong trạng thái sinh lý bình thường hay ở quá trình trao đổi chất bình thường, ta thấy luôn luôn xảy ra hiện tượng vận chuyển các loại ion Na+ - K+ qua lại hai phiá của màng. Bằng nhiều kết quả thực nghiệm khác nhau, ta dễ dàng thấy rằng sự phân cực trong tế bào không chỉ xuất hiện trên bề mặt của màng mà còn xảy ra trong toàn bộ thể tích của tế bào. Thật vậy, do hiện tượng điện hưởng các vật dẫn dưới tác dụng của điện trường ngoài, đã làm cho các điện tích tự do dịch chuyển. Các phần tử tích điện tương ứng có sự phân bố điện tích trở lại trên phía đối diện trong các tế bào, nên các lớp bên trong tế bào cũng có sự tích điện với dấu điện tích phù hợp.
83 E P (t) Hình 4.5: Sự hình thành sức điện động phân cực. Tế bào sinh vật được xem như là một hệ đa pha, mỗi pha có tính chất hoá lý khác nhau, do đó điện trở và điện dẫn của nó cũng khác nhau. Đồng thời các chất khi thâm nhập vào tế bào sống cũng tồn tại ở các pha hoà tan hoàn toàn khác nhau. Sự phân cực xảy ra trong toàn bộ thể tích của tế bào, ngay trên bề mặt và kể cả các thành phần bên trong tổ chức sống. Đặc biệt sự phân cực trong nội bào đóng một vai trò hết sức quan trọng. Đa số các dịch sinh vật trong hệ thống sống là các dung dịch điện ly, chứa các ion và các đại phân tử tích điện. Do đó, cơ chế phân cực trong hệ thống sống có liên quan với tính chất của một dịch đa điện phân trong dung dịch điện ly của đại đa số các phân tử sinh vật. Trong cơ thể, đa số các tổ chức đều có các màng ngăn cách giữa các cơ phận với nhau hoặc các tổ chức riêng biệt. Theo thực tế cơ thể có cấu trúc phức tạp, giống như bản thân chúng được chia ra thành nhiều ngăn độc lập. Sự dịch chuyển của các ion qua các vách ngăn vì thế cũng không còn tự do dưới tác dụng của điện trường ngoài. Các ion tích tụ trên tế bào, mô sống, trong các tổ chức sinh vật tạo ra một quá trình phân cực điện dưới tác dụng của điện trường ngoài như (hình 4.6) dưới đây:
84 Hình 4.6: Sự cực tính hoá tổ chức sống. Ngày nay các số liệu thực nghiệm cho thấy rằng, quá trình phân cực ở hệ thống sống được xác định không những bởi sự phân cực của các ion mà còn được xác định bởi sự phân cực (có tính lưỡng cực điện) các chất hữu cơ. Các phân tử protein, nucleotid đều có giá trị moment lưỡng cực khá lớn, hằng số điện môi của dung dịch điện ly cũng bị thay đổi nhiều theo tần số dòng điện bên ngoài. Đại đa số các phân tử nằm trong thành phần nguyên sinh chất đều chứa các nhóm phân cực, dưới tác dụng của các yếu tố bên ngoài gây tổn thương trong nguyên sinh chất. Do đó, trạng thái thay đổi thường hình thành hàng loạt cấu trúc mới có sự định hướng khác nhau. Sự phân cực điện môi trong hệ thống sống cũng có thể do sự dịch chuyển điện tích trong thành phần cấu trúc, mà bao gồm số phần lớn là các phân tử hữu cơ. Quá trình này thường được gọi là sự phân cực điện trong cấu trúc vĩ mô. VI. Một số phương pháp điện di Điện di là phương pháp phân tích dựa trên sự dịch chuyển các điện tích, phân tử nhiễm điện dưới tác dụng của trường lực điện không đổi. Các thành phần khác nhau trong dịch sinh vật khi nhiễm điện sẽ mang một điện lượng có độ lớn và dấu điện tích khác nhau. Tuỳ theo loại phân tử mà các hạt nhiễm điện sẽ dịch chuyển với tốc độ nhanh hay chậm dưới tác dụng của điện trường ngoài. Các phân tử sinh vật dễ dàng nhiễm điện và tích điện, nên dựa vào tính chất này đễ xây dựng một số phương pháp điện di. Ngày nay, phương pháp điện di được áp dụng rộng rãi và ứng dụng nhiều trong các nghiên cứu y - sinh học. Thông thường, ta sử dụng phương pháp điện di để tách chiết các thành phần albumin, globulin trong huyết thanh; điện di protein (phức chất lipide với protein); điện di glucoprotein (xác định các thành phần của protein và glucide trong huyết thanh).
