Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học ZnO phát hiện vi khuẩn Salmonella

Nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học ZnO cấu trúc nano, ứng dụng phát hiện vi khuẩn Salmonella. Độ nhạy cao, tiềm năng ứng dụng thực tế.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Phước
• Người hướng dẫn: Ts. Đặng Thị Thanh Lê
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Và Kỹ Thuật Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Cảm Biến Sinh Học Trên Cơ Sở Vật Liệu Zno Cấu Trúc Nano Ứng Dụng Phát Hiện Vi Khuẩn Salmonella
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2019
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN SINH HỌC
• 1.1. Khái niệm cảm biến sinh học
• 1.2. Phân loại cảm biến sinh học
• 1.3. Tổng quan về vật liệu ZnO
• 1.4. Cảm biến miễn dịch điện hóa trên cơ sở vật liệu cấu trúc nano ZnO
• 1.5. Vi khuẩn Salmonella
• 1.6. Các phương pháp phân tích điện hóa
• 1.6.1. Phương pháp quét thế vòng (CV)
• 1.6.2. Phổ tổng trở điện hóa (EIS)
• 2. CHƯƠNG 2: CHẾ TẠO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH ĐIỆN HÓA
• 2.1. Hóa chất và thiết bị
• 2.2. Quy trình chế tạo điện cực Pt/Cr/SiO2/Si
• 2.3. Quy trình mọc thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt
• 2.4. Chức năng hóa bề mặt điện cực và cố định kháng thể trên bề mặt
• 2.5. Khảo sát tính chất của cảm biến
• 2.5.1. Khảo sát hình thái và cấu trúc của cấu trúc nano ZnO
• 2.5.2. Khảo sát tính chất điện hóa trên các đế khác nhau
• 2.6. Khảo sát tính chất nhạy sinh học
• 3. CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Tính chất vật liệu
• 3.2. Tính chất điện hóa của các điện cực
• 3.2.1. Điện cực Pt
• 3.2.2. Điện cực Pt được phủ vật liệu nano ZnO
• 3.3. Tính nhạy sinh học
• 3.3.1. Tính nhạy sinh học của ba loại cảm biến
• 3.3.2. Độ ổn định của cảm biến thanh nano ZnO đường kính bé
• 3.3.3. Phát hiện vi khuẩn Salmonella
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN CỦA LUẬN VĂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan Cảm biến sinh học ZnO phát hiện Salmonella hiệu quả

An toàn thực phẩm là mối quan tâm hàng đầu trong bối cảnh kinh tế và dân số ngày càng tăng. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác các vi sinh vật gây bệnh, đặc biệt là Salmonella, là vô cùng quan trọng. Các phương pháp truyền thống như phân lập, nuôi cấy đòi hỏi phòng thí nghiệm chuyên biệt và thời gian dài. Phương pháp PCR mặc dù nhạy nhưng tốn kém và yêu cầu kỹ năng cao. Do đó, các cảm biến sinh học nhanh chóng, chính xác đang trở thành xu hướng. Cảm biến sinh học ZnO nổi lên như một giải pháp tiềm năng nhờ tính tương thích sinh học, độ ổn định hóa học và khả năng chuyển điện tử nhanh. Vật liệu ZnO với cấu trúc nano hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả phát hiện cao hơn. Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hồng Phước (2019) tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung vào phát triển cảm biến sinh học ZnO cấu trúc nano để phát hiện Salmonella

1.1. Giới thiệu chung về cảm biến sinh học và ứng dụng

Cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng nhờ một phần tử sinh học. Cảm biến sinh học bao gồm ba bộ phận chính: đầu thu sinh học, bộ phận chuyển đổi và bộ phận xử lý và đọc tín hiệu. Tùy theo phần tử nhận biết và bộ chuyển đổi, cảm biến sinh học được phân loại thành nhiều loại: cảm biến enzyme, cảm biến miễn dịch (immunosensors), cảm biến DNA (deoxyribonucleic acid), cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học quang. Cảm biến enzyme dựa trên enzyme được sử dụng để liên kết giữa chất phân tích và bộ chuyển đổi nhằm chuyển đổi cơ chất xác định thành tín hiệu có thể đo được. Cảm biến DNA Nguyên lý hoạt động của cảm biến DNA dựa trên sự lai hóa thông qua liên kết hydro tự phát giữa DNA mục tiêu và chuỗi bổ sung của nó. Aptasensors Cảm biến sinh học sử dụng aptamers như một phân tử nhận biết được gọi là aptasensors. Cảm biến miễn dịch là chủ đề ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, như một công cụ hữu ích trong chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường và ứng dụng an toàn thực phẩm do tính đặc hiệu cực cao của chúng.

