các thiết bị phân tích quang học

I. CÁC THIẾT BỊ QUANG HỌC DÙNG TRONG Y- SINH HỌC
I.1. ỐNG DẪN SÁNG
Ống dẫn sáng là một ống trong suốt làm bằng thuỷ tinh hay chất dẻo, tuỳ theo
chiết suất của chất làm nên ống mà người ta uốn cong sao cho tia sáng sau khi vào
ống đến thành ống dưới những góc tới lớn hơn góc giới hạn trong hiện tượng phản
xạ toàn phần để tránh mất mát cường độ sáng do tia khúc xạ đ ra khỏi thành ống.
đồng thời ống được thiết kế sao cho ảnh của vật ít bò méo dạng nhất.

Trong y học người ta dùng ống dẫn sáng để nội soi, tức là để quan sát một số
cơ quan bên trong cơ thể mà không cần phẫu thuật hoặc chỉ cần phẫu thuật nhỏ mà
thôi.
Thí dụ: người ta dùng ống dẫn sáng để nội soi đường ruột bằng cách đưa vào
thực quản hoặc chọc ở bụng.
I.2. KHÚC XẠ KẾ
Khúc xạ kế là dụng cụ dùng để xác đònh nhanh chónh chiết suất của các chất
rắn, lỏng, khí bằng cách tính góc giới hạn trong hiện tượng phản xạ toàn phần theo
biểu thức :
sin Ith = n21
Khúc xạ kế do chất lỏng thường dùng là khúc xạ kế ABBE bao gồm các bộ
phận chính sau:
 Một lăng kính kép gồm hai lăng kính tam giác vuông có chiết suất khá lớn,
mặt cạnh huyền áp vào nhau. Chất lỏng cần đo chiết suất nhỏ thành một lớp mỏng
(chừng 0,1mm) khi ra giữ a 2 mặt huyền. Khi cho một chùm sóng rộng rọi vào mặt
bên của lăng kính P 2, tia nào có góc tới nhỏ hơn góc tới hạn thì sẽ đi qua được P1 và
vào kính ngắm L còn những tia có góc tới lớn hơn góc tới hạn thì phản xạ toàn phần
đi ra ngoài, không vào được kính ngắm. Do đó khi nhìn vào kính sẽ thấy 2 miền
sáng tối, di chuyển kính ngắm sao cho đường ranh giới hai miền này đúng vào điểm
giữa dãy chữ thập. Từ đó có thể xác đònh được góc hay hai ith vì kính ngắm sẽ được
đặt trên thước chia độ sẵn. Ngày nay người ta thiết kế sẵn các vạch chỉ trò số chiết
suất, hoặc nồng độ ở ngay đường phân giới mà không cần di chuyển kính ngắm.

Trong y học người ta dùng khúc xạ kế để xác đònh nhanh nồng độ, một số chất
sinh học nhờ sự tương quan giữa chiết suất và nồng độ.

Trang 1


I.3. KÍNH HIỂN VI
Chúng ta đã biết đối tượng nghiên cứu của lý sinh là các hệ thống sống và hoạt
động của nó. Nhiệm vụ của lí sinh là nghiên cứu không phải chỉ ở mức tế bào mà
còn có kích thước nhỏ hơn, đó là các đại phân tử (AND, ARN, Acid amin, các phân
tử đường...). Sự sắp xếp các phân tử này tạo nên các thành phần cấu trúc cơ bản củ a
cấu trúc tế bào như protid, glucid, lipid, ... Các cấu trúc này có kích thước nhỏ bé.
Khi nghiên cứu phải quan sát, đo đạc, trong khi góc phân li tối thiểu của mắt bình
thường là min= 1 phút. Ứng với giá trò của góc này, ở khoảng cách nhìn thuận lợi
l=25cm, còn phân biệt được hai điểm AB có khoảng cách d = 7,5.10 -5 m, vớikhoảng
cách nhỏ hơn thì mắt không phân li được nữa. Lúc đó A’ và B’ là ảnh của A, B sẽ
trùng nhau và sẽ cùng kích thước lên một tế bào thần kinh thò giác, mắt không phân
li được A, B, muốn nhìn được vật có kích thước quá bé ( m ) phải dùng dụng cụ bổ
trợ cho mắt. Tác dụng của dụng cụ bổ trợ là làm tăng góc nhìn, mắt sẽ quan sát được
ảnh của vật dưới góc nhìn lớn hơn tức là làm tăng năng suất phân li của mắt. Thí dụ
một vật AB có kích thước khá bé đặt cách mắt một khoảng bằng l o=25cm thì mắt
không phân li được A, B hoặc nhìn thấy ảnh A’, B’ của A,B nhưng không rõ. Nếu
đặt trước mắt một thấu kính hội tụ L sao cho AB nằm trong khoảng tiêu cự củaL, lúc
đó mắt sẽ quan sát ảnh A1B1 của AB dưới góc nhìn > min. L đặt ở vò trí thích hợp
để cho A1B1 có vò trí nằm trong khoảng cách nhìn thuận lợi lo= 25cm. (hình 1-8)
B


A

A'

l

B'

Hình 5-3

Các dụng cụ bổ trợ cho mắt trong nghiên cứu y học, sinh học là các loại kính
hiển vi bao gồm các loại kính hiển vi quang học, kính hiển vi điện tử.

 A. Kính hiển vi quang học
Kính hiển vi quang học là KHV sử dụng ánh sáng làm nguồn chiếu vào vật để
tạo ảnh trên hệ quang học của kính, tuỳ theo cácloại nguồn chiếu và nguyên tắc tạo

Trang 2


ảnh mà ta có các loại kính hiển vi quang học khác nhau như :kính hiển vi quang học
trường sáng, KHV tử ngoại, KHV huỳnh quang….
1. Kính hiển vi quang học trường sáng
a. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động :
Kính hiển vi quang học trường sáng là loại KHV có nguồn chiếu là nguồn phát
ánh sáng trắng và thấu kính làm bằng thuỷ tinh trong suốt.
Các bộ phận chủ yếu của KHV trường sáng bao gồm vật kính và thò kính. Vật
kính O1 là một hệ thấu kính quang học phức tạp, tác dụng như một thấu kính hội tụ
có tiêu cự rất nhỏ (vài mm), thò kính O2 cũng là thấu kính hội tụ quang học có tiêu
cự lớn hơn đặt cách O1 một khoảng rất lớn so với hai tiêu cự của chúng.
Nguyên tắc hoạt động của KHV như sau :
O2

O1
B

A2

A1

A
B1
B2

Hình 5.4
Vật nhỏ AB phải quansát được đặt trước tiêu điểm F2 của vật kính (tức nằm
ngoài tiêu cự) và rất gần tiêu điểm vật kính O1 sẽ cho một ảnh thực A1B1 cho ngược
chiều lớn hơn vật. A1B1 đóng vai trò vật đối với thò kính O2 và cho ảnh ảo A2B2, ảnh
ảo này lớn gấp nhiều lần A1B1 và gấp bội lần AB.Đặt mắt sau thò kính ta sẽ quan sát
được ảnh ảo này. Muốn nhìn rõ được ảnh ảo A2B2 ta phải điều chỉnh vật AB với
kính (hoặc điều chỉnh kính đối với vật) sao cho ảnh A2B2 nằm trong khoảng nhìn rõ
nhất của mắt (hình 5-4)
* Năng suất phân li của kính hiển vi
B

d

 min
A

f

Hình 5-5

Trang 3


Chúng ta đã biết các tia sáng cũng như các chùm điện tử có cùng vận tốc khi đi
qua một khe hẹp đều bò thay đổi phương truyền do hiện tượng nhiễu xạ. Nhờ có
hiện tượng nhiễu xạ và vận dụng tiêu chuẩn Rayleigh người ta đã xác đònh được khả
năng phân li của các dụng cụ hiển vi :

