Chiếu xạ gamma là gì? Các bài nghiên cứu khoa học liên quan

Định nghĩa chiếu xạ gamma

Chiếu xạ gamma là quá trình sử dụng bức xạ điện từ có năng lượng cao, phát ra từ các đồng vị phóng xạ như Cobalt-60 hoặc Cesium-137, để xử lý các loại vật liệu sinh học và phi sinh học. Bức xạ gamma thuộc phổ sóng điện từ, có bước sóng ngắn hơn tia X và mang năng lượng đủ lớn để gây ion hóa mạnh trong vật chất.

Phương pháp này được áp dụng để tiêu diệt vi khuẩn, virus, nấm mốc, hoặc làm biến đổi đặc tính sinh học – hóa học của vật liệu thông qua tác động ion hóa và phá hủy cấu trúc phân tử. Chiếu xạ gamma không làm cho vật thể trở nên phóng xạ vì bức xạ truyền qua vật chất và không để lại chất phóng xạ tồn dư.

Với đặc tính không tiếp xúc và khả năng xuyên sâu, chiếu xạ gamma được xem là một công nghệ an toàn và hiệu quả trong nhiều lĩnh vực như y tế, công nghiệp thực phẩm, nông nghiệp và nghiên cứu vật liệu. Các hệ thống chiếu xạ hiện đại đều được thiết kế khép kín và điều khiển tự động để đảm bảo an toàn tuyệt đối cho con người và môi trường.

Nguyên lý hoạt động

Chiếu xạ gamma hoạt động dựa trên hiện tượng ion hóa: khi tia gamma xuyên qua vật chất, nó tương tác với các nguyên tử và phân tử, làm bật electron ra khỏi quỹ đạo và tạo thành các ion. Quá trình này làm gián đoạn liên kết hóa học hoặc sinh học, từ đó phá hủy cấu trúc DNA của vi sinh vật hoặc làm thay đổi cấu trúc polymer trong vật liệu.

Một trong những điểm nổi bật của chiếu xạ gamma là khả năng xuyên sâu – năng lượng bức xạ đủ để xử lý sản phẩm ở độ sâu hàng chục centimet mà không cần mở bao bì. Điều này rất quan trọng trong các ứng dụng như tiệt trùng vật tư y tế hoặc khử khuẩn thực phẩm đóng gói.

Chiếu xạ gamma không làm tăng nhiệt độ sản phẩm nên còn được gọi là "xử lý lạnh", giúp bảo toàn cấu trúc và chất lượng của vật liệu nhạy cảm với nhiệt. Mức liều chiếu xạ được kiểm soát chính xác theo đơn vị gray (Gy), trong đó 1 Gy tương đương hấp thụ 1 joule năng lượng bức xạ trên 1 kg vật chất.

Nguồn phát bức xạ gamma

Bức xạ gamma dùng trong công nghiệp và y tế chủ yếu được phát ra từ hai đồng vị phóng xạ: Cobalt-60 và Cesium-137. Trong đó, Cobalt-60 là phổ biến nhất do có chu kỳ bán rã ổn định (5,27 năm) và phát ra bức xạ gamma ở mức năng lượng cao (1,17 và 1,33 MeV), phù hợp với các ứng dụng yêu cầu khả năng xuyên sâu.

Cobalt-60 được sản xuất bằng cách chiếu xạ Cobalt-59 trong lò phản ứng hạt nhân, sau đó đóng gói thành viên nang kín trong lõi thép không gỉ. Các viên nguồn này được đặt trong buồng chiếu xạ và điều khiển thông qua hệ thống robot tự động. Khi không sử dụng, nguồn được hạ xuống hồ nước chứa để hấp thụ hoàn toàn bức xạ.

So với các nguồn bức xạ khác như tia X hoặc electron beam, nguồn gamma từ Cobalt-60 có ưu thế về tính ổn định, không cần nguồn điện và bảo trì thấp. Tuy nhiên, việc quản lý an toàn phóng xạ đòi hỏi tuân thủ nghiêm ngặt các quy định quốc tế từ IAEA và các cơ quan quản lý quốc gia.

• Cobalt-60: Nguồn phổ biến nhất, năng lượng gamma cao, sử dụng trong tiệt trùng y tế, thực phẩm.
• Cesium-137: Sử dụng trong nghiên cứu và đo lường phóng xạ, ít dùng trong xử lý khối lượng lớn.

