112
Dựa vào công thức Nernst để xác định giá trị điện thế hình thành
trong giai đoạn phân cực lại (chủ yếu do K+ tạo nên), ta được:
i
KK
K
ZF
RT
U
][
][
ln 0
+
+
=(3.25)
VIII. Áp dụng phương pháp đo điện thế trong chẩn đoán
và điều trị bệnh.
Hiện tượng điện động, ngày nay đã được sử dụng một cách phổ
biến trong Y-Sinh học. Dựa vào các quy luật tự nhiên, các phương pháp
vật lý, lý thuyết lý sinh để nghiên cứu hệ thống sống một cách khoa học.
Tuỳ theo nguồn tác nhân có bản chất lý hoá khác nhau mà làm thay đổi
quá trình phân bố điện tích ở hai phía màng tế bào, thay đổi tính thấm,
thay đổi áp suất thẩm thấu ...của đối tượng sinh vật. Nói chung, các yếu tố
tác động trên đều làm thay đổi trạng thái nhiệt động, do đó làm ảnh hưởng
quá trình trao đổi chất, dẫn đến sự thay đổi trạng thái chức năng của các
cơ quan trong hệ thống sống.
Tuy nhiên dưới ảnh hưởng của tác nhân là các loại dòng điện ngoài
có thể xảy ra nhiều tác dụng khác nhau về nhiều mặt lên cơ thể người và
động vật. Chẳng hạn như:
- Dưới tác dụng của dòng điện một chiều, ta thấy các điện tích-ion
chịu tác động của lực điện trường. Sự phân bố trở lại các điện
tích trên đối tượng khảo sát đã làm ảnh hưởng đến quá trình trao
đổi chất cũng như trao đổi ion qua màng.
Nói một cách khái quát là có sự thay đổi tính chất hoá lý,
các chỉ tiêu sinh học của những đối tượng sinh vật. Dòng điện
một chiều được ứng dụng nhiều trong Y học để làm nguồn tác
nhân kích thích cơ quan thụ cảm thần kinh, đo suất
Galvanotonus, hoặc sử dụng điều trị trong ion liệu pháp (thí
nghiệm LeDue)
- Dưới tác dụng của dao động điện từ : Dòng điện cao tần được sử
dụng rộng rãi trong y học để điều trị bệnh. Dựa trên các hiệu ứng
nhiệt, hiệu ứng điện - cơ không mang bản chất nhiệt hoặc hiệu
ứng kích thích. Ngày nay trong vật lý trị liệu ứng dụng loại dòng
điện này để điều trị các bệnh về xương, khớp, kích thích cơ, thần
kinh và phục hồi chức năng...
- Dưới tác dụng của nguồn kích thích dạng xung dòng điện hay
xung điện áp với cường độ nhỏ và biến đổi trong khoảng thời
gian ngắn, tần số thích hợp để tạo các kích thích điện. Trong Vật
lý trị liệu, người ta thường dùng xung kích thích để điều trị các
113
bệnh thần kinh, mạch máu, rối loạn chuyển hoá...Trong lâm
sàng, người ta còn sử dụng nguồn tác nhân kích thích để tạo các
kích thích điện, sốc điện (electric shock). Để thăm dò chức năng
hoạt động của cơ, thần kinh, trong nghiên cứu y học người ta
thường đưa ra các thông số như thời trị (Chronaxy), thời gian đáp
ứng hoặc để xác định về ngưỡng kích thích (Rhéobase) của các
đối tượng nghiên cứu.
- Dựa trên hiện tượng điện động để làm thay đổi tính chất hoá lý
của các tế bào, thay đổi quá trình trao đổi ion cũng như trao đổi
chất trong hệ thống sống. Tóm lại, ngày nay việc ứng dụng về
hiện tượng điện động trong Y-Sinh được sử dụng khá phổ biến
và đóng vai trò thiết yếu không thể thiếu trong việc chẩn đoán,
thăm dò và điều trị bệnh.
114
Chương 6
ĐIỆN ĐỘNG HỌC
I. Các hiện tượng điện động học.
Các tế bào, các tổ chức sống, các cơ quan của hệ thống sống
là một hệ keo dị thể phức tạp bao gồm nhiều pha khác nhau. Do tác
động của điện trường ngoài không đổi đã làm xuất hiện sự chuyển
động tương đối giữa các pha trong hệ, ngược lại nếu các pha có thành
phần chất hoà tan khác nhau thì dưới chuyển động cơ học của các ion
cũng sẽ tạo nên trong hệ một hiệu điện thế nào đó. Các hiện tượng
điện xuất hiện trong quá trình này được gọi là các hiện tượng điện
động và chúng được phân thành các loại sau đây như: điện di, điện
thẩm, điện thế chảy, điện thế lắng...
Năm 1809 Reis là người đầu tiên phát hiện thấy các hiện
tượng điện động học khi nghiên cứu chuyển động của các hạt đất sét
dưới tác dụng của dòng điện một chiều. Qua thí nghiệm của mình,
Reis thấy rằng các hạt keo mang điện tích cũng có khả năng vận
chuyển được trong điện trường, đồng thời cùng với quá trình biến đổi
đó thì môi trường phân tán cũng sẽ chuyển động theo. Như vậy trong
thí nghiệm trên, Reis đã phát hiện ra hai hiện tượng đặc biệt quan
trọng, là khi các hạt tích điện sẽ dịch chuyển dưới tác dụng của điện
trường ngoài, đó là hiện tượng điện di hay điện thẩm.