Hình 5-6

Năng suất phân li của dụng cụ hiển vi là một đại lượng cho biết khả năng phân
li hai điểm có khoảng cách nhỏ nhất (cỡ m). Năng suất phân li càng lớn thì khả
năng phân giải càng cao. Thí dụ hai điểm sáng có khoảng cách là l qua kính hiển vi
cho 2 ảnh nhiễu xạ có cực đại trung tâm với cường độ phân bố trên hình 5-6.Các
đường đậm nét là cường độ sáng tổng hợp. Từ đây dễ dàng thấy khả năng phân li 2
điểm sáng khi khoảng cách d giữa hai đỉnh của hai cực đại trung tâm phải lớn hơn
bán kính vân sáng trung tâm tức là d>p, khi p thì không có khả năng phân li nữa.
Như vậy, phải có dmin để cho KHV còn có khả năng phân ly. Chúng ta đã biết :
   .F  1 ,22

nên d  1 ,22


f
2r


f
2r

người ta đã chứng minh được với điều kiện trên thì:
  0 ,61


n . sin 

 là khoảng cách giữa hai điểm sáng mà mắt còn phân biệt được. Nếu gọi

năng suất phân li của KHV là S thì nó là đại lượng nghòch đảo của I
cách nhỏ nhất giữ a hai diểm sáng)
S


 min

với  min  0 ,61

min

(khoảng


n . sin 

 n: chiết suất môi trường đặt vật quan sát
 : góc lệch của tia sáng hoặc chùm điện tử với trục chính
 : bước sóng

Trang 4

Từ (1-7) chúng ta thấy muốn có S lớn thì  min phải nhỏ, I  I 0 10  .l .c nhỏ khi n,
 là lớn và  càng bé càng tốt. Chính vì vậy chùm điện tử có bước sóng liên kết rất
nhỏ nên KHV điện tử có khả năng phóng đại lớn hơn (105 lần )KHV quang học.

b. Độ phóng đại của kính hiển vi :
 Đại lượng đặc trưng thường dùng nhất của KHV là độ phóng đại – tỷ số độ
lớn ảnh cuối cùng trên độ lớn vật.
k

Mà

A2 B2 A2 B2 A1 B1


AB
A1 B1
AB

A2 B2
AB
 k 2 .  1 1  k1 là độ phóng đại của thò kính và vật kính.
A1 B1
AB

Vậy độ phóng đại của KHV là :
k  k1  k 2

(1-8)

 Gọi khoảng cách giữa tiêu điểm chính thứ hai của vật kính và tiêu điểm
chính thứ của thò kính là ,  là độ dài quang học của KHV.
 f1 tiêu cự thứ hai của vật kính
 f2 tiêu cự thứ hai của thò kính

Người ta đã chứng minh được độ phóng đại của KHV xác đònh theo công thức
sau:
K  KV K T 

 0
.
(  0  25cm )
f '1 f ' 2

Công thức 1-9 cho biết với  , l cố đònh thì các hệ quang học có tiêu cự càng
ngắn độ phóng đại càng lớn. Tuy nhiên, việc giảm tiêu cự của vật kính và thò kính
cũng bò giới hạn hiện tượng nhiễu xạ của ánh sáng trong kính hiển vi, bởi vì với tiêu
cự f1 và f2 quá bé sẽ không còn khả năng phân biệt được hai điểm sáng nằm gần
nhau. Nhưng dựa vào điều kiện  min  0 ,61


chúng ta có thể làm tăng năng
n . sin 

suất phân li KHV trường sáng bằng cách tăng n của môi trường chứa vật quan sát
hoặc tăng góc  (góc mở của vật kính ).Việc tăng  cũng chỉ có một giới hạn nhật
đònh vì góc  quá lớn sẽ làm xuất hiện hiện tượng quang sai. Biện pháp tốt nhất là
tăng n của môi trường chứa vật, để thực hiện điều đó người ta thường để vật kính
chìm trong môi trường có chiết suất lớn như dầu bá hương (n = 1,4). Sử dụng vật

kính chìm còn khắc phục được hiện tượng quang sai và hiện tượng phản xạ toàn
phần giữa tấm thủy tinh và không khí (hình 1.12). Chiết suất của dầu được chọn
bằng chiết suất của thủy tinh. Khi đó góc mở  có thể  900 với n= 1,5 thì giá trò sin
0 = 1,4 và khả năng phân giải có thể tăng lên tới 4,5 lần so với khi không dùng vật
kính chìm. Từ công thức min  0 ,61
chúng ta thấy khi chiếu sáng kính hiển
n . sin 
vi bằng ánh sáng có bước sóng  chỉ có thể phân giải được các điểm cách nhau một
khoảng  . Do đó lúc này những vật có kích thước <  dùng kính hiển vi có tinh xảo
đến đâu không phân giải được.

Trang 5


c. Độ tương phản
Độ tương phản là sự khác nhau giữa cường độ sáng trên ảnh của vật và môi
trường xung quanh hoặc giữa các phần khác nhau trên ảnh. Độ tương phản càng lớn
thì ảnh càng rõ nét. Khi cho ánh sánh có bước sóng xác đònh chiếu vào vật cần quan
sát thì độ tương phản thể hiện sự hấp thụ khác nhau giữa các phần cần nghiên cứu
với môi trường xung quanh. Muốn quan sát nhân và bào tương của tế bào thì cường
độ sáng đi qua nhân và qua bào tương phải khác nhau. Do đặc điểm riêng của các
cấu trúc, khả năng hấp thụ năng lượng của chúng sẽ khác nhau. Tuy nhiên trong
thực tế có những đối tượng sống có mức độ hấp thu năng lượng ánh sáng giống nhau
với môi trường xung quanh, do đó độ tương phản của ảnh kém và ảnh không rõ. Để
giải quyết vấn đề này người ta nhuộm vật nghiên cứu, vật hấp thụ thuốc nhuộm
khác hẳn và độ tương phản của ảnh sẽ được tăng lên. Nhưng việc nhuộm tiêu bản
làm chết tế bào nên không thể quan sát trực tiếp các hoạt động sống của tế bào.
2. Kính hiển vi tử ngoại
Nguyên lí và cấu tạo cơ bản giống kính hiển vi trường sáng chỉ khác ở điểm
sau đây:

 Soi tiêu bản bằng ánh sáng tử ngoại (đèn thủy ngân).
 Các thấu kính làm bằng thạch anh bởi vì thủy tinh thường hấp thụ mạnh tia
tử ngoại còn thạch anh không hấp thụ tia tử ngoại.

Có bộ lọc tia tử ngoại để tạo ra chùm tia đơn sắc bao gồm lăng kính phân tích,
khe lọc và lăng kính phản xạ toàn phần (hình 1-13). Cần chú ý không quan sát trên
kính hiển vi tử ngoại bằng mắt thường vì tia tử ngoại có tác hại lớn tới mắt. Vì vậy
khi nghiên cứu bằng kính hiển vi tử ngoại phải chụp bằng phim ảnh hoặc kính ảnh.

Trang 6


Ưu điểm chính của tia tử ngoại là tia tử ngoại có bước sóng ngắn do đó (theo
công thức 1-7) làm tăng năng suất phân li của kính (có thể tăng gấp đôi so với kính
hiển vi trường sáng), đồng thời cũng làm tăng độ tương phản của ảnh vì các thành
phần cấu trúc của tế bào như protein, acid nucleic hấp thụ mạnh tia tử ngoại.
3. Kính hiển vi huỳnh quang
Nguyên lí của kính hiển vi huỳnh quang là dựa vào hiện tượng một số chất khi
bò tia tử ngoại kích thích sẽ phát ra ánh sáng có bước sóng đặc trưng cho chính nó.
Thí dụ diệp lục sẽ phát quang màu đỏ tươi. Sự phát quang của chính vật cần nghiên
cứu do tác dụng của tia tử ngoại tạo nên ánh sáng huỳnh quang sẽ tạo ảnh của vật
qua kính hiển vi. Từ nguyên lí này chúng ta thấy cấu tạo của kính hiển vi huỳnh
quang có những phần giống kính hiển vi trường sáng và kính hiển vi tử ngoại, chỉ
thêm một bộ phận ngăn tia tử ngoại để nó không có troing thành phần tạo ảnh của
vật. Có một số thành phần trong cấu trúc tế bào như protein, acid nucleic... không
có khả năng phát quang do đó phải nhuộm các đối tượng đó bằng các chất có khả
năng phát quang.
4. Kính hiển vi trường tối
Một số đối tượng ở dạng dung dòch không đồng nhất về mặt quang học do đó
khi chòu tác dụng của ánh sáng sẽ xuất hiện hiện tượng giống như tán xạ Tyndall đối

với môi trường dung dòch có chứa các hạt lạ (hình 5-9)
Ánh sáng tới
Ánh sáng
tán xạ



