ĐIỆN ĐỘNG HỌC

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 ξε= 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. 117 Tất cả các hiện tượng điện động đều liên quan đến sự xuất hiện hiệu điện thế giữa pha phân tán và môi trường phân tán. Điện thế này còn được gọi là điện thế điện động hoặc Zeta điện thế (ξ - điện thế). Thế điện động chỉ xuất hiện do quá trình chuyển động của các pha trong hệ dị thể. Hiệu điện thế này được hình thành trên ranh giới giữa màng dung môi cực mỏng (gọi là lớp hấp phụ) trên bề mặt của hạt và toàn bộ phần chất lỏng còn lại của dung dịch. 4. 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. Thông thường, ta sử dụng phương pháp điện di để tách chiết các thành phần albumin, globulin trong huyết thanh; điện di protéin (phức chất lipid với protéin); điện di glucoprotéin (xác định các thành phần của protéin và glucid trong huyết thanh). 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 protéin trong huyết thanh. Sau Tiselius, Cremer ta thấy có nhiều nhà khoa học khác như Durrum đã xây dựng lý thuyết về hiện tượng này một cách tường minh. Trong hệ thống sống, các dịch sinh vật là các dung dịch điện ly, thông thường là sự phân ly không tuyệt đối hoàn toàn. Nếu gọi α là hệ số phân ly, với quá trình sinh vật thuận nghịch thì phản ứng sẽ diễn ra như sau: Thí dụ: Khảo sát sự hoà tan của Axit Acetic trong nước. Nếu dung dịch có nồng độ C mol Axit Axetic khi hoà tan trong một lít nước, ta có: CH3 - COOH CH3COO- + H+ Và nồng độ phân tử gam là: C(1- α ) Cα Cα Với α là hệ số phân ly. Theo định luật Guldberg và Waage thì: (6.2) . )1( . Const C CC =−α αα KC =−α α 1 2 (6.3) Với K là hằng số ion. 118 Tốc độ của các loại ion là khác nhau, nên nếu gọi ν+ và ν- là độ linh động của các ion dương và âm thì mật độ dòng điện là: (6.4) )( −+ += ννne S i Với i là dòng điện bên ngoài, S là tiết diện của vật. Khi hạt mang điện có điện lượng q là các đại phân tử Protéin, các hạt keo hay hạt mixen thì dưới tác dụng của điện trường E, chúng sẽ dịch chuyển với vận tốc v. Còn khi lực điện trường (fe) mà cân bằng với lực ma sát (fms) thì hạt sẽ chuyển động đều: qE = k v (6.5) v = qE/ k (6.6) Trong đó k là hệ số ma sát phụ thuộc vào hình dạng, kích thước phân tử hoà tan và độ nhớt của dung dịch. Theo định luật Stock, ta có lực nội ma sát được xác định là: Fms = 6πηrv (6.7) Với: r là bán kính hạt nhiễm điện η là độ nhớt của môi trường Từ (6.5) và (6.7) ta được: v = qE/ 6πηr (6.8) Do hiện tượng nội ma sát xảy ra, khi quả cầu có bán kính r, chuyển động tịnh tiến trong khối chất lưu, thì quả cầu sẽ kéo lớp chất lưu ở gần mặt tiếp xúc với nó chuyển động theo. Vận tốc biến đổi theo hướng chuyển động, được biểu diễn như (hình 6.3) dưới đây: v 2/3 r Hình 6.3: Lực tác dụng lên quả cầu bán kính r chuyển động trong chất lưu 119 Nếu đặt U là độ linh động điện di, thì theo định nghĩa: U = ν / E = q / k Khi điện trường E có giá trị bằng một đơn vị cường độ điện trường thì: U = ν. Vậy: Độ linh động điện di chính là tốc độ di chuyển điện di của các hạt nhiễm điện dưới tác dụng