CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA CÁC PHƯƠNG PHÁP XÉT NGHIỆM SINH HOÁ 1. Nguyên lý của phương pháp quang phổ hấp thụ.Tính chất của ánh sáng trong môi trường Khi một chùm sáng truy ền qua một môi trường vật chất nh ư chất rắn, chất lỏng hoặc khí, nó bị ảnh hưởng theo 2 hướng: là cường độ ánh sáng giảm và vận tốc truyền trong môi tr ường nhỏ hơn trong chân không. Cường độ sáng giảm chủ yếu do ánh sáng bị hấp thụ và trong một số tr ường hợp còn do hiện tượng tán xạ ánh sáng.
Ảnh hưởng của môi tr ường đến vận tốc truyền quang được thể hiện ở hiện tượng tán sắc. Sự hấp thụ ánh sáng. + Hiện tượng hấp thụ ánh sáng Chiếu một chùm sáng đơn s ắc song song có cường độ I o vuông góc vào một lớp môi tr ường có độ dày L. Nếu bỏ qua hiện t ượng mất ánh sáng do phản xạ và tán xạ mà cường độ I của ánh sáng ra khỏi môi trường bị giảm đi (tức là I<I o) thì còn có s ự hấp thụ ánh sáng bởi môi tr ường.
Hiện t ượng hấp thụ ánh sáng có thể được giải thích theo thuyết cổ điển và thuyết lượng tử. Hình 1: Hiện tượng hấp thụ ánh sáng 1.Giải thích theo quan niệm cổ điển Sự hấp thụ ánh sáng là kết quả của sự tương tác của sóng điện từ (sóng ánh sáng) với vật chất. Dưới tác dụng điện trường của sóng ánh sáng có tần số υ với các 11 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS. NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ electron của nguyên tử và phân tử dịch chuyển đối với hạt nhân tích điện dương và thực hiện dao động điều hòa với tần số υ.
Electron dao động trở thành nguồn phát sóng thứ cấp. Do sự giao thoa của sóng tới và sóng thứ cấp mà trong môi trường xuất hiện sóng có biên độ khác với biên độ của song tới. Do đó, cường độ của ánh sáng sau khi qua môi trường cũng thay đổi, không phải toàn bộ năng lượng bị hấp thụ bởi các nguyên tử và phân tử được giải phóng dưới dạng bức xạ mà có sự hao hụt do sự hấp thụ ánh sáng. Năng lượng bị hấp thụ có thể chuyển thành các dạng năng lượng khác, ví dụ năng lượng nhiệt, khi đó vật sẽ bị nóng lên.
Ðịnh luật Beer-Lambert về sự hấp thụ ánh sáng Giả sử một chùm tia sáng đơn sắc song song có cường độ Io rọi vuông góc vào môi trường đồng tính có chiều dày L được giới hạn bởi hai mặt song song. Do có sự hấp thụ mà cường độ ánh sáng ra khỏi môi trường là I<Io. Chia mẫu vật thành vô số các lớp mỏng có độ dày dx, chọn phương x là phương truyền của chùm tia sáng còn gốc tọa độ O nằm ở mặt trước của môi trường mà ánh sáng đi qua. Độ giảm cường độ dI trong lớp mỏng có độ dày dx của chất hấp thụ tỉ lệ với độ dày dx và với cường độ của ánh sáng tới, ta có: dI = − α.
dx (1) Dấu trừ chỉ sử giảm cường độ khi ánh sáng đi qua môi trường, α là hệ số suy giảm. Để tính cường độ I của ánh sáng khi đi qua môi trường chất, ta lấy tích phân biểu thức (1) từ x=0 đến x=L như sau: (1.1) α là hệ số suy giảm, đặc trưng cho độ giảm của cường độ ánh sáng khi đi qua môi trường, được gọi là hệ số hấp thụ của môi trường. Nó không phụ thuộc vào cường độ của ánh sáng mà phụ thuộc vào bản chất của vật chất. Như vậy, cường độ ánh sáng 12 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS.
NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ truyền qua môi trường hấp thụ giảm theo hàm số mũ. Hệ số hấp thụ Hệ số hấp thụ α phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng vì thế ta nói sự hấp thụ có tính chọn lọc. Với chất có α ít thay đổi theo bước sóng ta nói chất đó hấp thụ không chọn lọc. Trong thực tế hầu hết các chất đều hấp thụ chọn lọc.
Riêng đối với các chất khí loãng, hệ số hấp thụ đối với hầu hết các bước sóng gần bằng không chỉ trừ một vài miền quang phổ rất hẹp (độ rộng vài trăm Ao). Hình 2 Hình 3 Quan sát hình 2 ta thấy có các vạch hấp thụ rất mạnh. Các cực đại ứng với tần số cộng hưởng của electron trong nguyên tử. Ðối với các khí đa nguyêntử, ta quan sát được các vạch hấp thụ nằm sát nhau tạo thành dãy hấp thụ.
Cấu trúc của những dãy hấp thụ phụ thuộc vào thành phần và cấu tạo của các phân tử. Vì thế nghiên cứu quang phổ hấp thụ ta có thể biết cấu tạo phân tử. Ðó là phương pháp phân tích quang phổ hấp thụ. Các chất rắn, lỏng và khí ở áp suất cao cho ta các đám hấp thụ rất rộng (hình 3).
Khi tăng áp suất của chất khí, các vạch hấp thụ rộng ra và khi áp suất rất cao thì phổ hấp thụ của chất khí rất giống với phổ hấp thụ của nó ở trạng thái lỏng. Ðiều đó cho thấy sự mở rộng các vạch quang phổ là biểu hiện của sự tương tác giữa các phân tử. Phương pháp xác định nồng độ của các hệ thống xét nghiệm sinh hoá 1. Giới thiệu các phương pháp phân tích xác định nồng độ + Phương pháp quang: đo độ hấp thụ (hay còn gọi là đo màu), quang phổ tử ngoại khả kiến, quang phổ hấp thụ nguyên tử, quang phổ phát xạ nguyên tử, quang phổ 13 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS.
NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ huỳnh quang, phổ tia X…. + Phương pháp sắc ký: sắc ký bản mỏng, sắc ký lỏng cao áp, sắc ký khí, sắc ký trao đổi ion, sắc ký điện di mao quản, sắc ký ghép khối phổ LC -MS, GC-MS. + Phương pháp điện hóa: đo thế, chuẩn độ điện thế, điện cực chọn lọc ion, các kỹ thuật đo dựa trên quan hệ đường dòng-thế (volt-Ampe).2 Phương pháp xác định nồng độ dựa vào bộ cảm ứng quang điện. Bộ cảm ứng quang điện (photometer) là một thiết bị được sử dụng để biến đổi tín hiệu ánh sáng (thu được sau khi bị hấp thụ một phần khi cho một nguồn sáng đơn sắc chiếu qua một dung dịch) thành tín hiệu điện, từ đó có thể xác định cường độ ánh sáng có thể đi qua một dung dịch.
Do vậy, ta có thể sử dụng nó để đo nồng độ của một chất trong dung dịch bằng cách sử dụng định luật Beer-Lambert: nồng độ của một chất trong dung dịch tỉ lệ với cường độ ánh sáng được hấp thụ bởi dung dịch và tỉ lệ nghịch logarit của hệ số truyền qua bởi dung dịch. Mối liên hệ giữa nồng độ (C) với độ hấp thụ (A) và hệ số truyền qua (T) 1. Định luật Beer-Lambert Hình 4: Ánh sáng truyền qua dung dịch 14 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS. NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ (1.2) Hệ số Hệ số Ở đây: - Io = cường độ của ánh sáng tới - I = cường độ của ánh sáng sau khi qua dung dịch - k = hệ số suy giảm.