Hình 5-9
Hiện tượng tán xạ chính là hiện tượng các tia sáng sau khi đi qua môi trường
dung dòch có chứa các hạt lạ sẽ bò đối phương so với phương truyền ban đầu. Cường

Trang 7


độ của ánh sáng tán xạ phụ thộc vào kích thước của hạt lạ, bước sóng của ánh sáng
kích thích  , góc lệch , số hạt lạ N và thể tích của hạt V.
J TX  KI 0

NV2
( 1  cos 2  )
r 24

(1-10)

(JTX là cường độ tán xạ; Io là cường độ sáng ban đầu và r là khoảng cách tại
điểm xét cường độ sáng đến nguồn). Khi hạt lạ có kích thước khá bé thì:
J TX  k

I
2

(1-11)

Lúc này JTX chỉ phụ thuộc vào bước sóng và tỷ lệ nghòch với bình phương của
bước sóng ánh sáng tán xạ. Dựa vào hiện tượng tán xạ người ta đã tạo ra kính hiển
vi trường tối.
Về cấu tạo cơ bản giống kính hiển vi trường sáng chỉ thêm màn chắn AB đặt
dưới kính tụ quang để ngăn các tia sáng gần trục và cho các tia xa trục chính đi qua
thấu kính. Các tia sáng đi qua mép thấu kính bò khúc xạ với góc lớn, do đó sau khi
đi qua tiêu bản sẽ không tác dụng vào thò kính. Các hạt nhỏ có trong tiêu bản khi bò
chiếu sáng sẽ trở thành nguồn thứ cấp phát ra ánh sáng truyền đi theo mọi hướng
và đi vào thò kính, nhờ đó mà ta quan sát được tiêu bản.
L1
D1

A

B

Thò kính

D2

Vật quan sát

Kính hiển vi trường tối làm tăng độ tương phản nhưng lại làm giảm khả năng
phân li so với các kính hiển vi khác. Vì thế nó chỉ được ứng dụng để quan sát sự di
chuyển (hoạt động )của đối tượng sống không sử dụng trong nghiên cứu về các...
5. Phương pháp chiếu và chụp bằng kính hiển vi
Nguyên lí chung của

phương pháp này là qua quang
hệ của kính hiển vi phải tạo ra
được ảnh vật của vật quan sát.
Muốn có ảnh thật phải bố trí thò
kính hoặc vật kính sao cho ảnh
của vật tạo bởi vật kính phải
nằm ngoài tiêu điểm thứ nhất
của thò kính.
Trang 8


Muốn chiếu ảnh ta chỉ cần đặt màn ảnh tại vò trí của ảnh thật, vò trí của màn
ảnh phải được đặt thích hợp để cho ảnh rõ nét.
Muốn chụp hoặc quay phim chỉ việc đặt máy ảnh hay máy quay phim vào vò
trí của mắt quan sát và điều chỉnh ảnh thật của quang hệ hiện lên phim ảnh giống
như ảnh hiện lên võng mạc của mắt khi quan sát (hình 5-11)
6. Cách đo kích thước bằng các vật nhỏ bằng kính hiển vi
a. Thước trắc vi
Trong y học và sinh học nhiều lúc phải quan sát và đo lường kích thước các tế
bào, các vi sinh vật mà với mắt thường không có khả năng nhìn thấy được. Để quan
sát và đo lường được đối tượng đó phải sử dụng kính hiển vi quang học trường sáng
có thêm bộ phận đo độ dài, đó là thước trắc vi vật kính (TVVK) và trắc vi thò kính
(TVTK).
- Thước trắc vi vật kính : là thước đo độ dài có độ chia nhỏ nhất 10  m.Thước
này được vạch trên một tấm kính nhỏ (26  76mm).Toàn bộ chiều dài của thước
1mm được chia thành 100 phần bằng nhau. Thước TVVK có giá trò độ chia phù hợp
với kích thước của đối tượng cần đo, và không thấy rõ bằng mắt thường được nên
phải đo qua kính hiển vi

Hình 5-12a

- Trắc vi thò kính: là một bộ phận gồm có thò kính và một thước chia độ. Thước
có độ dài xác đònh, được chia đều thành 8 vạch từ 0  8. Thước được vạch trên tấm
kính trong suốt có mặt phẳng là K1 giá trò mỗi độ chia chưa biết cụ thể như ở TVVK,
mà mỗi độ chia này được đánh giá qua sự di chuyển của vạch chuẩn nằm trên một
tấm kính phẳng K2 trong suốt, song song và gần tiếp xúc với K1 (hình 5-12b).
Sự di chuyển vò trí của vạch chuẩn thực hiện với một ốc làm chuyển động mặt
phẳng K2 (chứa vạch chuẩn). Núm xoáy ốc hình tròn, trên vành núm ốc được chia
thành 100 phần bằng nhau từ 0  100. Điều chỉnh số “0” ở núm ốc về vò trí sao cho
vạch chuẩn trùng với số “0” ở thước chia độ. Khi núm ốc quay tròn một vòng thì ốc
dòch chuyển được một “bướu ốc” tương ứng với độ dài 1mm. Khi đó vạch chuẩn ở
K2 dòch chuyển được một khoảng bằng một độ chia của thước chia độ. Vậy mỗi độ
chia ở thước ứng với 1 mm độ dài. Giá trò mỗi độ chia của thước ở TVTK chỉ được
đánh giá gián tiếp, giá trò này phù hợp với kích thước ảnh của vật qua kính hiển vi.
b. Phương pháp đo
 Làm tiêu bản: cố đònh đối tượng nghiên cứu trên một lam kính sao cho độ
tương phản giữa đối tượng đo và môi trường chứa nó là lớn nhất.

Trang 9


 Xác đònh giá trò: độ chia của thước TVTK theo giá trò độ chia đã biết của
thước TVVK. Cách tiến hành như sau:

Đặt TVVK lên mâm kính tại vò trí củ ối tượng cần đo, điều chỉnh kính sao
cho ảnh của của hai thước cùng hiện rõ trong thò trường, điều chỉnh hai thước song
song và gần trùng lên nhau, tìm các vạch trùng nhau của hai thước sau đó đếm số
vạch trong khoảng giới hạn của hai vò trí có vạch trùng. Ta có:
S  10.

n

m
N

 N: là số vạch của thước TVTK
 n: là số vạch ở thước TVVK
 S: là giá trò một độ chia của thước TVTK

Đo kích thước vật: Đặt đối tượng đo vào vò trí của TVVK, sao đó dùng vạch
chuẩn để xác đònh giới hạn của kích thước đối tượng là L, ta có:
d 

L  S N 
m
100 


 L: độ dài kích thước đối tượng đo.
 N: số vạch chẵn của TVTK.
 d: phần lẻ của vạch, phần này được đọc ở số độ chia trên núm ốc
bên ngoài.

Ta biết độ phóng đại của kính hiển vi là K = Kv. KT nên kích thước thật của đối
tượng sẽ được đo theo cách như sau:
L

L'
L'

( m )
K KV .K T

Xác đònh được kích thước ảnh, ta sẽ biết được kích thước thật của vật. Phương
pháp trên cho phép ta đo kích thước các vật nhỏ mà bằng mắt thường không thể xác
đònh được.