1. Điện thẩm.
Là sự chuyển động của các môi trường phân tán tới phía điện
cực cùng dấu với diện tích bề mặt của pha phân tán. Dựa vào sự dịch
chuyển của các ion trong điện trường ta dễ dàng phân tích một hỗn
hợp polime sinh vật bằng hiện tượng điện thẩm hay điện chuyển trên
băng ghi. Dịch sinh vật là các dung dịch điện ly có nhiều thành phần,
với độ hoà tan khác nhau. Do đó dưới tác dụng của điện trường
ngoài, các dung dịch loãng và các đại phân tử ion hoá có tốc độ dịch
chuyển khác nhau. Hiện tượng điện thẩm dễ dàng phân biệt được đó
là sự chuyển động của dòng chất lỏng, trong khi đó dòng chuyển
động của các hạt (phân tử và các đại phân tử ion hoá) là do hiện
tượng điện di tạo nên. Qúa trình điện thẩm có thể xảy ra trong nhiều
trường hợp và qua các tổ chức sinh học khác nhau, chẳng hạn như da
ếch, màng tế bào, thành động mạch, mao quản, vách mao mạch...
115
Dựa vào giá trị hiệu số điện thế điện hoá của lớp điện tích kép
( ξ ), Smolukhovski đã đưa ra công thức để xác định tốc độ chuyển
động tương đối của các hạt giữa hai lớp là:
(6.1)
Ev
πη
ξ
ε
=4
Trong đó: ε là hằng số điện môi của môi trường
η là hệ số nội ma sát của dung dịch,
E là cường độ điện trường tĩnh
(ξ và E được tính theo đơn vị mV )
2. Điện thế chảy.
Điện thế chảy xuất hiện khi chất lỏng chuyển động dưới tác
dụng của áp suất thuỷ tĩnh qua các mao quản, hoặc các lỗ nhỏ của
màng, mà thành lỗ có mang điện tích. Hiện tượng dịch chuyển của
các chất làm xuất hiện điện thế chảy theo chiều hướng ngược lại so
với hiện tượng điện thẩm. Ở đây sự chuyển động của môi trường
phân tán sẽ tạo nên một hiệu điện thế trong bản thân hệ.
Để thấy rõ điều này, ta tiến hành thí nghiệm như sau: -Dùng
một bình thuỷ tinh hai ngăn chứa dung dịch sinh lý, ngăn cách nhau
bằng một màng da ếch. Ở đây dung dịch sinh vật là các môi trường
phân tán, còn màng da ếch đóng vai trò để tạo ra các pha phân tán.
Hiện tượng xảy ra được biểu diễn như (hình 6.1) dưới đây:
Hình 6.1: Điện thế chảy xuất hiện qua các lỗ màng.
Nếu tăng áp suất ở nữa bình phía bên trái thì chất lỏng sẽ
chuyển động về bên phải bình, đồng thời giữa hai phía của bình sẽ
xuất hiện một hiệu điện thế. Điện thế mới hình thành đó chính là giá
trị của điện thế chảy. Sự chênh lệch điện thế ở hai bình là hiệu điện
116
thế đo được ở hai phía của màng ngăn cách hai dung dịch. Nguyên
nhân xuất hiện hiệu điện thế trên là do trạng thái cân bằng tĩnh điện bị
phá vỡ. Điện thế chảy cũng dễ dàng khảo sát được khi tiến hành thí
nghiệm với các dịch sinh vật và cho chuyển động qua các màng xốp
hay các màng bán thấm. Do đó, dựa vào hiện tượng đã trình bày trên,
thông thường người ta hay sử dụng các màng lọc để đo độ xốp của
các đối tượng nghiên cứu là các tổ chức sinh vật.
3. Điện thế lắng.
Điện thế lắng là hiệu số điện thế xuất hiện giữa lớp trên và lớp
dưới của dung dịch đa pha trong quá trình lắng các hạt mang điện của
các pha phân tán dưới tác dụng của trọng lực. Bản chất của hiện
tượng làm xuất hiện loại điện thế này khác hẳn so với hiện tượng làm
xuất hiện hiệu điện thế trong quá trình điện di.
Có thể khảo sát hiện tượng xảy ra trong quá trình lắng của
máu chẳng hạn (hình 6.2). Máu là một dung dịch keo, các thành phần
hữu hình của máu (hồng cầu, bạch cầu) có trọng lượng riêng lớn hơn
huyết thanh nên sẽ lắng xuống đáy bình. Trong quá trình lắng máu đã
làm xuất hiện một sự chênh lệch điện thế giữa lớp trên và lớp dưới
của dịch sinh vật. Điện thế xuất hiện trong trường hợp này chính là
điện thế lắng.
Hình 6.2: Điện thế lắng trong quá trình lắng máu
Quá trình chuyển động làm xuất hiện điện thế lắng của máu
có thể giải thích như sau: Hiện tượng lắng máu làm các ion dương
tách ra khỏi sự chuyển động của các thành phần hữu hình. Kết quả
thực nghiệm cho ta thấy rõ điều đó, các lớp dưới của dung dịch có
điện thế âm vì mang điện lượng âm, còn các lớp trên mang điện thế
dương vì có nhiều điện tích dương.