85 Năm 1937, Tiselius là người đầu tiên đã đưa ra phương pháp điện di trong môi trường tự do để khảo sát sự hiện diện của protein trong huyết thanh. Sau Tiselius, Cremer ta thấy có nhiều nhà khoa học khác như Durrum đã xây dựng lý thuyết hoàn chỉnh về hiện tượng này một cách tường minh và phát hiện thêm nhiều chỉ tiêu đo đạt khác trong các thiết bị mới của mình. Năm 1950, các nhà sản xuất đã đưa ra một loại thiết bị mới hơn, đó là sự phân tích dựa trên phương pháp “điện di hiển thị” và khảo sát thông tin bệnh lý bằng cách ghi lại các đặc tuyến biến đổi của nó trên “băng giấy chỉ thị”. Ngày nay có nhiều công trình nghiên cứu y-sinh học đã áp dụng phương pháp điện di, dựa trên nguyên tắc dịch chuyển ion để tách chiết và phân tích nhiều thành phần khác nhau của dịch sinh vật. Các hướng nghiên cứu bằng phương pháp điện di thường tập trung trong ba loại chủ yếu là: - Phát hiện sự dịch chuyển của các phân tử bằng cách khảo sát dưới kính hiển vi (điện di tế bào). - Điện di trong dung dịch tự do (xác định theo độ linh động của các hạt nhiễm điện trong dung dịch). - Điện di trên các chất giá (phương pháp điện di khảo sát trên băng giấy).
86 Chương 5 ĐIỆN SINH HỌC I. Mở đầu: Từ lâu ở châu Âu, người ta đã tiến hành những thí nghiệm lý thú để khám phá về các khả năng làm xuất hiện dòng điện trên cơ thể động vật. Từ đó khái niệm về điện động vật mới xuất hiện và đã được chứng minh sự tồn tại của nó. Một số loài cá sinh sống ở sông và biển có bộ phận bảo vệ đặc biệt để phát điện như cá trê điện, cá đuối điện, chình điện...Ngược dòng lịch sử về sự phát hiện ra các dòng điện từ sinh vật trên cho thấy, từ rất lâu người Ai Cập đã gặp phải và làm quen với những hiện tượng điện này. Một tính chất đặc trưng của tế bào động vật là giữa chúng và môi trường bên ngoài luôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Đo hiệu điện thế trên các loại tế bào khác nhau thì sự chênh lệch này vào khoảng 0,1 V. Đặc biệt có một số loài cá điện có thể sinh ra các xung điện rất cao đến khoảng 600V, với dòng điện cở hàng trăm mA. Tính chất điện sinh học đã được Dr. Louis De Galvanie khám phá. Sau đó, đề tài này đã thu hút nhiều nhà khoa học khác quan tâm và đầu tư vào việc nghiên cứu một cách lý thú. Tuy nhiên sau hơn 100 năm, kể từ những phát hiện đầu tiên dưới sự ghi nhận của các nhà khoa học, con người vẫn chưa giải thích được cơ chế hình thành hiện tượng điện sinh vật một cách rõ ràng. Các kết quả thực nghiệm vẫn còn đóng khung trong việc mô tả hiện tượng. Trong vài thập kỉ gần đây, nhờ các phương tiện ghi đo có độ nhạy cao, chính xác, cũng như các thiết bị điện tử hiện đại...người ta mới khám phá được nhiều qui luật hình thành dòng điện của tế bào. Từ kết quả thực nghiệm đo được bằng các phương pháp khác nhau như đồng vị phóng xạ, động học phân tử, hiển vi điện tử, hoá tế bào..., các nhà khoa học đã cho thấy bản chất của dòng điện sinh học. Việc xây dựng cơ sở lý thuyết và giải thích cơ chế của việc hình thành dòng điện sinh học còn có nhiều hạn chế. Sỡ dĩ như vậy là vì khi nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật thường gặp phải một số giới hạn sau: - Tốc độ biến đổi tín hiệu trên đối tượng nghiên cứu thay đổi quá nhanh, trong khi các giá trị đo được thường rất nhỏ, nên yêu cầu về thiết bị nghiên cứu phải là các dụng cụ ghi đo thật nhạy và có độ chính xác thật cao.