Ứng dụng trong y tế

Chiếu xạ gamma đóng vai trò thiết yếu trong y học hiện đại, đặc biệt là trong khử trùng vật tư y tế và điều trị ung thư. Với khả năng xuyên sâu và tiêu diệt vi sinh vật ở cấp độ phân tử, nó là lựa chọn lý tưởng cho các vật liệu không chịu được nhiệt hoặc hóa chất khử trùng thông thường.

Hàng triệu đơn vị thiết bị y tế như kim tiêm, găng tay, ống dẫn, catheter và dụng cụ phẫu thuật được tiệt trùng bằng bức xạ gamma mỗi năm. Quá trình này không làm thay đổi đặc tính vật lý hay hóa học của vật liệu, đồng thời không để lại dư lượng độc hại nên rất phù hợp với tiêu chuẩn vô trùng trong y tế.

Trong điều trị ung thư, chiếu xạ gamma được sử dụng dưới hình thức xạ trị (radiotherapy), với mục tiêu nhắm chính xác vào khối u để tiêu diệt tế bào ung thư mà hạn chế tổn thương mô lành. Kỹ thuật như cobalt therapy hoặc gamma knife là ví dụ điển hình về ứng dụng bức xạ gamma trong điều trị u não và ung thư đầu cổ.

Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Chiếu xạ gamma là một công nghệ bảo quản thực phẩm hiệu quả cao, được tổ chức WHO và FAO công nhận là an toàn nếu được kiểm soát đúng quy trình. Mục tiêu chính là tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh hoặc gây hư hỏng, kéo dài thời hạn sử dụng và ngăn chặn hiện tượng nảy mầm của các loại củ như khoai tây, hành tỏi.

Quá trình chiếu xạ không tạo ra chất độc hại hay làm cho thực phẩm trở nên phóng xạ, vì tia gamma chỉ truyền năng lượng và không lưu lại vật chất. Các thực phẩm thường được xử lý bao gồm thịt, thủy sản, trái cây tươi, gia vị khô, hạt giống và ngũ cốc. Liều chiếu phụ thuộc vào mục tiêu xử lý: từ 0.15–1 kGy để ức chế nảy mầm, 1–3 kGy để kiểm soát côn trùng và 5–10 kGy để tiệt trùng hoàn toàn.

Ưu điểm của chiếu xạ thực phẩm:

• Giữ nguyên dinh dưỡng và cảm quan sản phẩm.
• Giảm thiểu mất mát sau thu hoạch và tổn thất trong xuất khẩu.
• Là lựa chọn thay thế hiệu quả cho hóa chất bảo quản hoặc xông trùng.

Theo [FDA](https://www.fda.gov/food/food-labeling-nutrition/irradiation-food), thực phẩm đã chiếu xạ được yêu cầu ghi nhãn rõ ràng và có biểu tượng Radura để người tiêu dùng nhận biết.

Ứng dụng trong nông nghiệp và nghiên cứu

Chiếu xạ gamma được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực nông nghiệp, đặc biệt trong tạo giống cây trồng mới bằng phương pháp gây đột biến có định hướng. Bằng cách chiếu xạ hạt giống hoặc mô thực vật, các đột biến có lợi như tăng năng suất, kháng sâu bệnh, chịu hạn hoặc cải thiện chất lượng được tuyển chọn và nhân giống.

Trung tâm nghiên cứu nguyên tử như ở Việt Nam, Ấn Độ, Trung Quốc đã sử dụng chiếu xạ để tạo ra hàng trăm giống lúa, đậu tương, lạc, mè cải tiến. Một ví dụ điển hình là giống lúa DT84 kháng rầy nâu được tạo ra tại Viện Năng lượng nguyên tử Việt Nam.

Các ứng dụng nghiên cứu khác:

• Chiếu xạ mẫu vật sinh học để nghiên cứu sự tổn thương DNA.
• Sử dụng trong xét nghiệm tuổi mẫu vật bằng phương pháp phóng xạ.
• Xử lý kiểm soát côn trùng bằng phương pháp triệt sản vô sinh.

Các kỹ thuật như SIT (Sterile Insect Technique) sử dụng chiếu xạ gamma để triệt sản ruồi giấm hoặc muỗi đực, giúp giảm số lượng côn trùng gây bệnh mà không cần hóa chất diệt trừ.

Ưu điểm và hạn chế

Chiếu xạ gamma mang lại nhiều lợi ích vượt trội so với các phương pháp xử lý truyền thống. Khả năng xử lý không tiếp xúc, xuyên sâu và hiệu quả cao trong tiêu diệt vi sinh vật là những lý do khiến công nghệ này ngày càng được ứng dụng rộng rãi.