- C = nồng độ của dung dịch - L= bề dày của dung dịch mà ánh sáng đơn s ắc truyền qua - T=I/I0 hệ số truyền qua hoặc T=100*I/I 0(%) - A= Độ hấp thụ (Absorbance) Mối liên hệ giữa nồng độ và độ hấp thụ có dạng tuyến tính: C = A × Hệ số Hình 5: Biểu diễn mối liên hệ giữa nồng độ và độ hấp thu A 15 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS. NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ Mối li ên hệ giữa nồng độ và hệ số truyền qua có dạng sau: C = Hệ số× log(1/T) Hình 6: Biểu diễn mối li ên hệ giữa nồng độ và hệ số truyền T(%) 1. Tách ánh sáng đơn sắc từ nguồn ánh sáng nhiều thành phần Định luật Beer-Lambert chỉ nói nếu ánh sáng tới là đơn sắc, còn ánh sáng nhiều thành phần thì nó bao gồm nhiều ánh sáng đơn sắc, vậy muốn áp dụng định luật này để tính toán nồng độ dung dịch thì phải tách được ánh sáng đơn sắc. Ví dụ ánh sáng trắng là chùm sáng gồm nhiều ánh sáng đơn sắc khác nhau có bước sóng từ 380nm đến 750nm, mắt người và não nhận biết được các bước sóng khác nhau như các màu khác nhau.
Một vài bước sóng nằm gần nhau và màu của nó sẽ thấy được như sau: Bảng 1: Dãy sóng ánh sáng nhìn thấy 400-435 nm Violet 480-580 nm Green 595-610 nm Orange 435-480 nm Blue 580-595 nm Yellow 610-750 nm Red Hình 7: Phổ ánh sáng nhìn thấy 16 SVTH: BÙI HOÀI NAM GVHD: TS. NGUYỄN PHAN KIÊN XÂY DỰNG QUY TRÌNH KIỂM CHUẨN THIẾT BỊ XÉT NGHIỆM SINH HOÁ ĐA THÔNG SỐ Bảng 2: Một số dãy bức xạ được sử dụng trong chẩn đoán và điều trị Kiểu bức xạ Dãy tần số (Hz) Dãy b ước sóng 20 24 Tia gamma 10 -10 <1 pm Tia X 10 17 -1020 1 nm-1 pm Tia cực tím 1015 -1017 400 nm-1 nm 14 A/Snhìn thấy 4-7.5x10 750 nm-400 nm Cận hồng ngoại.5 µ m-750 nm Hồng ngoại 1013 -1014 25 µm-2.5 µm Vi ba 3x10 11 -1013 1 mm-25 µ m Vô tuyến <3x1011 >1 mm Trên thực tế thường dùng ánh sáng có bước sóng từ vùng tử ngoại cho đến một phần vùng hồng ngoại (200nm đến 1100nm) để xác định độ hấp thụ của dung dịch cần đo nồng độ. Bộ cảm ứng quang điện có thể tán sắc nhiều thành phần thành các bước sóng khác nhau bởi lăng kính. Thiết bị có thể chọn tia tới có bước sóng xác định bằng cách quay lăng kính.
Ánh sáng đi vào cuvette chứa đựng dung dịch cần đo và một phần bị hấp thụ bởi chất ở trong dung dịch (đó là chất hóa học có khả năng hấp thụ ánh sáng) tại bước sóng xác định. Phần Ánh sáng đơn sắc sẽ truyền qua và đập vào tế bào quang điện ở phía bên kia của cuvette và phát sinh ra dòng điện lúc đó tín hiệu điện sẽ được đo (từ tín hiệu quang chuyển thành tín hiệu điện), bộ cảm ứng quang điện có thể đọc được độ hệ số truyền qua (T) hoặc độ hấp thụ (absorbance -ABS ) trực tiếp trên thiết bị đo.