điện trường ngoài có cường độ điện trường là 1Volt/mét (V/m). Vì lực điện trường là trường lực thế, ta có thể áp dụng công thức thế năng trường lực điện khi làm dịch chuyển một đơn vị điện tích từ điểm khảo sát xa ra vô cùng, nên điện thế Zeta (ξ ) được xác định là: ξ = q / εr (6.9) ξε = q / r (6.10) Thế (6.10) vào (6.8), ta được: ν = ξε E / 6 πη (6.11) Hay: (6.12) v Eε πηξ 6= Đây là công thức Smolukhovski để xác định Zeta (ξ - điện thế của các phân tử, đại phân tử ion, các hạt hình cầu mang điện của lớp điện tích kép trong hiện tượng điện di. II. Nguồn gốc điện tích bề mặt. 1. Phân bố điện tích mặt. Dịch sinh vật là các chất được cấu tạo từ các dung dịch hoà tan, đặc biệt trong đó có chứa nhiều đại phân tử (như protéin, polisacarit, axit nucléid...) chất hoà tan, ở trạng thái keo. Đại phân tử sinh vật luôn luôn là dạng các polime cao phân tử được phân bố một cách rải rác chứa các nhóm phân cực. Các nhóm có cực này giữ chặt với các phân tử nước, do đó chúng không còn hút lẫn nhau nữa hoặc là bị ion hoá và tất cả các phân tử này đều mang những điện tích cùng dấu nên chúng thường đẩy nhau. 120 Các tế bào động vật, các tổ chức sinh học trong hệ thống sống là các đại phân tử phức tạp, đó là các hệ keo. Trong sinh vật ta thấy có các polime cao phân tử như: - Protéin tạo thành từ các mạch peptid của các axit amin - Polisacarit là các polime của glucopirano - Axit nucleid là các polime của nucléotid. Thông thường, trên ranh giới giữa hai pha của hệ trong dịch sinh vật có thể xuất hiện một hiệu điện thế do các lớp điện tích bề mặt. Các điện tích tự do xuất hiện dưới sự phân ly ion trong các nhóm chức của các đại phân tử. Chẳng hạn như đại phân tử protéin ở dạng lưỡng tính: NH3+ R NH R 2 Trong môi trường axit, các phân tử protéin đóng vai trò của một ion dương: NH3+ R + HCl NH3+ R + Cl- Trong dung dịch kiềm, thì đại phân tử Protéin lại đóng vai trò của một dạng ion âm: NH2 R + NaOH NH2 R +Na+ +H2O Cl- và Na+ là các ion nghịch Kết quả sự tạo thành hai loại ion ở đây là do quá trình ion hoá các nhóm NH2 và COOH. 121 Tóm lại, các điện tích tự do tồn tại trên bề mặt các hạt có liên quan đến pha phân tán. Sự xuất hiện điện tích trên bề mặt của các đối tượng sinh vật có thể do hai cơ chế: - Cơ chế ion hoá các nhóm phân ly. - Cơ chế hấp phụ các ion của môi trường phân tán lên bề mặt của các đại phân tử. Trong một số các loại ion, ta thấy có sự xuất hiện của ion H+ hay OH-. Do cơ chế hấp phụ khác nhau mà điện tích bề mặt của các đại phân tử sinh học có điện lượng khác nhau nhiều. Nói cách khác, điện tích mặt ngoài có thể xác định được qua sự biến đổi độ pH của dung dịch. Trong thí dụ ở trên ta thấy, đối với môi trường toan (axit mạnh) thì đại phân tử sinh học mang điện tích dương, ngược lại trong môi trường kiềm (độ pH cao) thì đại phân tử sinh học lại mang điện tích âm. Như vậy do hiện tượng điện chuyển mà dấu của điện tích của các đại phân tử phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Do sự phân bố lại các điện tích ở hai pha phân tán trong dịch sinh vật đã làm xuất