 B. Kính hiển vi điện tử.
a. Cấu tạo:
Khi xét về năng suất phân li của kính hiển vi quang học trường sáng, ta đã biết
công thức sau:
d


(1-12)
2n sin 

Trong đó d là khoảng cách phân ly tối thiểu của kính,  là bước sóng của ánh
sang chiếu vào vật, n là chiết suất của môi trường giữa vật và thấu kính,  là góc
mở của vật kính. Kính hiển vi sẽ có năng suất phân li càng lớn nếu d càng nhỏ. Như
vậy, năng suất phân li tỉ lệ nghòch với  và tỉ lệ thuận với a và sin  .
Ở các kính hiển vi tốt,  có thể đạt tới 70o ( sin   0,94 ). Nếu chùm sáng chiếu
vào vật có bước sóng trung bình 0,5  m và dùng vật kính chìm (nhỏ một giọt dầu
bá hương có chiết suất 1,3 lên vật kính, như thế đã làm tăng chiết suất của môi
trường giữa vật kính và vật từ 1 lên 1,3), thì d có thể đạt tới giá trò:

Trang 10


d

0 ,4

 0 ,16 m
2  1 ,3  0 ,94

Xem như vậy, kính hiển vi trường sáng không thể giúp chúng ta quan sát được
vật hoặc các chi tiết của vật có kích thước nhỏ hơn 0,16  m như các phân tử, các đại
phân tử cấu tạo nên các mô, tế bào, các virus, các chi tiết dưới mức tế bào..., đối
tượng của sinh vật học, virus học, tế bào học.
Sự phát sinh ra kính hiển vi điện tử có năng suất phân li lớn hơn kính hiển vi
trường sáng nhiều lần đã đánh dấu một giai đoạn mới trong đó con người đã tiến sâu
hơn vào thế giới vi mô, đã mở đường cho không những ngành sinh học mà còn nhiều
ngành khoa học kó thuật phát triển.
Năm 1923 LuiĐơbờrơi (Loui de Broglie) đã cho chùm điện tử có cùng vận tốc
v được gắn với một sóng có bước sóng  xác đònh bằng hệ thức:




h
v

(1-14)

 : khối lượng của điện tử

 h: hằng số Plăng (Plank)

Khái niệm bước sóng liên kết giúp chúng ta hiểu được nhiều hiện tượng mà
chúng ta không thể giải thích được bằng các quan điểm của cơ học cổ điển.
Vài năm sau, người ta đã thực hiện các thí nghiệm đầu tiên về nhiễu xạ điện tử
bằng cách chiếu một chùm hẹp điện tử có cùng vận tốc vào một lá vàng mỏng cấu

tạo bởi các vi tính thể phân bố theo rất nhiều hướng. Sau khi qua lá vàng chùm điện
tử sẽ có vận tốc khác nhau và ảnh thu được khi chiếu chùm tia X đồng sắc vào lá
vàng trên và bán kính các vòng tròn nhiễu xạ ghi trên phim có thể tính được nếu
quan niệm chùm điện tử có bước sóng xác đònh bởi hệ thức (1-14). Sự phù hợp giữa
trò số  tính theo hệ thức trên và trò số trên thực nghiệm đã chứng minh tính chất
đúng đắn của quan điểm Broglie.
Chùm điện tử
cùng vận tốc
Lá vàng

Hình nhiễu xạ của chùm
điện tử cùng vận tốc

Hình 5-14
Hình 5-13
Quan điểm này là lí luận cơ bản dẫn đến việc chế tạo kính hiển vi điện tử: thay
chùm tia sáng vào vật bằng chùm điện tử mà bước sóng kiên kết  của nó ngắn hơn
của ánh sáng nhìn thấy nhiều lần ; nhờ việc thay thế đó chúng ta có thể tăng gấp bội
năng suất phân li. Chúng ta hãy tính khoảng cách phân li tối thiểu của kính hiển vi
điện tử bằng công thức:
Trang 11


eU 

1
mv 2
2

(1-15)

Trong đó e và m là diện tích và khối lượng của điện tử. Thay giá trò cụ thể của
U vào công thức chúng ta có thể tính được v và sau đó có thể tính được  .Bảng sau
chỉ quan hệ giữa U và  .
U(kV)
 (pm)

10

40

13

3

60
5

1 pm  10

12

80

100

4

3

6

m  10 m

Trường hợp U = 60 kV,  sẽ bằng 5pm.Với giá trò này của  , về phương diện
lí thuyết khoảng cách phân li tối thiểu có thể đạt tới 2pm nghóa là nhỏ hơn khoảng
cách phân li tối thiểu của kính hiển vi trường sáng loại tốt nhất 100.000 lần.
 Thấu kính điện tử:

Trong kính hiển vi điện tử cần phải có các thấu kính điện tử để làm lệch chùm
điện tử (tương ứng với các thấu kính bằng thủy tinh khúc xạ ánh sáng trong kính
hiển vi trường sáng) có 2 loại thấu kính điện tử :thấu kính tónh điện và thấu kính từ:
 Thấu kính tónh điện:

Tiêu điểm

O

Vùng có tác dụng của từ

Hình 5-15

Hình 5-15 mô tả một cách đơn giản thấu kính tónh điện. Thấu kính cấu tạo bởi
một tụ điện mà hai bản là các lưới kim loại xếp theo hai mặt cong có cùng tâm O.
Qua các lỗ của các lưới điện tử lọt vào vùng có điện trường. Nếu vận tốc ban đầu
của các điện tử nhỏ và điện trường giữa hai má tụ điện có cường độ lớn thì quỹ đạo
của các điện tử thường trùng với đường sức của điện trường. Các điện tử có quỹ đạo
song song với trục của thấu kính tónh điện sẽ hội tụ tại O, điểm này tương ứng với
tiêu điểm ảnh.
 Thấu kính từ:

Thấu kính này tạo bởi 1 Rôbin hình sô-lê-nô-it (1 bình lò xo xoắn tròn). Rôbin
được bọc bằng một vỏ thép để cho từ trường chỉ xuất hiện tại vùng E (hình 1). Các
điện tử mà quỹ đạo đi qua điểm vật A, khi ra khỏi thấu kính sẽ hội tụ tại A (điểm
ảnh).
Trang 12


Công suất P của thấu kính xác đònh bởi công thức :
P k

H2
i2
 k'
U
U

(1-16)

 H:là cường độ từ trường do thấu kính tạo nên.
 i:là cường độ dòng điện qua bôbin
 U: là hiệu điện thế tăng tốc cho các điện tử trước khi đi vào thấu
kính.

c. Nguyên lí tạo ảnh
Về nguyên lí chung cơ bản là giống kính hiển vi
quang học, song chỉ khác ở chỗ nguồn bức xạ chiếu vào
mẫu vật là nguồn sáng e- và các thấu kính làm lệch hướng
truyền của chùm tia e- là các thấu kính từ đồng thời có
thêm một số bộ phận đặc biệt phù hợp với tính chất cấu tạo

ảnh của chùm tia điện tử như màn huỳnh quang để ghi
hình, mẫu vật được đặt trong chân không để tránh hiện
tượng tán xạ của electron trong không khí và làm tăng độ
tương phản hình (5-17) là sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc tạo
ảnh của kính hiển vi điện từ.
Chùm tia electron được phát ra từ sợi đốt (1) bằng
kim loại trước khi đi vào thấu kính từ hội tụ (2) (giống vai
trò của tụ quang ở kính hiển vi quang học) electron được
gia tốc ở vùng A có điện trường mạnh được tạo bởi U –
60KV. Sau khi qua thấu kính (2) chùm điện tử chiếu vào mẫu vật đặt trong chân
không (B), sau khi đi vào mẫu vật chùm electron đi vào thấu kính từ (3) có vai trò
như vật kính ở kính hiển vi quang học và tạo nên ảnh thứ A1B1, vai trò của thấu kính
này giống thò kính ở kính hiển vi quang học. Màn huỳnh quang E sẽ ghi ảnh A2B2.
Để đảm bảo không có sự tán xạ điện tử trong không khí người ta dùng hệ
thống bơm như “bơm khuếch tán” hay “bơm phân tử” để tạo khoảng không bên
trong kính và có một của sổ đặc biệt để đưa mẫu vật vào mà không làm ảnh hưởng
đến độ chân không của kính.