87 - Đối tượng nghiên cứu thường có kích thước hết sức nhỏ (vào cở kích thước tế bào). - Điều kiện nghiên cứu, phải được tiến hành với phương pháp như thế nào để không làm ảnh hưởng đến trạng thái sinh lý của đối tượng khảo sát. Trước khi tìm hiểu về các loại điện thế sinh vật, ta lưu ý rằng các dịch thể ở hai phía trong và ngoài màng tế bào là các dung dịch điện phân (electrolytic solutions). Nồng độ trung bình của các anion có giá trị khoảng 155 mEq/l, đông thời có xuất hiện một nồng độ tương ứng của các loại cation phát triển theo phía ngược lại. Theo cơ chế vận chuyển vật chất qua màng sinh học ta thấy có sự phân bố trở lại của các anion và cation ở hai phía màng. Đồng thời với quá trình vận chuyển tích cực, thì có cả sự khuyếch tán của các ion với các độ thấm khác nhau. Kết quả cuối cùng là trong toàn bộ quá trình hệ có sự chênh lệch nồng độ ion ở hai phía màng, do đó làm xuất hiện một hiệu số điện thế màng (membranne potential). Hai yếu tố cơ bản có liên quan đến sự hình thành hiệu thế màng sinh học có ý nghĩa quyết định đó là: - Sự khuyếch tán những ion qua màng do sự chênh lệch nồng độ của các loại ion ở hai phía màng. - Sự vận chuyển tích cực của những ion qua màng khi chuyển dịch từ pha (phase) này sang pha khác, tạo thành một cân bằng mới đó là sự cân bằng đặc biệt của các ion. Với một số đặc điểm nêu trên thì mục đích và yêu cầu khi nghiên cứu hiện tượng điện sinh vật đó là: Hiểu được bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản như loại điện thế nghỉ, điện thế tổn thương, điện thế hoạt động...Ngoài ra cần nắm vững về cách ghi đo, điều kiện thí nghiệm, các giai đoạn xuất hiện. Xây dựng lý thuyết phù hợp để giải thích sự hình thành các loại điện thế trên. Giải thích về các kết quả ghi nhận được, kể cả các mối quan hệ giữa chúng. Tìm hiểu một số ứng dụng điện sinh học của các công trình nghiên cứu trong Y-Sinh học. Đưa ra một số ứng dụng hiện tượng điện trong công tác chẩn đoán, thăm dò chức năng, cũng như các ứng dụng để điều trị bệnh trong Y học. Việc nghiên cứu các hiện tượng điện sinh vật và kỹ thuật ghi đo các thông số liên quan có một ý nghĩa hết sức quan trọng. Đặc biệt, ngày nay với các thiết bị khoa học hiện đại, việc ứng dụng hiện tượng điện
88 trong Y học, xét nghiệm trên cận lâm sàng được sử dụng khá phổ biến. Do đó ta cần phải nắm kỷ phương pháp ghi đo, hiểu rõ bản chất của các loại điện thế sinh vật cơ bản. II. Điện thế màng và điện thế pha. 1. Điện thế pha. * Gradient điện thế (the electric gradient) Ở trạng thái bình thường ta thấy có sự phân bố không đều của các ion ở hai phía của màng sinh vật. Do có sự chênh lệch nồng độ, các ion này sẽ khuyếch tán qua màng từ nơi có nồng độ cao đến nơi có nồng độ thấp hơn. Dưới ảnh hưởng của gradien nồng độ, các ion có khuynh hướng tiến tới trạng thái cân bằng mới, đồng thời hình thành giữa nó một lớp điện tích kép ngay ở trong dịch sinh vật. Ảnh hưởng của điện trường ngoài sẽ làm xuất hiện gradien điện thế do sự phân cực của màng. Các ion dương có xu