Tài liệu Cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi ” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể, ... để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất . Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý. Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme transducers as membrane enclosed sandwiches”. Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra. Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+. Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn. Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến sinh học. Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm biến sinh học trong đời sống. Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm dưới da. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, cảm biến sinh học cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm xác định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut gây bệnh. Các thiết bị này cũng có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nM) với độ tin cậy cao. Cấu tạo chung của cảm biến sinh học Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm bốn bộ phận chính: (B) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; (B) Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực; (C) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý). Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau a) Các vi khuẩn: các vi khuẩn thường được phát hiện bởi các cảm biến sinh học là vi khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than … b) Các phân tử nhỏ: các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học có thể phát hiện được là CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol, aspirin, penicilin, TNT, các tác nhân thần kinh khác, … c) Các phân tử sinh học có kích thước lớn: những phân tử này có thể là các phân tử ADN, RNA, protein, enzyme, các hocmon, … Đầu thu sinh học Nhiều cảm biến sinh học sử dụng các kết hợp đã được phát triển rất cụ thể cho các ứng dụng. Có hai loại đầu thu sinh học. Đầu tiên, các cảm biến sinh học sử dụng các enzyme hoặc kháng thể oligonucleotid, ví dụ các chất có nguồn gốc sinh học, được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể trong cơ thể sống. Do vậy, chúng được sử dụng để phát hiện một chất cụ thể. Ngoài ra còn có những đầu thu sinh học có thể được mô tả giả như ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, thông qua các phương pháp điện hoá có thể phát hiện một số chất. Đầu thu sinh học (Biological Receptor) là những đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học. Dựa vào các tác nhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu như sau: Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu phổ biến nhất. Đó là các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose, ... Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng này có đặc điểm là tính chọn lọc rất cao đồng thời các liên kết được tạo thành khá mạnh. Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, ... Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó cách ly. Đầu thu làm từ các axit nucleic: Các axit nucleic như ADN, ARN có thể sử dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền. Đầu thu kết hợp: Với các đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều các phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ...) trên một đế. Việc kết hợp này mở rộng khả năng làm việc của các cảm biến sinh học. Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai. Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ các phân tử, nguyên tử mà nó còn có thể được làm từ các tế bào. Một số tế bào biến đổi gen của vi khuẩn đã được sử dụng làm đầu thu sinh học. Khi có mặt các phân tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thông qua đó chúng ta xác định được sự xuất hiện của các phân tử chất độc. Tác nhân cố định Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ. Bộ phận chuyển đổi Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ. Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric). Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio–luminiscence; chemi–luminiscence.. Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong các phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các phản ứng. Tuy nhiên, dạng chuyển đổi này có tính chọn lọc thấp. Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric) Chuyển đổi hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi dạng này có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơ động cao, có thể sử dụng đo đạc trong môi trường lỏng và khí. Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rất mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector. Thanh mỏng này được chế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ cũng làm cho thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector sẽ bị thay đổi so với trường hợp không có lực tác dụng lên thanh. Căn cứ vào sự thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên thanh Ứng dụng của cảm biến sinh học Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất. Chúng ta có thể kể ra rất nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp, … Những cảm biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế. Ngày nay, các cảm biến dạng này không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng. Ứng dụng trong công nghệ môi trường: Đó là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định một hoá chất độc hại nào đó hoặc xác định độ ô nhiễm của môi trường như cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ của các kim loại nặng, ... Ứng dụng trong các tương tác Người – Máy: Đây cũng là một lĩnh vực mới mẻ có nhiều nghiên cứu, ứng dụng. Có thể kể ra một số cảm biến dạng này như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người. Đây cũng là lĩnh vực hứa hẹn có nhiều nghiên cứu, ứng dụng mới. Ứng dụng trong việc điều khiển, quản lý các quá trình trong công nghệ sinh học: Ngày nay, khi công nghệ sinh học phát triển, đồng thời với việc các chế phẩm sinh học được sản xuất rộng rãi trên qui mô công nghiệp, cũng như tham gia ngày càng nhiều vào các quá trình sản xuất khác thì một nhu cầu tất yếu nảy sinh, đó là việc theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh học như điều chỉnh lượng glucose trong quá trình nuôi vi khuẩn..v.v.... Các cảm biến sinh học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương pháp truyền thống như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh, đơn giản và chính xác.