1.2. Tại sao ZnO là vật liệu tiềm năng cho cảm biến sinh học

ZnO là chất bán dẫn thuộc loại các hợp chất AIIBVI, có độc tính thấp và khả năng tương thích sinh học với IEP (điểm đẳng điện: là điểm mà tại đó protein trung hòa điện tích) cao (pH 9 - 9.5) phù hợp để hấp phụ các protein có IEP thấp do việc cố định protein được quyết định bởi tương tác tĩnh điện. Các đặc tính vật lý của ZnO khối được tóm tắt trong bảng 1. Về mặt hóa học, bề mặt của ZnO giàu các nhóm -OH, có thể dễ dàng được chức năng hóa bởi các phân tử khác nhau gắn lên bề mặt. Dựa trên các đặc tính mong muốn này, vật liệu nano ZnO đã thu hút được sự quan tâm rất lớn trong các ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học.

II. Thách thức Phát hiện nhanh Salmonella trong thực phẩm

Nhiễm Salmonella là một vấn đề y tế công cộng nghiêm trọng, gây ra các bệnh như thương hàn và viêm dạ dày ruột. Vi khuẩn Salmonella thường có mặt trong thực phẩm có nguồn gốc từ động vật, đe dọa an toàn thực phẩm. Các phương pháp phát hiện truyền thống thường tốn thời gian và đòi hỏi kỹ thuật phức tạp. Do đó, nhu cầu về các phương pháp phát hiện nhanh Salmonella là vô cùng cấp thiết. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển một cảm biến sinh học ZnO có khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác Salmonella trong thực phẩm.

2.1. Tác hại của vi khuẩn Salmonella và các phương pháp phát hiện truyền thống

Salmonella là trực khuẩn Gram âm, kích thước trung bình từ 2 - 3 x 0,5 - 1 µm, di chuyển bằng tiên mao trừ S. pullorum, không tạo bào tử, chúng phát triển tốt ở nhiệt độ 6 oC – 42 oC, thích hợp nhất ở 35 oC – 37 oC, pH từ 6 - 9 và thích hợp nhất ở pH = 7,2. Salmonella là vi khuẩn kỵ khí tùy nghi phát triển được trên các môi trường nuôi cấy thông thường. Trên môi trường thích hợp, vi khuẩn sẽ phát triển sau 24 giờ. Salmonella không lên men lactose, lên men đường glucose và sinh hơi. Thường không lên men sucrose, salicin và inositol, sử dụng được citrate ở môn trường Simmons. Các phương pháp phân tích truyền thống như phân lập, nuôi cấy, huyết thanh lọc hoặc quan sát qua kính hiển vi… Tuy nhiên, các phương pháp này thường đòi hỏi phải có phòng thí nghiệm chuyên biệt và thời gian cho kết quả lâu.

2.2. Nhu cầu cấp thiết về phương pháp phát hiện nhanh Salmonella

Việc phát hiện nhanh các vi sinh vật gây bệnh là mấu chốt để có những biện pháp điều trị thích hợp, ngăn chặn kịp thời sự lây lan của dịch bệnh. Các phương pháp phát hiện như sinh học phân tử (PCR) có độ nhạy cao, đòi hỏi hóa chất, sinh phẩm đắt tiền, người thực hiện thí nghiệm cần được đào tạo bài bản. Chính bởi vậy, các nghiên cứu gần đây trên thế giới có xu hướng nghiên cứu chế tạo ra các cảm biến sinh học có khả năng chuẩn đoán nhanh, chính xác tác nhân gây bệnh đáp ứng nhu cầu thời đại.