hướng rời môi trường cũ để đến phía âm, ngược lại ion âm dịch chuyển về môi trường có thế dương hơn. Sự chuyển dời của các hạt mang điện sẽ dừng lại khi lực tác dụng lên các ion dưới ảnh hưởng của gradien điện thế cân bằng với gradien nồng độ. Trong đó gradien nồng độ đã phát triển theo hướng ngược lại so với gradien điện thế như (hình 5.1) dưới đây: Hình 5.1: Ảnh hưởng của gradien điện thế và gradien nồng độ : Dòng chuyển dịch dưới tác dụng gradient điện thế : Dòng chuyển dịch dưới tác dụng gradient nồng độ
89 * Điện thế điện cực (electrode) Điện thế điện cực là hiệu thế được hình thành giữa điên cực và dung dịch điện phân. Hay nói cách khác là điện thế xuất hiện ở lớp điện kép khi điện cực nhúng vào dung dịch điện phân. Ví dụ: Có thể lấy ví dụ bằng cách khảo sát trường hợp hiệu thế này khi sử dụng điện cực bạc (Ag) trong dung dịch nitrat bạc (AgNO3). Nếu gọi: μiđc là thế hoá học ion kim loại trong điện cực μidd là thế hoá học của ion trong dung dịch. Ta thấy: - Nếu μiđc < μidd , dưới ảnh hưởng của gradient thế hoá học làm các ion bạc (Ag+) chuyển dịch vào kim loại làm thanh kim loại tích điện dương. Chuyển động của các ion này dừng lại khi hệ thống ở trạng thái cân bằng điện hoá. Thanh kim loại tích điện dương và xung quanh sẽ có một lớp ion NO3- bao bọc tạo thành lớp điện kép. Ở trạng thái cân bằng điện hoá, sự chênh lệch điện thế hoá học giữa điện cực (đc) và dung dịch (dd) sẽ có giá trị bằng hiệu số điện thế điện hoá của lớp điện tích kép này. Ta được: ZFψ = μidd - μiđc (5.1) Trong đó: ψ : Điện thế của điện cực đối với dung dịch Z : Hoá trụ của các ion tự do F : Hằng số Faraday - Nếu μiđc > μidd Điện cực sẽ tích điện âm và xung quanh có lớp ion Ag+ vì các ion Ag+ sẽ rời khỏi thanh kim loại để đi vào dung dịch. Điện cực bị hoà tan dần dần trong dung dịch, hiện tượng chuyển dịch ion chỉ dừng lại khi đạt tới trạng thái cân bằng điện hoá. - Nếu μiđc = μidd Trong trường hợp này sự chuyển dịch của ion theo hai hướng là cân bằng nhau, nên thế điện cực bằng không. Dựa vào biểu thức tính công thẩm thấu phải thực hiện khi tăng nồng độ dung dịch lên 1gam/mol, nghĩa là làm thay đổi áp suất thẩm thấu ion từ P1 đến P2 để tính hiệu thế điện cực. Ta có: P A = RT ln 2 (5.2) P1
90 Trong đó A: là công thẩm thấu R: Hằng số khí lý tưởng. T: Nhiệt độ tuyệt đối của môi trường. Ngoài ra, công của lực điện trong quá trình chuyển hoá đã làm thay đổi nồng độ ion trong dung dịch. Công này được xác định trong trường thế năng tĩ nh điện là: A = UF (5.3) Công của quá trình điện hoá và công thẩm thấu trong mỗi quá trình cân bằng nhau, nên từ (5.2) và (5.3) ta được: P2 (5.4) = UF RT ln P1 RT P2 (5.5) U= ln F P1 Theo phương trình Vant’ Hoff thì áp suất thẩm thấu tỉ lệ thuận với nồng độ nên: RT C 2 (5.6) U= ln F C1 Trong thí nghiêm trên thì C1, C2 chính là nồng độ ion trong dung dịch (Cdd) và trong điện cực (Cđc). Với Z là hoá trị của ion kim loại, nên tổng quát ta có thể viết lại hiệu đ iện thế ion như sau: C RT (5.7) = ln âc U i ZF C dd Với Ui là hiệu điện thế xuất hiện do sự chênh lệch điện thế của các ion tạo thành. Đây chính là phương trình Nernst để xác định giá trị hiệu số điện thế điện hoá (electrochemical potential different) của các dung dịch điện ly. * Hiệu điện thế pha. Nếu nhúng hai điện cực cùng kim loại vào hai bình đựng dung dịch chứa cùng một chất điện ly với độ hoà tan C1 và C2 khác nhau. Ở mỗi điện cực, sau khi đạt đến trạng thái cân bằng sẽ xuất hiện một điện thế mà độ