Trang 13


Khi đưa tiếp một vật khác vào để quan sát người ta phải cho hệ thống bơm
hoạt động chừng vài phút để đảm bảo độ chân không cần thiết.
Khi quan sát các mô và tế bào bằng kính hiển vi điện tử chúng ta phải làm tiêu
bản với kỹ thuật tổ chức học cổ điển: mô quan sát phải được cố đònh, khử nước
vàcuộn vào trong một chất dẻo, cắt thành những khoanh mỏng bằng dao siêu mỏng
để kà tan độ tương phản của ảnh. Các khoanh mỏng thường được cắt với bề dày
chừng 5nm (=5.10-9m). Chiều dầy chừng 20mm tương đương với kích thước của 100
nguyên tử và khoảng cách phân ly của kính hiển vi điện tử tương đương với 10
nguyên tử. Thực tế khả năng phân ly còn kém hơn vì độ tương phản của một số tế

bào, mô so với môi trường xung quanh không đủ lớn. Để khắc phục nhược điểm này
người ta tiến hành nhuộm electron, nghóa là đưa một số chất phản ứng như crôm,
chì, bạc …vào kết hợp với chất cấu tạo nên vật quan sát để làm tăng khả năng tán xạ
của điện tử.

 C. Vai trò của kính hiển vi điện tử trong sinh học và y học :
Do có khả năng phân ly lớn hơn rất nhiều lần so với các loại kính hiển vi
quang học nên kính hiển vi điện tử được dùng để nghiên cứu các đối tượng vi mô
không những ở mức tế bào mà còn ở mức phân tử như các acid nucleic, acid amin,
protein… Nhờ kính hiển vi điện tử chúng ta cũng quan sát được một số đại phân tử
cấu tạo nên tế bào như collagen trong tổ chức liên kết, phân tử actin, myosin trong
tế bào cơ, một số vi rút mà kính hiển vi quang học không thấy được. Phương pháp
nghiên cứu bằng kính hiển vi điện tử kết hợp với tự chụp hình phóng xạ có thể khảo
sát mối liên quan giữa cấu trúc và chức năng một số tế bào sống.
I.4. MÁY PHÁT LƯNG TỬ ÁNH SÁNG – LASER
LASER là từ viết tắt của cụm từ bằng tiếng Anh – Light Amplitication by
Stimulated Emission of Radiation – có nghóa là khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ
cưỡng bức nguyên lý hoạt động của Laser do các nhà vật lý Townes (Mỹ) và Baso
(Liên xô) đề xuất năm 1953, và được chế tạo lần đầu tiên so với nhà vật lý Mỹ
Meiman vào năm 1960.
Để có thể hiểu dễ dàng nguyên tắc hoạt độâng của Laser chúng ta cần biết một
số khái niệm cơ bản sau:
1. Sự hấp thụ, bức xạ tự phát và bức xạ cưỡng bức:
Theo quan niệm lượng tử khi các ion,hay phân tử tương tác với ánh sáng hay
tương tác với nhau thì có thể xảy ra các quá trình sau:
 Nguyên tử ở trạng E1 hấp thu năng lượng sẽ chuyển lên trạng thái kích thích
có năng lượng là E2, quá trình này gọi là sự hấp thụ.
 Nguyên tử ở trạng thái kích thích E2 sau một khoảng thời gian ngắn (10-8S)
có thể tự động chuyển về trạng thái có năng lượng E1 thấp hơn và phát ra photon có
năng lượng hv=(E2-E’1), quá trình này gọi là bức xạ tự phát.

 Khi dòch chuyển tự phát, các hạt bằng nhau sẽ bức xạ không đồng thời và
độc lập nhau, vì vậy pha của photon bức xạ không liên quan với nhau. Hơn nữa
hướng chuyển photon bức xạ và phân cực của nó (hướng của vectơ điện trường trong
sóng điện từ) đều mang đặc trưng ngẫu nhiên, còn tần số của nó sẽ dao động trong
Trang 14


khoảng nào đó được xác đònh bởi hệ thức bất đònh. Như vậy bức xạ tự phát không
đònh hướng và không phân cực, và không đơn sắc.
Nguyên tử ở trạng thái kích thích có năng lượng E2 bò tác dụng của bức xạ
ngoài có năng lượng hv=(E2-E’1) bò cưỡng bức trở về vò trí cơ bản có năng lượng E1.
đồng thời phát ra photon có năng lượng hv=E2-E1, quá trình này được gọi là sự phát
xạ cưỡng bức hay phát xạ cảm ứng. Như vậy sự phát xạ cưỡng bức chỉ xảy ra khi có
tác dụng của trường điện từ ngoài. Tần số, độ phân cực, và pha của bức xạ cưỡng
bức do nguyên tử phát ra trùng với các đặc trưng của bức xạ ngoài tác dụng lên
nguyên tử. Vì vậy bức xạ cưỡng bức là bức xạ kết hợp đặc điểm của bức xạ cưỡng
bức làm cơ sở cho nguyên tắc hoạt động của Laser.

 Sự hấp thụ âm
Bây giờ ta hãy khảo sát đầy đủ hơn sự tương tác của bức xạ với chất. Để đơn
giản ta giả thuyết rằng nguyên tử có thể ở 1 trong 2 trạng thái năng lượng E1 và E2
và gọi N1 và N2 là số nguyên tử trong đơn vò thể tích ứng với các trạng thái này.
N1 và N2 còn gọi là mật độ đònh sứ của nguyên tử tại các mức năng lượng E 1 và
E2.
N1 = N0.e-E1/ kT

và N2 =N0. e-E2/ kT

Phép tính cho thấy rằng hệ số hấp thụ k trong công thức tỷ lệ với hiệu (N1 – N2)
như vậy N1 > N2 thì k > 0 do đó I < I0, tức là môi trường hấp thụ ánh sáng đi qua nó.

Nếu N2 >N1 thì k < 0, do đó I > I0 tức là môi trường sẽ khuếch đại ánh sáng đi qua
nó, trong trường hợp này ta có môi trường có hệ số hấp thụ âm.
N1 – N2 = N1 1  N 2   N 1 1  e E1  E 2 




N1 



Kt



Vì E2>E1 cho nên ta thấy rằng ở trạng thái cân bằng nhiệt độ bao giờ cũng có
N1 > N2 và chỉ có ở nhiệt độ I   thì N2 mới bằng N1 . Do đó ở trạng thái cân bằng
nhiệt độ hệ bao giờ cũng có K>0 nghóa là môi trường khuếch đại ánh sáng đi qua nó
thì phải bằng cách nào đó làm cho số nguyên tử ở trạng thái kích thích N2 > số
nguyên tử ở trạng thái cơ bản N1 . Môi trường có sự phân bố nguyên tử như thế được
gọi là môi trường có mật độ đònh xử đảo lộn. Trong kỹ thuật Laser người ta gọi môi
trường có tính chất như vậy là môi trường hoạt tính .
Vậy môi trường hoạt động không phải là môi trường mới lạ mà là môi trường
thông thường ở trạng thái đặc biệt.
Qúa trình chuyển hệ lên trạng thái có mật độ đònh xứ û đảo lộn được gọi là
“bơm” . Có bơm hệ bằng phương pháp quang học điện trường. Hay bằng phương
pháp khác khi bơm bằng phương pháp phát quang học nguyên tử thụ bức xạ chuyển
lên trạng thái kích thích như những va chạm đàn hồi của nguyên tử với electron
trong chất khí phóng điện.
2.Nguyên tắc hoạt động của Laser:

Muốn chế tạo Laser cần phải thực hiện những yếu tố sau :

Trang 15


-

Tạo môi trường hoạt tính (là môi trường có mật độ đònh xứ đảo) : để
tạo môi trường hoạt tính cần phải chọn chất kích hoạt và phương pháp
kích thích nó bao gồm :

a. Kích thích bằng va chạm điện tử.
b. Kích thích bằng va chạm không đàn hồi của nguyên tử.
c. Kích thích do phân ly phân tử.
d. Kích thích bằng dòng ánh sáng (bơm quang học).
e. Sự phun hạt tải điện qua lớp tiếp xúc p – n và các phương pháp khác.
Bơm quang học được ứng dụng cho chất kích hoạt ở trạng thái rắn. Các phương
pháp kích thích còn lại (trừ phương pháp cuối cùng e) thường áp dụng cho chất khí.
 Tạo hệ cộng hưởng: Để đảm bảo trường điện từ.