III. Phương pháp Chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa ZnO Nano

Nghiên cứu của Nguyễn Thị Hồng Phước tập trung vào chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa dựa trên vật liệu ZnO cấu trúc nano. Quá trình bao gồm tổng hợp vật liệu ZnO có hình thái và kích thước khác nhau, chức năng hóa bề mặt điện cực và cố định kháng thể. Các phương pháp điện hóa như quét thế vòng (CV) và phổ tổng trở (EIS) được sử dụng để đánh giá độ nhạy cảm biến và khả năng phát hiện Salmonella.

3.1. Quy trình chế tạo vật liệu ZnO cấu trúc nano

Quá trình chế tạo nano ZnO một chiều bằng phương pháp thủy nhiệt bao gồm hai bước chính là (1) tạo mầm ZnO và (2) mọc thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp. (1) tạo mầm ZnO: Một lớp Zn 20 nm đã được lắng đọng bằng cách phún xạ trên lớp Pt của điện cực làm việc sử dụng làm lớp mầm. (2) mọc thanh nano ZnO bằng phương pháp thủy nhiệt ở nhiệt độ thấp - Chuẩn bị dung dịch: Pha Zn(NO3 )2.6H2 O và HMTA (hexamethylentetramine) vào nước cất theo các nồng độ khác nhau.  đây, HMTA đóng vai trò là tạo phức với ion Zn 2+ và tạo môi trường bazơ yếu cho quá trình thủy nhiệt. - Điện cực với lớp mầm ZnO được gắn lên giá đỡ với góc nghiêng 45o, mặt điện cực úp xuống dưới (theo các nghiên cứu thì góc nghiêng 45 olà góc thuận lợi cho việc mọc nhất).

3.2. Chức năng hóa bề mặt và cố định kháng thể Salmonella

Bước 1: Chức năng hóa bề mặt cảm biến - Đầu tiên, ủ MTS/Toluen 2% (1 mL MTS và 49 mL toluen) trên bề mặt cảm biến (silan hóa) trong 60 phút. Để loại bỏ MTS không liên kết, các ZnO NRs đã silan hóa được rửa trong dung môi và sấy khô bằng khí N 2. Bước 2: Cố định kháng thể - Dung dịch kháng thể đa dòng IgG kháng- salmonella của thỏ được pha loãng trong dung dịch muối đệm phosphate (PBS) 0,01 M (pH 7,4), ở nồng độ 2 μg/mL, sau đó được nhỏ xuống bề mặt cảm biến và ủ trong 60 phút ở nhiệt độ phòng. Bước 3: Khóa các vị trí không đặc hiệu - Sau khi cố định kháng thể, 5 dung dịch BSA/PBS (0,01 M, pH 7,4) đã được nhỏ xuống bề mặt của các cảm biến, ủ trong 60 phút để khóa vị trí không đặc hiệu (là các vị trí có kháng thể, tuy nhiên những kháng thể này không liên kết với bề mặt ZnO thông qua các tương tác hóa học).

IV. Đánh giá Độ nhạy và đặc hiệu của cảm biến ZnO với Salmonella

Nghiên cứu đánh giá độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến sinh học ZnO bằng cách sử dụng các phương pháp điện hóa. Các kết quả cho thấy cảm biến có khả năng phát hiện Salmonella ở nồng độ nhất định. Đánh giá hiệu quả của cảm biến ZnO là một bước quan trọng để ứng dụng trong thực tế.

4.1. Sử dụng phương pháp quét thế vòng CV để đánh giá

Nguyên lý cơ bản của phương pháp quét thế vòng là đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn lên điện cực làm việc và dòng ghi nhận là hàm của điện thế và tuân theo định luật Nernst. Khi quét CV cho bề mặt điện cực nghiên cứu, đồ thị phụ thuộc của điện thế và dòng điện có dạng như hình 1. Xét chiều quét điện thế ban đầu theo chiều dương từ điện thế âm hơn so với điện thế cực chuẩn E0 tương ứng với quá trình ôxy hóa.