91 lớn của nó sẽ tỷ lệ với tỷ số nồng độ các ion kim loại trong điện cực và trong dung dịch . Vì nồng độ ion kim loại trong hai dung dịch là khác nhau nên giá trị điện thế xuất hiện trên mỗi điện cực cũng khác nhau, giữa chúng tồn tại một hiệu điện thế Uc gọi là hiệu điện thế nồng độ. (5.8) U c = U c1 − U c2 (5.9) RT C âc RT C âc Uc = − ln ln ZF C1 ZF C 2 (5.10) RT C2 Uc = ln ZF C1 Với C1, C2 là các nồng độ ion kim loại trong dung dịch. Do đó, khi nghiên cứu trên thân nhiệt người bình thường, để nhanh chóng cho việc tính toán người ta thay vào các giá trị hằng định, công thức được xác định lại là: 61 C (5.11) UC = log 2 Z C1 Như trên ta thấy dưới ảnh hưởng của gradient nồng độ và gradient điện thế mà các ion khuyếch tán qua màng với tốc độ khác nhau. Nói cách khác mỗi loại ion có d? linh động khác nhau. Do sự khuyếch tán của mỗi loại ion khác nhau, nên giữa hai lớp dung dịch có nồng độ khác nhau thì lớp điện tích kép xuất hiện cũng có giá trị khác nhau. Hiệu điện thế hình thành nên do sự khyếch tán của từng loại ion, đã tạo thành các pha hoà tan trong mỗi dung dịch. Hiệu điện thế này được gọi là hiệu điện thế pha khuyếch tán (UKT) được xác định : RT ν + − ν − C 2 (5.12) U KT = ln ZF ν + + ν − C1 với ν+ , ν- là độ linh động của các ion dương và ion âm Hiệu điện thế pha (khuyếch tán) tồn tại trong một thời gian rất ngắn cho đến khi có sự phân bố đồng đều trở lại các ion âm và ion dương
92 trong toàn bộ thể tích dung dịch. Đối với dịch sinh vật có dạng là một hệ điện ly rất phức tạp, nên việc ứng dụng công thức này vào hệ thống sống cũng gặp phải rất nhiều khó khăn vì tồn tại nhiều đại phân tử ion hoá khác nhau. 2. Điện thế màng * Cân bằng Gibbs - Donnan Trong chương trước đã trình bày về trạng thái cân bằng Gibbs- Donnan, nên ở phần này ta chỉ nhắc đến một số tính chất có liên quan về hiện tượng điện mà thôi, đó là: -Trong cơ thể người và động vật có các protein (R+) ở dạng muối, nó là các đại phân tử không lọt được qua màng. Mặc dầu các phân tử này không qua được màng nhưng nó đã đóng một vai trò hết sức quan trọng, đó là đã làm ảnh hưởng nhiều đến tác dụng của áp suất thẩm thấu lên màng. -Do sự phân phối trở lại các ion khi trạng thái cân bằng động được hình thành, nên ở hai phía màng có sự chênh lệch nồng độ các ion (có khả năng khuyếch tán được) qua màng. - Một số ion khác còn lại mà không có khả năng chuyển dịch từ pha này đến pha kia được, thì sẽ tạo thành một sự cân bằng đặc biệt. Đó chính là cân bằng Donnan. Thực nghiệm cho thấy cân bằng Gibbs-Donnan không những phụ thuộc vào bản chất