hiện một thế điện động do lớp điện tích kép tạo thành. Do quá trình ion hoá các nhóm chức trong phân tử mà một số ion sẽ đi vào môi trường phân tán, những ion này gọi là những ion nghịch. Một số ion còn lại trong môi trường trên sẽ cố định trên các hạt pha phân tán, chúng sẽ xác định dấu của điện tích bề mặt gọi là ion tạo thế. III. Điện thế Zetta và phương pháp xác định. Lớp điện tích kép xuất hiện trong cấu trúc sinh vật có thể diễn ra theo nhiều cơ chế khác nhau. Với quan điểm tĩnh điện học, ta thấy sự xuất hiện lớp điện tích kép đó là do hiện tượng phân bố các loại điện tích ở hai phía màng sinh học. Nói một cách tổng quát hơn đó là sự sắp xếp của hai loại ion trái dấu nhau trên ranh giới giữa hai pha phân tán và môi trường phân tán như (hình 6.4) dưới đây: 122 (a) (b) + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + Â + + Âaûi phán t í SH + + + + + + + + + + Hình 6.4: Lớp điện tích kép trên bề mặt đại phân tử sinh học (a) và trên màng tế bào (b). Hai lớp điện tích kép trên cách nhau một khoảng d. Theo Debye và Huxkey, ta có thể xác định được bề dày d của lớp điện kép tại nhiệt độ 250C là: (6.13) )(5,.3 0Ad μ= Với μ là lực ion. Theo lý thuyết này, lực ion có giá trị được xác định bằng nửa tổng số các nồng độ (gam/lit) ion có mặt, còn nồng độ các thành phần thì được tính bằng cách nhân với bình phương hoá trị nguyên tố tương ứng. Thí dụ: Dung dịch NaCl (0,01N) có: μ = (0,01 . 12 + 0,01 . 12 ) / 2 = 0,01 Hiệu điện thế giữa hai lớp điện kép gọi là điện thế Zeta (ξ). Có thể xác định ξ điện thế dựa vào hiện tượng điện chuyển dưới tác dụng của lực điện trường như sau: Nếu gọi (ε) là hằng số điện môi của môi trường, (d) là chiều dày lớp điện tích kép, (ξ) là hiệu điện thế lớp kép, thì điện tích mặt ngoài (q) của các đại phân tử sinh vật được xác định là: ξπ ε d q 4 = (6.14) Dưới tác dụng của điện trường ngoài thì các đại phân tử chịu tác dụng của lực tĩnh điện là: E 123 (6.15) EqF = Tác dụng của lực điện trường làm cho các đại phân tử dịch chuyển với vận tốc v. Giả sử khi ion ở môi trường (lớp ngoài) không chuyển động và ( là hệ số nhớt của môi trường thì độ lớn của lực điện trường được xác định là: (6.16) d vEq η= Từ (6.14) và (6.16), ta có: ξπ εη 4 == E vqd (6.17) Công thức (6.17) chính là phương trình Smolukhovski. Trong đó ξ được tính bằng milivolt (mV), E là V/cm, v là (m/s thì đối với nước (ε = 80), ta được: ν = 0,0778 ξE Cấu tạo lớp điện tích kép cũng có thể biểu diễn theo sơ đồ như (hình 6.5). Trong dung dịch điện ly, các ion tạo thế nằm trên bề mặt hạt keo, còn các ion trái dấu thì được phân thành hai trường hợp sau: - Trường hợp thứ nhất là các hạt mang điện nằm gần bề mặt hạt keo (cỡ kích thước phân tử) được giữ chặt cạnh bề mặt hạt nhờ vào lực hấp phụ và được gọi là lớp hấp phụ. - Trường hợp thứ hai là các hạt mang điện chuyển động tự do dưới tác dụng nhiệt trong môi trường phân tán tạo thành lớp khuyếch tán. AB: là bề dày lớp phân tử, lớp này có bề dày d còn được gọi là lớp hấp phụ BC: là mặt phẳng riêng khi các phân tử, đại phân tử sắp xếp trong điện trường. 