4.2. Đo phổ tổng trở EIS để xác định độ nhạy và đặc hiệu

Phổ tổng trở điện hóa (EIS) là một công cụ hiệu quả cho phép nghiên cứu các hiện tượng hóa lý xảy ra trên bề mặt phân chia rắn- lỏng. EIS được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu như pin điện hóa, pin nhiên liệu, lớp phũ hữu cơ, vật liệu gốm, bán dẫn và cảm biến sinh học. Ưu điểm của phương pháp này trong cảm biến sinh học điện hóa là điện áp đặt lên điện cực rất nhỏ nên không làm ảnh hưởng đến hoạt tính của các thành phần sinh học.

4.3. Kết quả phân tích và đánh giá độ ổn định của cảm biến

Kết quả cho thấy đối với mẫu được tổng hợp bằng phương pháp phún xạ và xử lý nhiệt cho hình ảnh là màng ZnO gồm các hạt nano nhỏ, tương đối đồng đều như hình 3. Các hạt nano ZnO này có kích thước từ 10-30 nm. Qua đây, chúng ta cũng có thể dự đoán điện cực sau khi phún xạ một lớp kẽm (Zn) có thể mọc được thanh nano ZnO phân bố đồng đều trên toàn bộ điện cực làm việc.

V. Kết quả Cảm biến ZnO phát hiện Salmonella ở nồng độ thấp

Nghiên cứu đã chứng minh cảm biến sinh học ZnO có khả năng phát hiện Salmonella ở nồng độ thấp (10^3 và 10^5 cfu/mL). Kết quả này cho thấy tiềm năng ứng dụng của cảm biến trong việc phát hiện nhanh Salmonella trong thực phẩm và các mẫu bệnh phẩm.

5.1. Khả năng phát hiện Salmonella ở nồng độ thấp 10^3 cfu mL

Các thanh nano ZnO được chế tạo có hình lục giác với đường kính và chiều dài lần lượt khoảng 20 - 200 nm và 5 - 7 µm. Sự hình thành các thanh nano ZnO là do trong quá trình thủy nhiệt đã xảy ra các phản ứng Zn(NO3) 2 2+ Zn + 2NO3-. NH3 + H 2O  NH4 + + OH-. Trong quá trình thủy nhiệt, Zn(OH) 2 hòa tan khi nhiệt độ tăng dần. Khi nồng độ Zn2+ và OH đạt đến giá trị tới hạn của quá trình siêu bão hòa ZnO, hạt nhân ZnO tinh khiết hình thành một cách tự nhiên trong dung dịch nước phức.

5.2. Ứng dụng tiềm năng trong phát hiện nhanh Salmonella

Các kết quả nghiên cứu mà luận văn đã đạt được là cơ sở ban đầu để các nhà khoa học trong và ngoài nước quan tâm và lựa chọn cấu trúc vật liệu nano ZnO thích hợp để tiếp tục khảo sát sâu hơn về cảm biến miễn dịch điện hóa cũng như các loại cảm biến sinh học điện hóa khác.

VI. Tương lai Cải tiến cảm biến ZnO cho an toàn thực phẩm

Nghiên cứu này mở ra hướng phát triển mới cho cảm biến sinh học ZnO trong lĩnh vực an toàn thực phẩm. Cải tiến cảm biến ZnO, nâng cao độ nhạy, độ đặc hiệu và tính ổn định là những hướng nghiên cứu quan trọng trong tương lai. Ứng dụng y tế của cảm biến ZnO cũng hứa hẹn nhiều tiềm năng.

6.1. Hướng nghiên cứu cải tiến độ nhạy và độ đặc hiệu

Để chế tạo một cảm biến sinh học hiệu quả, việc chế tạo vật liệu nano ZnO có hình thái phù hợp trực tiếp trên điện cực để cố định các phân tử sinh học mong muốn là rất quan trọng. Vật liệu ZnO cấu trúc nano đã được nghiên cứu tổng hợp bằng nhiều phương pháp khác nhau và đã được nhóm chúng tôi phát triển thành công cho ứng dụng nhạy khí. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức trong công nghệ chế tạo vật liệu ZnO có cấu trúc nano trực tiếp lên điện cực với các điều kiện khác nhau nhằm tạo ra cảm biến sinh học có cấu trúc tối ưu, chế tạo đơn giản, tiết kiệm.