Để đảm bảo từ điện trường có tương tác hiệu dụng với chất kích hoạt trên.
Thực hiện mối liên hệ phản hồi dương và đònh hướng, phải chọn lọc tia sáng nghóa
là phải làm sao cho ánh sáng phát ra được truyền đi truyền lại trong môi trường hoạt
tính và gần như song song.
Bộ cộng hưởng thường bao gồm 1 hệ gương đặt song song nhau trong đó có
một gương có độ phản xạ 100% gương còn lại có độ phản xạ 70 - 99%.
Như vậy photon nào bay theo quang trục của 2 gương sẽ sản sinh ra vô số
photon cưỡng bức. Các photon này cũng bay theo trục 2 gương. Như vậy nhờ hệ
cộng hưởng mà trong môi trường hoạt động tạo ra 1 thái photon, thái photon này khi
bay đến gương nửa trong suốt một phần được phản xạ lại trong môi trường hoạt

động phần còn lại truyền qua gương đi ra ngoài tạo thành chùm tia laser, phần
photon bò phản xạ lại trong môi trường hoạt động sẽ được tăng lên và khi chúng tới
đập vào gương phản xạ toàn phần, một phần gương bò hấp thụ, phần còn lại bò phản
xạ trở lại và bay theo phương của chùm ban đầu làm nảy sinh ra những photon mới
quá trình tiếp tục lặp lại như trứơc. Như vậy hệ cộng hưởng không những có khả
năng làm laser hoạt động được mà còn làm cho ánh sáng laser phát ra có hướng xác
đònh.
Hệ số phản xạ trong gương bên trong suốt được chọn một cách thích hợp để
duy trì hoạt động của laser. Hệ số này được chọn sao cho bộ khuếch đại của bức xạ
cưỡng bức luôn luôn lớn hơn một giá trò nào đó gọi là ngưỡng phát.
100%

Tia
Laser
Nguồn bơm

Hình 5-18

Tính chất của Laser: Laser có những tính chất đặc biệt sau:
 Độ đònh hướng cao
Trang 16


Nhờ hệ cộng hưởng có tính cách lọc lựa các chùm sáng song song với quang
trục do đó chùm sáng sau khi thoát ra hệ cộng hưởng là các chùm song song có góc
mở rất bé.
 Mật độ phổ (độ chói phổ) rất cao

Do các bức xạ laser phát ra cùng pha và tần số với nhau nên chúng là những
bức xạ kết hợp. Nên độ kết hợp của Laser khá cao.

2. Các loại Laser
Người ta thường phân loại Laser theo tính chất của môi trường vật tính, theo
đó Laser có thể phân ra các loại sau:
Laser rắn, Laser lỏng, Laser khí.
a. Laser rắn
Có môi trường hoạt tính ở thể rắn, ví dụ: như YAC, Laser Rubi, Laser thuỷ tinh
: Nd, Laser bán dẫn GaA…
Laser rắn có những đặc tính sau:
 Nồng độ ion hoạt hoá trong môi trừơng rắn rất lớn (10 17 – 1020 cm3) do đó
giá trò tuyệt đối mật độ đảo lộn có thể rất lớn hơn môi trường khí, hệ số khuếch đại
cao.
 Chất rắn có tính chất đồng tính quang học lớn so với khí gây mất do tán xạ
và hạ thấp độ phẩm chất của hệ cộng hưởng, góc mở (góc phân kỳ) thường rất lớn
hơn các loại laser khác.
 Có sự chồng chất vạch bức xạ tự phát vạch trên một dãy phổ rộng do sự
tương tác giữa các hệ chất rắn làm các mức năng của hạt có độ rộng lớn.
 Phương pháp kích thích để tạo một độ đảo lộn trong laser chủ yếu bằng
bơm quang học vì phần đông laser rắn (trừ laser bán dẫn) là chất cách điện nên
không thể dùng dòng điện.

b. Laser lỏng
Laser lỏng có môi trường đặc tính là chất lỏng có các đặc điểm sau:
 Bức xạ có phổ tần số hẹp.
 Môi trường hoạt tính có thể làm lạnh bằng đối lưu, điều này cho phép có
thể tăng một cách đáng kể năng lượng bức xạ trong một xung.
 Để rao màu cho laser bằng cách sử dụng các dung môi có màu làm môi
trường vật chất.

c. Laser khí
Laser khí là loại laser có môi trường đặc tính là chất khí có các đặc điểm sau :

 Mật độ đảo lộn được thành lập trên các mức kích thích của các nguyên tử
ion hay phân tử cô lập. Trong những điều kiện sự tương tác giữa các hạt trong môi
trường là cực tiểu, vì vậy các mức năng lượng có độ rộng rất hẹp (10 -7 – 10-6 m). tính
chất đó cho phép chúng ta nói trước được rằng, có vô số sơ đồ dòch chuyền mức
năng lượng trong các khí khác nhau để thành lập mật độ đảo lộn.

Trang 17


 Môi trường khi có tính chất quang học đồng tính lớn. Mật độ khí nhỏ, nên
mất mát do tán xạ và nhiễu xạ là cực tiểu. Điều đó cho phép chúng ta dùng khoảng
cách giữa hai gương phản xạ lớn. Vì vậy laser khí có chùm bức xạ đònh hướng cao
và độ đơn sắc lớn.
 Laser khí có nhược điểm là : mật độ hạt quá nhỏ so với mật độ hạt trong
thể rắn. Vì vậy rất khó nhận đủ lượng nguyên tử kích thích để bức xạ ánh sáng như
thể rắn. Do đó laser khí có kích thước lớn.
 Lasre khí hêli nêon (He – Ne): co ùnhiều ứng dụng trong y học, do đó ta hãy
khảo sát hoạt động của laser này để hiểu rõ thêm về cơ chế phát laser.
 Bộ phận chủ yếu của laser khí hêli neon là phóng điện chất khí bằng thủy
tinh hoặc thạch anh bên trong có gắn 2 điện cực nối với nguồn điện 2 đầu được đóng
kín bằng 2 bản phẳng, song song nhau lệch với trục ống một góc bằng góc Browster,
môi trường mật độ đảo lộn ở đây được thực hiện với các nguyên tử Ne là thành phần
chính của vật chất, khí He đóng vai trò tích luỹ năng lượng và truyền cho Ne.
Hình 5-19
Va chạm khơng
W

He
3
W

W
He
2

Đàn hồi

W
W

He
W
1

W
W
W

Ne
6
Ne
5
Ne
4
Ne
3
Ne
2
Ne
1

 1  3.9m
 2  0.63m
Đàn hồi

 2  1.15m
Đàn hồi
Bức xạ tự phát
Khuếch tán

 Khi cho dòng điện chạy qua chất khí, He, Ne sẽ xảy ra các quá trình sau:
 Va chạm điện tử loại i giữa điện tử và các nguyên tử He, Ne các nguyên tử
này sẽ chuyển về trạng thái cơ bản lên trạng thái kích thích tích tụ ở các mức WHe,
WHe, WNeWNe.

He + e -> He* + e + E2,
Ne + e -> Ne* + e + E2
 Va chạm không đàn hồi loại 2 giữa nguyên tử cơ bản với nguyên tử khí
phụ. Khi đó nguyên tử kích thích khí phụ He sẽ truyền năng lượng kích thích của
mình cho nguyên tử khí cơ bản Ne. Tất nhiên cũng có quá trình ngược lại, làm giảm
mật độ WNe. Hiệu dụng của quá trình va chạm không đàn hồi loại 2 này phụ thuộc
vào  E :WNe – WKe.