dung dịch, tính thấm chọn lọc ion, kích thước của màng mà còn phụ thuộc nhiều vào loại điện tích của các ion trong hệ sinh vật. Để hiểu rõ bản chất sự phân bố các loại ion trong cân bằng trên, ta khảo sát thí nghiệm dưới đây: Dung dịch Protein cho vào bình thứ nhất RCl, đ ược ion R+ là các proteine mang điện tích dương có kích thước lớn không qua được màng ngăn cách giữa hai bình. Bình thứ 2 chứa dung dịch muối NaCl, các ion Na+ và Cl- có thể dễ dàng qua màng. Bình thứ nhất có nồng độ C1, bình thứ hai có nồng độ C2. Ở trạng thái ban đầu các ion được phân bố trong mỗi bình như sau: [R+]1 = [Cl-]1 = C1 [Na+]2 = [Cl-]2 = C2 (5.13) Có thể biểu diễn sự phân bố các loại ion ở hai bình (1) và (2) chứa dung dịch RCl và NaCl có nồng độ ban đầu là (C1) và (C2) . Hai bình (1) và (2) ngăn cách nhau bằng một màng ở giữa như mô hình dưới đây:
93 (RCl) (NaCl) R+ (C1) Na+ (C2) Cl- (C1) Cl- (C2) (1) Hình 5.2 : Sơ đồ phân bố ion ở hai phía màng trong trạng thái ban đầu. Giả sử sau một thời gian ngắn, sẽ có một lượng ion Na+ và Cl- đi qua màng với nồng độ X. Như vậy đã có sự di chuyển của Na+ và Cl- từ bình (2) sang bình (1). Bây giờ ta thấy nồng độ của mỗi loại ion ở hai phía màng được phân bố trở lại trong quá trình cân bằng mới ở trạng thái tiếp theo, được mô tả như sơ đồ dưới đây: (RCl) (NaCl) R+ (C1) Na+ (X) Na+ (C2-X) Cl- (C1+X) Cl- (C2-X) (1) Hình 5.3 : Sơ đồ phân bố ion ở hai phía màng ở trạng thái cân bằng mới Để tránh tình trạng tích tụ điện tích dương về một phía, nên sự di chuyển thường xảy ra một cách đồng thời với cả hai loại ion Na+ và Cl- . Sự dịch chuyển của các ion chỉ tạm dừng lại khi tiến đến trạng thái cân bằng : [Na+]1 [Cl-]1 = [Na+]2 [Cl-]2 (5.14)
94 Cân bằng mới này được gọi là trạng thái cân bằng Donnan (Donnan equilibrium). Đặc điểm của trạng thái này là khi cân bằng diễn ra, trong mỗi ngăn đều có sự trung hoà về điện: [R+]1 + [Na+]1 = [Cl-]1 [Na+]2 = [Cl-]2 (5.15) Ở trạng thái sau là trạng thái mà hệ tiến tới sự cân bằng động. Khi trạng thái cân bằng xảy ra, nếu thay các giá trị (5.15) vào phương trình (5.14) ta được: (C2 - X )2 = (C1 + X ) X 2 C2 (5.16) X= C1 + 2C 2 Khảo sát trong các trường hợp đặc biệt, từ phương trình trên ta thấy: *Nếu nồng độ ion R+ hay Cl- lúc đầu rất bé (C1 >C2 ) so với môi trường bên ngoài, thì cơ chất khuyếch tán qua màng xem như không đáng kể: X ≈0 (5.18) *Nếu nồng độ dung dịch hoà tan giữa hai môi trường cân bằng nhau (C1 = C2 ) thì : X = C2 / 3 (5.19) Từ các trường hợp trên ta có nhận xét là: Khi tế bào tiếp xúc với dung dịch chất điện ly có cùng loại và với gốc proteine là đại phân tử ion chính của tế bào, thì trong tất cả các trường hợp đều có một lượng chất nhất định đi vào tế bào. Dưới ảnh hưởng của quá trình vận chuyển đã làm cho áp suất thẩm thấu phía bên trong của tế bào luôn luôn có giá trị lớn hơn so với môi trường xung quanh. * Hiệu điện thế Ở trạng thái cân bằng Gibbs - Donnan thì giữa hai phía màng luôn luôn tồn tại một sự chênh lệch điện thế. Hiệu điện thế xuất hiện là do có sự