6.2. Ứng dụng tiềm năng của cảm biến ZnO trong y tế và môi trường

Các nhóm trên chủ yếu nghiên cứu tập trung vào hạt nano bạc, vàng, polymer và ống nano cacbon cho ứng dụng nhạy sinh học. Để chế tạo một cảm biến sinh học hiệu quả, việc chế tạo vật liệu nano ZnO có hình thái phù hợp trực tiếp trên điện cực để cố định các phân tử sinh học mong muốn là rất quan trọng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. Cảm biến sinh học 1. Khái niệm cảm biến sinh học Hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng - IUPAC năm 1999 đã định nghĩa: cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập có khả năng cung cấp các thông tin được phân tích một cách định lượng và bán định lượng nhờ một phần tử sinh học. Cảm biến sinh học có ba bộ phận chính: (1) đầu thu sinh học, (2) bộ phận chuyển đổi và (3) bộ phận xử lý và đọc tín hiệu [27] (Hình 1.

Cấu tạo chung của cảm biến sinh học. Phân loại cảm biến sinh học Tùy theo phần tử nhận biết sinh học và bộ chuyển đổi mà ta có thể phân loại cảm biến sinh học thành các loại khác nhau như cảm biến enzyme, cảm biến miễn dịch (immunosensors), cảm biến DNA (deoxyribonucleic acid), cảm biến sinh học điện hóa, cảm biến sinh học quang [22]. Trong chẩn đoán bệnh, người ta dựa vào yếu tố nhận biết sinh học để phân loại cảm biến.2 cho thấy xu hướng số lượng bài báo khoa học NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 12 ITIMS 2017-2019 hàng năm được Scopus đưa ra từ năm 2010 đến năm 2018 trong lĩnh vực cảm biến sinh học dựa trên các phần tử nhận biết [14]. Số lượng bài báo của các cảm biến sinh học này có xu hướng tăng từ năm 2013 đến năm 2017, nhưng đến năm 2018 thì có xu hướng giảm mạnh.

Trong đó số lượng bài báo về cảm biến enzyme chiếm nhiều nhất và số lượng bài báo được công bố liên quan đến cảm biến sinh học dựa trên kháng thể xếp vị trí thứ hai. Xu hướng về số lượng bài báo được xuất bản hàng năm liên quan đến cảm biến sinh học dựa trên các phần tử nhận biết sinh học [14]. Cảm biến enzyme Bộ cảm biến sinh học enzyme là một công cụ phân tích hiệu quả, trong đó enzyme là phần tử sinh học được sử dụng để liên kết giữa chất phân tích và bộ chuyển đổi nhằm chuyển đổi cơ chất xác định thành tín hiệu có thể đo được. Nguyên lý của cảm biến sinh học dựa trên enzyme là phát hiện sự có mặt của một số chất phân tích bằng cách đo đạc NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 13 ITIMS 2017-2019 sự thay đổi như: nồng độ proton (H+), giải phóng hoặc hấp phụ khí (ví dụ, CO2, NH3, O2, .), phát xạ ánh sáng, hấp thụ hoặc phản xạ, phát xạ nhiệt, xảy ra trong quá trình tiêu thụ cơ chất hoặc hình thành sản phẩm của một phản ứng enzyme [14].

Enzyme có tính chọn lọc và độ nhạy cao với phản ứng hóa học, chúng hoạt động khá nhanh so với các thụ thể sinh học khác và chúng có thể được sử dụng kết hợp với các cơ chế truyền tải khác nhau, đã làm cho cảm biến sinh học dựa trên enzyme trở thành một trong những lĩnh vực được nghiên cứu rộng rãi nhất. Ngoại trừ số lượng nhỏ các phân tử a-xít ribonucleic (RNA) làm xúc tác, tất cả các enzyme đều là protein. Cảm biến DNA Nguyên lý hoạt động của cảm biến DNA dựa trên sự lai hóa thông qua liên kết hydro tự phát giữa DNA mục tiêu và chuỗi bổ sung của nó. Nguyên tắc này thường được sử dụng bằng cách cố định DNA đơn sợi (ssDNA) trên một bề mặt thích hợp.