He* + Ne -> He + Ne* +  E
 Sự khuếch tán giữa điện tử và nguyên tử đến thành bình chứa khí. Trong
trường WNe là mức siêu bền thì khả năng chuyển hạt từ mức WNe về mức cơ bản
WNe là khuếch tán đến thành bình. Như vậy nhờ các qui đònh va chạm nói trên, ta có

Trang 18

thể đạt được sự đảo lộn các mật độ ở mức trên của Ne đối với những mức dưới. Do
đó có thể có sự tăng cường và phát sinh một số vạch Neon.
Hiện nay các laser He, Ne hoạt động cho bức xạ với các bước sóng 0,6328  m;
1,523  m; 3,3913  m và một số những vạch khác.
3. Hiệu ứng sinh học của tia laser lên cơ thể – và ứng dụng
a. Hiệu ứng kích thích sinh học (quang sinh hóa)
Qúa trình kích thích sinh học bao gồm các loại phản ứng quang hóa và các quá
trình quang nhiệt động lực học. Hiệu ứng sẽ làm tăng nhanh hoặc làm chậm lại các
quá trình sinh học xảy ra trong tổ chức sống tuỳ theo từng loại quá trình, loại laser,
liều chiếu v.v… khác nhau. Như laser He-Ne có tác dụng làm tăng tốc độ phân chia
tế bào, kích thích chuyển hoá, tăng tiêu thụ oxy…
Tác dụng của laser lên cơ thể sống chia làm hai loại: loại phản ứng nhanh hay
trực tiếp được tính bằng giây hoặc phút khi chiếu laser, thí dụ như sự kích thích quá
trình hô hấp tế bào và loại phản ứng chậm hay gián tiếp với thời gian theo giới tính
bằng giờ, ngày thí dụ như sự gia tăng quá trình phân chia của tế bào.
Hầu hết các hiệu ứng kích thích sinh học của laser tuân theo quy luật ArndtSchalz: “Kích thích nhỏ sinh phản ứng, kích thích lớn kiềm hãm phản ứng, kích
thích quá lớn làm tê liệt phản ứng”.
Laser được sử dụng trong hiệu ứng kích thích sinh học chủ yếu là các loại laser
có năng lượng thấp, như laser He-Ne với bước sóng 632,8m công suất từ 0,5mW –
100mW.
b. Hiệu ứng quang động tổ chức
Dưới tác dụng của bức xạ nhiệt của laser khi nó đạt tới một nhiệt độ nào đó nó
sẽ làm biến chất và động vốn protein của mô.
Hiệu ứng phụ thuộc vào các yếu tố :
 Bước sóng ánh sáng sử dụng.
 Đường kính chùm tia hội tụ.
 Thời gian chiếu.
 Đặc điểm cấu trúc của tổ chức.

Hiệu ứng quang được dùng trong việc phá huỷ các tổ chức bệnh lý, điều trò một
số bệnh về mắt, tai, mũi, họng, dùng kết hợp với nội soi trong điều trò chảy máu dạ
dày…
Laser dùng trong hiệu ứng này thường có công suất từ 0,5W/cm2 – 100W/cm2
và thời gian chiếu từ 1/1000 giây. Như các laser Argon, Caser, Nd-Yag…
c. Hiệu ứng bay hơi tổ chức
Khi laser có công suất lớn và được hội tụ lên các tổ chức sinh học, nhiệt độ tại
vùng chiếu có thể lên đến 200oC, 300oC. Các tổ chức sinh học có thể bò đốt cháy và
bay hơi. Thông thường trong trường hợp này ở vùng chiếu để lại những vùng biên bò
hoại từ to nhỏ khác nhau. Hiệu ứng bay hơi tổ chức xảy ra khi mật độ công suất
laser đạt giá trò khoảng từ 500W/cm2 – 105W/cm2, thời gian chiếu từ 1/1000s đến 1s.

Trang 19


Hiệu ứng bay hơi tổ chức được ứng dụng nhiều trong phẫu thuật, nó được sử
dụng như lưỡi dao laser có ưu điểm là giảm hoặc không cần thuốc tê-mê, vô khuẩn
đường rạch, cầm máu tốt, chấn thương đường rạch rất thấp...v.v...
Laser sử dụng hiệu ứng này tiêu biểu nhất là laser CO2 có bước sóng 10,6m.
Hiện nay đã có rất nhiều hiệu ứng của laser trong kỹ thuật, trong đời sống
hàng ngày. Các ứng dụng này khai thác chủ yếu tính năng suất cao và mật độ dòng
năng lượng lớn của chùm tia: thông tin bưu điện, in ấn, đóa nhạc, băng đóa dùng cho
máy tính, kính hiển vi dùng nguồn sáng laser để quan sát từng phần nhỏ của tế bào
do chùm sáng nhỏ…
Laser có nhiều ứng dụng trong nhiều lónh vức khác nhau. Trong công nghiệp
dùng để hàn cắt kim loại kiểm tra chất lượng thành phẩm đo đạt khoảng cách.
Trong lãnh vực khoa học, kỹ thuật – laser cho phép liên lạc từ xa, chụp ảnh toàn
ký… trong quân sự dùng làm vũ khí hoặc dùng làm thiết bò trong các mục tiêu. Trong
y học laser có rất nhiều ứng dụng: dùng giải phẫu điều trò và chữa bệnh, châm cứu,
kích thích sinh học… trong y học laser thường sử dụng dưới 2 dạng sau:

Laser liệu pháp: là phương pháp điều trò bằng laser như một pháo nhân vật lý
trên cơ thể, người ta thường sử dụng laser như Ha, Ne.
Dao mổ laser dùng để thay dao mổ trong các vi phẫu thuật, đạt được độ chính
xác cao, ít gây viêm nhiễm chảy máu. Loại laser dao mổ thường dùng là CO2 công
suất nhỏ hơn 100W.
Máy hàn (quang đông) laser: thường sử dụng laser YAG: Nd và laserAr. Laser
thường ghép nối với các kính hiển vi hoặc các ống nội soi để hàn bong võng mạc
mắt, cầm máu và chảy máu cơ quan nội tạng.
Trong vi phẫu thuật, nhất là phẫu thuật tim, não, mắt, người ta dùng dao mổ
laser: chùm laser tập trung cao độ có tiết diện rất nhỏ và mật độ dòng năng lượng
lớn có thể đốt cháy tế bào, cắt đứt mô đồng thời hàn kín ngay các mạch máu nhỏ
(tương tự dao động nhiệt nhưng hiệu quả cao hơn); trong phẫu thuật mắt chùm laser
đi qua các thể trong suốt tới võng mạc có thể hàn gắn võng mạc bò cong ra khỏi lớp
màng mạch (bệnh bong võng mạc). Người ta cũng quan tâm đến tác dụng kích thích
dinh dưỡng và vận mạch của các chùm laser công suất yếu, vì vậy đã có khá nhiều
nghiên cứu ứng dụng loại này vào điều trò các vết loét, ổ dò, chống đau vàtrong
châm cứu
Gần đây còn có ứng dụng laser trong nghiệm pháp điều trò bằng quang động
lực (photodynamic therapy) PDT tức là chiếu những chùm tia laser có bước sóng
thích hợp vào các mô và cơ quan để kích thích (hoạt hoá) các hoá chất đã được đưa
vào trước đó. Khi ấy các hoá chất ấy sẽ trở nên có tác dụng diệt bào hoặc kiềm hãm
sự phát triển của tế bào. Người ta đang tập trung nghiên cứu phương pháp điều trò
bằng quang động lực để chữa bệnh ung thư.
Trong nghiên cứu người ta chú ý tới phương pháp chụp ảnh toàn cảnh
(hologram), nguyên lý của phương pháp này như trên hình 5.77.
Trong quá trình chụp phim của chùm laser tới gương phản xạ một phần chia
làm 2 chùm: chùm xuyên qua gặp đối tượng 3 chiều phản xạ gặp chùm phản xạ từ
Trang 20

gương tại phim, tạo ảnh mẫu giao thoa ánh sáng. Lúc quan sát ta chiếu chùm laser
lên phim đã khai thác (hiện hình), người ta quan sát sẽ thấy ảnh ảo 3 chiều do kết
quả của ảnh tạo bởi hiện tương giao thoa.
Chùm phản xạ
đối tượng

