Một nhóm nhà khoa học quốc tế mới đây đã công bố kết quả nghiên cứu khi sử dụng tia X xác định cách thức xảy ra tổn thương do bức xạ trong mô sinh học. Nghiên cứu đã tiết lộ chi tiết quá trình các phân tử nước bị phá vỡ bởi bức xạ năng lượng cao tạo ra các gốc tiềm ẩn nguy hiểm và các ion tích điện, có thể tiếp tục kích hoạt các phản ứng có hại đối với sinh vật. Kết quả quan sát và phân tích của Nhóm đã được công bố trên tạp chí khoa học Physical Review X.
Nước có trong mọi sinh vật sống trên trái đất. Do đó, sự phân tách của phân tử nước H2O bằng bức xạ, được gọi là quá trình quang phân (phân hủy hoặc phân tách của các phân tử do tác động của ánh sáng), thường là điểm khởi đầu gây tổn thương của bức xạ đối với sinh vật. Tuy nhiên, chuỗi phản ứng có thể được kích hoạt trong cơ thể bằng bức xạ năng lượng cao cho đến nay vẫn chưa được nhận diễn đầy đủ. Ngay cả việc quan sát sự hình thành các ion tích điện riêng lẻ và các gốc phản ứng trong nước khi bức xạ năng lượng cao bị hấp thụ cũng đã rất khó khăn.
Tác động của bức xạ đến DNA ở sinh vật sống
Để nghiên cứu chuỗi sự kiện này, Nhóm nhà khoa học đã bắn các xung tia X cường độ cao vào hơi nước. Các phân tử nước phân hủy khi hấp thụ photon năng lượng cao. Nhờ xung đặc biệt cường độ cao từ tia X, có thể quan sát thấy các phân tử nước hấp thụ không chỉ một mà là hai hoặc thậm chí nhiều photon trước khi các mảnh phân hủy phát tán. Điều này giúp các nhà khoa học có cái nhìn tổng quát diễn biến bên trong phân tử sau lần đầu tiên hấp thụ một photon.
Công bố chỉ ra rằng “Sự chuyển động của phân tử giữa hai lần hấp thụ để lại dấu vết rất rõ ràng, hay nói cách khác, các mảnh vỡ của phân tử nước phát ra theo một cách rất riêng biệt, đặc trưng”. “Bằng cách phân tích các dấu vết này, cũng như sử dụng các mô hình mô phỏng chi tiết, có thể đưa ra kết luận về khía cạnh động lực của phân tử nước sau khi hấp thụ photon đầu tiên”. Nhóm nghiên cứu đã đo hướng di chuyển của các mảnh phân hủy và tốc độ của chúng bằng cách sử dụng kính hiển vi phản ứng (Reaction Microscope). Điều này cho phép Nhóm ghi lại quá trình phân rã của phân tử nước (chỉ kéo dài vài phần tư của giây).
Hình ảnh ghi nhận được quá trình phân hủy của phân tử nước khi tác động với Tia X cường độ cao
Những ghi nhận của Nhóm chỉ ra rằng sự phân hủy của phân tử nước phức tạp hơn nhiều so với những hiểu biết từ trước tới nay. Phân tử nước (H2O) bắt đầu bị kéo dài, nở ra và cuối cùng bị vỡ. Chỉ sau 10 femto giây (phần tư của giây), hai nguyên tử hydro (H), được gắn với nguyên tử oxy (O) ở góc 104o, có thể tạo ra động lượng lớn đến mức dịch chuyển đến vị trí đối diện nhau ở góc 180o. Kết quả là, nguyên tử oxy trên thực tế không văng ra ngoài khi phân tử nước bị vỡ, bởi moment của hai hạt nhân hydro phần lớn cân bằng nhau khi phân rã khỏi phân tử nước, khiến oxy hầu như ở trạng thái nghỉ ở giữa. Trong môi trường nước, gốc oxy tự do này sau đó có thể có các phản ứng hóa học có hại hơn.
Kết quả nghiên cứu này bổ sung vào bức tranh tổng thể về các hiệu ứng bức xạ đối với nước. Một nghiên cứu trước đó đã khám phá ra sự hình thành (ở khía cạnh động học) cái gọi là gốc tự do bởi bức xạ ít năng lượng hơn trong nước. Các quá trình quan sát được ở đó có động lượng tương tự như các quá trình thứ cấp trong việc hấp thụ bức xạ năng lượng cao. Các thí nghiệm mới trên các phân tử nước đơn lẻ là một trong những thí nghiệm đầu tiên được thực hiện với kính hiển vi phản ứng COLTRIMS tại trạm thí nghiệm SQS của XFEL Châu Âu. Kết quả này cho thấy tính khả quan khi xem xét quá trình phản ứng trên ở các dung môi và phân tử khác có cấu trúc phức tạp hơn, chẳng hạn như etanol hoặc các hợp chất mạch vòng, vốn rất được quan tâm trong hóa học và các ngành khác.
Từ khóa: Tia X; quang phân; phân tử nước; photon.
– CMD&DND –