Sự lai hóa này thường được phát hiện bởi hai phương pháp khác nhau: (1) sự phát hiện của các chất chỉ thị điện động nhất định (sự gắn nhãn), (2) sự phát hiện tín hiệu được tạo ra bởi hầu hết các bazơ điện động của DNA như mô tả trong hình 1. Thiết kế chung và nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học DNA [4]. Phân tử DNA trong cơ thể sống thường tồn tại dưới dạng xoắn kép, dưới tác động NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 14 ITIMS 2017-2019 của nhân tố gây biến tính như: nhiệt độ, pH, hóa chất ở một mức độ nhất định nào đó sẽ làm cho hai mạch này phân tách nhau ra. Đầu thu chuỗi a-xít nucleic được sử dụng phổ biến trong các cảm biến sinh học do giá thành rẻ, độ nhạy và tính chọn lọc cao do ái lực liên kết rất mạnh.

Các đầu thu này cho phép phát hiện các đối tượng liên quan đến gen, sự đột biến trong cấu trúc của DNA, phát hiện các DNA của tế bào ung thư và xác định các độc tố. Aptasensors Cảm biến sinh học sử dụng aptamers như một phân tử nhận biết được gọi là aptasensors. Aptasensors ổn định hơn và thích nghi tốt với các điều kiện của mẫu thực vì các tính chất cụ thể của aptamers [22]. Aptamer là các chuỗi đơn của phân tử RNA (ribonucleic acid) hoặc DNA liên kết với các phân tử mục tiêu của chúng với độ đặc hiệu và ái lực cao.

Sơ đồ đơn giản hóa minh họa tương tác aptamer-mục tiêu [22]. Aptamers đã được phát triển cho các ứng dụng khác nhau. Việc sử dụng chúng như các yếu tố nhận biết sinh học trong cảm biến sinh học hứa hẹn sự tiến bộ trong phát hiện protein nhanh chóng và dễ dàng. Aptamers có thể cạnh tranh với kháng thể trong một số ứng dụng.

Aptamer có kích thước rất nhỏ (30 - 100 nucleotide) so với các phân NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 15 ITIMS 2017-2019 tử nhận thức sinh học khác như kháng thể hoặc enzyme. Điều này cho phép cố định hiệu quả các aptamer ở mật độ cao. Do đó, việc sản xuất, thu nhỏ, tích hợp và tự động hóa các cảm biến sinh học có thể được thực hiện với các aptamer dễ dàng hơn là với các kháng thể. Sau khi được chọn, aptamers có thể được tổng hợp với độ tái lập và độ tinh khiết cao.

Aptamers có thể được phân loại là: - Aptamer DNA hoặc RNA - Aptamer peptit Tương tác giữa aptamer và chất mục tiêu được minh họa trong hình 1. Các aptamer DNA có tính ổn định hóa học cao cho phép tái sử dụng các cảm biến sinh học. Ngược lại, các aptamer RNA thì nhạy cảm với sự thoái hóa do các rebonuclease nội sinh thường được tìm thấy trong các dung dịch tế bào và huyết thanh. Do đó, cảm biến sinh học sử dụng các aptamer RNA làm chất nhận biết sinh học chỉ có thể được sử dụng cho các phép đo một lần trong môi trường sinh học.

Các aptamer DNA và RNA có thể được biến tính hóa học để trải qua những thay đổi về hình dạng phụ thuộc vào chất phân tích. Cảm biến miễn dịch Cảm biến miễn dịch là chủ đề ngày càng thu hút sự quan tâm của các nhà nghiên cứu, như một công cụ hữu ích trong chẩn đoán lâm sàng, giám sát môi trường và ứng dụng an toàn thực phẩm do tính đặc hiệu cực cao của chúng. Nguyên lý làm việc dựa trên việc phát hiện, xử lý và hiển thị tín hiệu gây ra bởi sự hình thành phức hợp kháng nguyên - kháng thể (Ag - Ab). Tương tác giữa kháng thể với kháng nguyên theo nguyên tắc ổ khóa và chìa khóa có tính đặc hiệu cao.