Chùm phản xạ
từ gương

Hình 1-21

I.5. MÁY QUANG PHỔ
1. Khái niệm
Máy quang phổ (Spectrophotometer), máy quang sắc (colorimeter) là các thiết
bò dùng để đònh tính và đònh lượng các chất dựa trên nguyên lý hấp thụ hoặc phát xạ
ánh sáng. Trong phạm vi bài này ta chỉ xét các máy quang phổ hấp thụ mà thôi.
Máy quang phổ có thang chia bước sóng liên tục và do đó có thể gắn với hệ
thống tự vẽ phổ (trên màn hình hoặc trên giấy) điều đó giúp việc đònh hướng lẫn
đònh lượng chính xác hơn. Còn các máy quang đơn sắc đơn giản hơn thang chia bước
sóng rời rạc, độ đơn sắc không cao. Đối với các phép đo chỉ đòi hỏi độ chính xác
vừa phải, bước sóng nằm trong vùng khả kiến thì người ta dùng máy quang sắc vì
máy này gọn, nhẹ, dễ sử dụng và giá thành thấp.
2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động
Các máy quang phổ đều có 3 thành phần chính là:
 Nguồn sáng
 Bộ phận tán sắc (tạo tia đơn sắc)
 Bộ phận đo quang điện

Nguồn sáng là các đèn chiếu sáng có dải sóng tương đối rộng tuỳ theo bước
sóng của phép đo mà người ta có thể sử dụng các loại nguồn khác nhau. Thí dụ

người ta thường dùng đèn halogen cho vùng khả kiến, đèn thuỷ ngân,v.v… cho vùng
tử ngoại.
Bộ phận tán là các lăng kính hoặc cách sử dụng để tạo ra các tia có bước sóng
khác nhau. Đối với máy quang sắc bộ phận này thường là kính lọc.
Bộ phận ghi đo quang điện có khả năng biến ánh sáng thành điện và khuếch
tán lên (nếu cần) và được dẫn qua đồng hồ bằng kim hoặc hiện số từ đó xác đònh

Trang 21


được nồng độ thông qua các biến đổi về cường độ (được phản ảnh bằng các biến đổi
về điện) dựa trên cơ sở xác đònh sự hấp thụ ánh sáng.

I.6. QUANG KẾ NGỌN LỬA
1. Khái niệm
Phương pháp phân tích này dựa trên sự kích thích các chất bằng ngọn lửa. Dưới
tác dụng của ngọn lửa các chất này từ trạng thái cơ bản chuyển lên trạng thái kích
thích. Sau một thời gian ngắn chúng trở về trạng thái cơ bản kèm theo việc phát ra
các bức xạ này đặc trưng cho nồng độ của các chất đó. Như vậy việc xác đònh cường
độ ánh sáng bức xạ này ứng với từng bước sóng cho phép ta xác đònh được nồng độ
tương ứng với các chất.
2. Nguyên tắc hoạt động
Nguyên tắc làm việc của quang kế ngọn lửa như sau:

Pha các dung dòch chuẩn với các nồng độ C0, C1, C2,…,Cn
Đầu tiên ta phun dung dòch chuẩn vào ngọn lửa của S đốt bằng hỗn hợp gaz,
ánh sáng bức xạ của dung dòch này được dẫn qua hệ trực chuẩn T đến kính lọc L,
kính lọc này có tác dụng chỉ cho ánh sáng có bước sóng nhất đònh tương ứng với bức
xạ ánh sáng của chất cần đo qua mà thôi, sau khi qua kính lọc ánh sáng này được
dẫn đến máy đo cường độ sáng (bao gồm tế bào quang điện để biến quang năng

thành điện năng một bộ khuếch đại để khuếch đại dòng điện này và 1 điện kế để đo
cường độ dòng điện). Từ đó xác đònh được cường độ sáng I o tương ứng của dung
dòch chuẩn.
Sau đó người ta đưa dung dòch nghiên cứu vào và thực hiện quy trình tương tự
để đo cường độ sáng Ix của dung dòch này.
Nồng độ của chất cần đo (Cx) được tính theo phương pháp so sánh hoặc lập
đường chuẩn. Thí dụ nếu sử dụng 2 dung dòch chuẩn C1, C2 với (C1 < Cx < C2) ta có
thể tính Cx theo công thức sau:
Trang 22


C x  C2 

C1  C 2
( a  a2 )
a1  a 2

Đại lượng dòng quang điện tương ứng với bức xạ của nguyên tố trong dung
dòch cần nghiên cứu.
 a1 và a2 là đại lượng dòng quang điện tương ứng với nồng độ C1 và
C2
 S : ngọn lửa
 T : hệ trực chuẩn
 L : kính lọc
 P : tế bào quang điện
 D : độ khuếch đại
 M : điện kế

Phương pháp quang kế ngọn lửa (còn gọi là ion đồ) được sử dụng rộng rãi
trong các ngành – đặc biệt là luyện kim màu khi phân tích các quặng khác nhau.

Trong y học, nó đứng đầu trong các phương pháp xác đònh hàm lượng kim loại kiềm
như Kali, Natri trong máu, nước tiểu, huyết tương,...v.v... là những chất rất được
quan tâm trong xét nghiệm y khoa.
I.7. PHÂN CỰC KẾ
1. Khái niệm
Thiết bò này được thiết kế để xét đònh được nồng độ của các chất quang hoạt
dựa trên đònh luật Biod.
2. Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của thiết bò này dựa trên đònh luật Biod, khảo sát sự phụ
thuộc của góc quay mặt phẳng phân cực vào nồng độ, từ đó có thể xác đònh được
nồng độ. Một phân cực kế bao gồm 3 bộ phận chính:
a. Bộ phận phân cực
Là thiết bò dùng để tạo chùm sáng phân cực toàn phần. Chúng thường là các
lăng kính Nicol bản polaroit v.v… gọi chung là kính phân cực.
b. Bộ phận quay cực
Là ống đựng chất quang hoạt có tác dụng làm quay mặt phẳng phân cực của
ánh sáng phân cực toàn phần.
c. Bộ phận phân tích
Có cấu tạo giống như bộ phận phân cực, bộ phận này thực hiện quy trình ngược
lại với bộ phận phân cực, dùng để xác đònh góc quay của mặt phẳng phân cực
nguyên tắc hoạt động của phương pháp phân cực nghiệm như sau:
Cho 1 chùm sáng đơn sắc, song song đi qua bộ phận phân cực ta được chùm
phân cực thẳng, khi chưa đưa vào dung dòch quang hoạt vào, chùm sáng này sẽ đến
kính phân tích đặt vuông góc với kính phân cực do đó ta thấy tối hoàn toàn vì ánh
sáng không đi qua được vì 2 quang trục vuông góc nhau (theo đònh luật Malus). Sau
đó ta đưa dung dòch quang hoạt vào, dung dòch này làm quay mặt phẳng phân cực đi
Trang 23


góc nào đó khiến cho 2 trục không còn vuông góc nữa nên qua kính phân tích ta

thấy có ánh sáng, quay kính phân tích đi 1 góc nào đó cho đến lúc thấy tối hoàn
toàn thì góc quay đó chính là góc quay cực.
Nếu phân cực có sử dụng bản thạch anh nửa sóng (tham khảo thêm ở giáo trình
thực tập) thì vò trí lúc đưa dung dòch quang hoạt vào được chỉnh sao cho là 1 vùng
sáng có 2 miền sáng cường độ bằng nhau. Khi đưa dung dòch thì cường độ 2 miền
sáng (miền ở giữa và miền 2 bên) không bằng nhau ta quay quang kính phân tích
đến khi nào bằng nhau thì góc quay kính phân tích chính là góc quay mặt phẳng
phân cực.

Trang 24


1. Nguồn sáng
2. Thấu kính
3. Kính lọc
4. Gương
5. Kính phân cực
6. Chất quang hoạt
7. Kính phân tích
8. Thước chia độ
9. Nút quay
10. Thò kính

Trang 25