Các ưu điểm nổi bật:

• Xử lý đồng đều sản phẩm có kích thước lớn, không cần tháo bao bì.
• Không sinh nhiệt, không làm biến đổi vật lý đáng kể của vật liệu.
• Không cần dùng hóa chất, không để lại dư lượng.
• Tiết kiệm năng lượng và vận hành ổn định.

Tuy nhiên, chiếu xạ gamma cũng có một số hạn chế cần cân nhắc:

• Chi phí đầu tư ban đầu cao cho thiết bị và cơ sở hạ tầng.
• Yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn phóng xạ và đào tạo nhân sự.
• Phản ứng tâm lý tiêu cực của người tiêu dùng chưa hiểu rõ về chiếu xạ.

Việc truyền thông khoa học rõ ràng và ghi nhãn minh bạch là yếu tố quan trọng để nâng cao sự chấp nhận của xã hội đối với thực phẩm và sản phẩm đã qua chiếu xạ.

Biện pháp an toàn và quy định

Do liên quan đến phóng xạ ion hóa, việc vận hành và quản lý hệ thống chiếu xạ gamma phải tuân thủ các quy định nghiêm ngặt về an toàn bức xạ và bảo vệ môi trường. Các quy chuẩn được đặt ra bởi Cơ quan Năng lượng Nguyên tử Quốc tế (IAEA), Cơ quan Bảo vệ Môi trường (EPA), và luật quốc gia tại từng nước.

Biện pháp an toàn chính bao gồm:

• Che chắn bằng vật liệu hấp thụ mạnh như chì, bê tông hoặc nước.
• Thiết kế buồng chiếu xạ tự động, không có người khi vận hành.
• Giám sát liều chiếu bằng dosimeter cá nhân cho nhân viên.
• Hệ thống cảnh báo rò rỉ và ngắt khẩn cấp.

Tất cả các cơ sở sử dụng nguồn phóng xạ đều phải được cấp phép, kiểm tra định kỳ và huấn luyện nhân viên theo quy định quốc gia. Tại Việt Nam, hoạt động chiếu xạ được quản lý bởi [Cục An toàn bức xạ và hạt nhân – VARANS](https://varans.gov.vn/).

Xu hướng và triển vọng tương lai

Với đà phát triển của khoa học vật liệu, công nghệ sinh học và nhu cầu tiệt trùng, chiếu xạ gamma tiếp tục giữ vai trò chủ đạo trong các lĩnh vực công – nông nghiệp và y tế. Đặc biệt, trong bối cảnh toàn cầu hoá và dịch bệnh, vai trò của chiếu xạ trong chuỗi cung ứng vô trùng và an toàn thực phẩm ngày càng rõ rệt.

Nhiều nghiên cứu đang được thực hiện để cải tiến thiết kế thiết bị chiếu xạ, sử dụng liều thấp hiệu quả hơn, đồng thời giảm thiểu chi phí vận hành. Kết hợp với công nghệ AI và IoT, các hệ thống chiếu xạ thông minh sẽ cho phép kiểm soát và tối ưu hóa quy trình xử lý theo thời gian thực.

Chiếu xạ gamma còn được kỳ vọng mở rộng ứng dụng sang các lĩnh vực mới như xử lý nước thải công nghiệp, phân hủy dược phẩm trong môi trường, hoặc tái chế vật liệu composite. Với chính sách hỗ trợ và nhận thức cộng đồng ngày càng tích cực, chiếu xạ gamma có tiềm năng phát triển bền vững và rộng khắp trên toàn cầu.

Kết luận

Chiếu xạ gamma là một công nghệ sử dụng bức xạ ion hóa để xử lý và cải thiện tính chất vật liệu, với khả năng xuyên sâu, không tiếp xúc và hiệu quả cao. Từ y tế, thực phẩm đến nông nghiệp và nghiên cứu, ứng dụng của chiếu xạ gamma ngày càng mở rộng và đóng vai trò thiết yếu trong đảm bảo an toàn sinh học và chất lượng sản phẩm.

Việc kết hợp giữa tiến bộ kỹ thuật, chính sách quản lý và hiểu biết khoa học từ cộng đồng sẽ là nền tảng để công nghệ này phát triển mạnh mẽ hơn nữa, phục vụ cho mục tiêu phát triển bền vững và nâng cao chất lượng sống của nhân loại.