Cảm biến miễn dịch là một thiết bị phân tích không cần xử lý mẫu trước và có khả năng phân tích mẫu có chứa nhiều tạp chất như: máu, huyết thanh, nước tiểu chứa các cơ chất như protein, a-xít amin, đường, hooc môn… Đặc biệt, cảm biến miễn dịch có ưu điểm vượt trội hơn hẳn so với phương pháp khác về thời gian và độ nhạy [55].5 mô tả một số cấu hình liên kết của các xét nghiệm miễn dịch. NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 16 ITIMS 2017-2019 Hình 1. Các cấu hình liên kết của xét nghiệm miễn dịch: (A) hình thành cấu trúc bánh sandwich, (B) xét nghiệm miễn dịch kiểu cạnh tranh, (C) hình thành cấu trúc bánh sandwich mở rộng, và (D) hình thành cấu trúc bánh sandwich trên bề mặt (hạt nano-vi mô) [4]. Cảm biến miễn dịch có hai cách phát hiện là: cảm biến phát hiện trực tiếp và cảm biến phát hiện thông qua chất đánh dấu trung gian.

Cảm biến phát hiện gián tiếp có ưu điểm là làm tăng độ nhạy, nhưng lại làm giảm tính chọn lọc do sử dụng chất đánh dấu trung gian, hơn nữa kỹ thuật này tốn nhiều hóa chất và thời gian do cần thời gian ủ kháng thể với chất đánh dấu. Do đó cảm biến miễn dịch phát hiện trực tiếp không cần chất đánh dấu thường được quan tâm hơn, loại cảm biến này cho phép đo mẫu với kết quả tức thời mà không cần thêm bất kỳ chất nào khác [59]. Kháng thể hoặc immunoglobin là các protein huyết tương hình cầu, nặng 150 kDa. Chúng còn được gọi là glycoprotein và bao gồm hai chuỗi nặng và hai chuỗi nhẹ tạo thành hình dạng chữ Y (Hình 1.

NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 17 ITIMS 2017-2019 Hình 1. Sơ đồ biểu diễn cấu trúc hình chữ Y của một kháng thể [12][51]. Kháng nguyên được tạo ra ở động vật bởi phản ứng miễn dịch với các tác nhân bên ngoài. Kháng thể liên kết với kháng nguyên mục tiêu có ái lực cao và vì vậy có thể phát hiện chất cần phân tích trong sự có mặt của các chất khác.

Các kháng thể được sử dụng trong sự phát triển của cảm biến miễn dịch có hai loại: đa dòng và đơn dòng [22] (Hình 1. Kháng thể đơn dòng và đa dòng khi tương tác với kháng nguyên [22]. NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 18 ITIMS 2017-2019  Kháng thể đơn dòng (monoclonal antibody): chỉ nhận biết một epitope trên một kháng nguyên cho sẵn. Tất cả các kháng thể đơn dòng cùng một dòng thì giống hệt nhau và được sản xuất bởi cùng một tương bào [51].

 Kháng thể đa dòng (polyclonal antibody): tập hợp các kháng thể đặc hiệu với các epitope khác nhau trên một kháng nguyên cho trước. Trong đáp ứng miễn dịch, cơ thể tổng hợp nhiều kháng thể tương ứng với các epitope của cùng một kháng nguyên, đáp ứng này được gọi là đa dòng [51]. Do tính đặc hiệu mà kháng thể đơn dòng được sử dụng như là một kháng thể chính trong các xét nghiệm miễn dịch hoặc để phát hiện các kháng nguyên cụ thể bên trong các chất khác. Tương tác giữa một kháng thể và một kháng nguyên [12][51].

Tương tác giữa một kháng thể và một kháng nguyên phụ thuộc vào bốn kiểu lực không có bản chất cộng hóa trị (Hình 1.8): (1) liên kết hyđrô, trong đó một nguyên tử NGUYỄN THỊ HỒNG PHƯỚC 19 ITIMS 2017-2019 hydro chia sẻ với hai nguyên tử tích điện âm; (2) liên kết ion giữa các thành phần tích điện trái dấu; (3) các tương tác kị nước; và (4) các tương tác Van der Waals giữa các đám mây điện tử phía ngoài của hai hoặc nhiều nguyên tử. Trong môi trường nước, các tương tác không có bản chất cộng hóa trị đặc biệt yếu và phụ thuộc vào hình dạng kháng thể và kháng nguyên [12]. Để chuyển các tương tác sinh học giữa phân tử đích với đầu thu sinh học thành dạng tín hiệu đo đạc được.