124 + - + + - + - + - + - + - - - + + - + - + + - - + - + - + - + - - + + - - + - + - + - + - - - + + - + + - - + - + - - + + A B C x ξ E d (a ) (b ) Hình 6.5: Thế nhiệt động học và thế điện động. (a): Sơ đồ cấu tạo lớp điện kép (b): Đặc trưng điện thế theo khoảng cách các lớp Trong sơ đồ trên ta có: E : thế nhiệt động học. ξ: thế điện động IV. Các yếu tố ảnh hưởng đến điện thế Zetta. Khi các phân tử trong hệ chuyển động, nếu tất cả các ion trái dấu đều bị tách ra khỏi bề mặt hạt keo thì giữa hai lớp điện tích này sẽ xuất hiện một hiệu điện thế E gọi là thế nhiệt động. Thực tế cho thấy, do lực liên kết các ion trái dấu trong lớp hấp phụ bao giờ cũng chuyển động cùng với hạt keo. Do đó dòng điện tạo ra chỉ bởi các hạt mang điện tự do còn hiệu điện thế bây giờ được xác định chủ yếu xảy 125 ra giữa lớp hấp phụ và lớp khuyếch tán. Hiệu điện thế giữa hai lớp này được gọi là thế điện động hay ξ - điện thế. Do vậy trong sinh vật, thế điện động bao giờ cũng có giá trị nhỏ hơn thế nhiệt động. Tính chất môi trường ảnh hưởng nhiều đến giá trị của ξ - điện thế. Chẳng hạn như khi thay đổi nồng độ ion trong môi trường phân tán, nhiệt độ môi trường đã làm thay đổi khả năng hấp phụ ion. Do đó thay đổi lớp điện tích kép làm cho giá trị ξ - điện thế thay đổi theo. Đại lượng ξ - điện thế là một chỉ số vật lý đặc trưng cho hệ thống sống. Dựa vào hệ số này có thể đánh giá trạng thái bệnh lý của các đối tượng sinh vật. Chẳng hạn như ở trạng thái bình thường, tế bào hồng cầu máu người có giá trị khoảng 16,3 mv còn nếu có sự sai khác thì đó là dấu hiệu của bệnh lý hoặc rối loạn về trạng thái chức năng. IV. Ý nghĩa sinh học của Zetta điện thế. Dựa vào bảng phân tích về thành phần các chất cấu trúc bên trong và bên ngoài màng tế bào hay số liệu về ξ - điện thế của các đối tượng sinh vật, ta thấy chúng phụ thuộc nhiều vào môi trường phân tán. Trong nhóm axit phân ly mạnh (nhóm photphat định hướng của phân tử xephalin) cho thấy thế ξ thay đổi phụ thuộc vào độ pH của môi trường. Thật vậy đối với hồng cầu, ta thấy điện thế ξ phụ thuộc vào điện tích tự do trên bề mặt tế bào. Các điện tích bề mặt hồng cầu lại bị chi phối bởi mức độ ion hóa của các nhóm phân ly trong phân tử photpholipit. Nghiên cứu trên một số động vật, các số liệu ghi nhận được cho thấy rằng: Các động vật khác nhau sẽ có thế điện động khác nhau như bảng (6.1). Bảng 6.1: Thế điện động của hồng cầu động vật trong dung dịch đệm photphat pH=7.4 (đẳng trương). (Theo: Nguyễn Thị Kim Ngân-Lý sinh học-ĐHQG Hà nội-2001) Đối tượng (-điện thế (mV) Thỏ Lợn Chuột nhắt Người Khỉ 7 12.5 14.2 16.3 17.0 126 Mèo Chuột bạch Chó 17.8 18.6 21.1 Các loài vi sinh vật thường có khả năng hấp phụ cao đối với phân tử protéin cũng như các chất hữu cơ. Thật vậy trong dịch sinh vật có các loại albumin, gelatin hoặc các sản phẩm phân huỷ từ tế bào, sự hấp phụ trên bề mặt màng cũng khác nhau, do đó thế điện động xuất hiện cũng có giá trị tương ứng. Ngoài ra sự hấp phụ bề mặt còn phụ thuộc vào đối tượng, thành phần cũng như đặc điểm cấu trúc bề mặt của chúng.