MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, dựa trên công nghệ nano các nhà khoa học đã tạo ra các cảm biến sinh học đầu dò phân tử giúp chúng ta có thể tiếp cận và nghiên cứu thế giới nhỏ bé bên trong các tế bào sinh vật với độ nhạy cao. Ngoài ra có sự dò tìm chọn lọc và định lượng của tất cả các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng và nghiên cứu y tế, trong kiểm soát ô nhiễm môi trường. Chẳng hạn trong chuẩn đoán lâm sàng, nếu như ta phát hiện nhanh và sớm được các đối tượng sinh học như mầm bệnh sẽ giúp cho việc ngăn chặn và nâng cao khả năng được điều trị khỏi bệnh. Nghiên cứu các cảm biến sinh học hướng đến sản phẩm công nghệ hoàn chỉnh, cụ thể, bao gồm quy trình khép kín từ công nghệ chế tạo vật liệu nano từ tính đến chế tạo cảm biến, từ việc nghiên cứu các thông số cơ bản của vật liệu; đang là một xu hướng ưu tiên của khoa học và công nghệ nano trong 20 năm đầu tiên của thế kỉ 21 nhằm vào mục tiêu nâng cao chất lượng cuộc sống.
Trong các cảm biến sinh học thì cảm biến dựa trên hiệu ứng từ - điện có nhiều ưu điểm nổi trội hơn. Ở Việt Nam hiện giờ đang có nhiều nhóm nghiên cứu và phát triển về lĩnh vực này, chế tạo và phát triển công nghệ nano và micro ứng dụng chế tạo cảm biến tổ hợp sinh học. Chính vì vậy, việc xây dựng cơ sở phát triển các vấn đề khoa học liên quan đến ngành khoa học vật liệu, khoa học công nghệ nano, công nghệ sinh học và công nghệ chế tạo cảm biến là cần thiết. Trên cơ sở đó, khóa luận này sẽ trình bày tổng quan về cảm biến sinh học, cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở, nghiên cứu và chế tạo cảm biến dạng mạch cầu Wheatstone với mục đích phát hiện được hạt từ ứng dụng vào trong y sinh học.
9 Đề tài nghiên cứu:“Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở”. Khóa luận gồm 3 chƣơng : Chƣơng 1: Trình bày tổng quan về cảm biến sinh học Chƣơng 2: Trình bày các phương pháp, quy trình chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng đơn thanh dài Chƣơng 3: Trình bày, giải thích kết quả thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận 10 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Khái niệm về cảm biến sinh học 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) hay còn gọi là thụ cảm sinh học kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi (tranduceur)”[7]. Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các kháng thể….
để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất. Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hóa học, thành phần sinh học và thành phần vật lý.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học [12]. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học, và ông đã đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cấu trúc một cảm biến sinh học của D.
Clark 11 Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose. Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì dòng điện sinh ra 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. Cùng 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. Một lĩnh vực ứng dụng mới rất được quan tâm của các vật liệu sử dụng công nghệ spin điện tử có cấu trúc nano là việc kết hợp nó với công nghệ sinh học và y sinh học. Việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Đặc biệt, nó đang mở ra một khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng vào vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí hóa học.
Phân loại cảm biến sinh học Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên về nguyên lý cơ bản có các kiểu dò tìm cơ bản sau : Dò tìm theo phương pháp phát huỳnh quang Dò tìm sử dụng các hạt nano Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa 12 Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ Sự ôxi hóa của điện cực guanine Cảm biến từ dựa trên kỹ thuật điện tử spin Ở trên thế giới hiện nay, hai phương pháp dò tìm bằng đánh dấu huỳnh quang và bằng công nghệ spin điện tử được sử dụng rộng rãi nhất. Về cấu trúc, các cảm biến sinh học có 2 thành phần chính: phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống một phần tử sinh học, nó nhận dạng các tương tác sinh học.
Bộ chuyển đổi sẽ biến tín hiệu nhận được thành tín hiệu vật lý để nhận biết. Cơ chế hoạt động của bio cảm biến 1. Cảm biến sinh học sử dụng phƣơng pháp huỳnh quang Với những đặc tính riêng, phương pháp quang mang lại sự tiện lợi cho việc nghiên cứu y sinh. Các cảm biến dựa trên tính chất quang của vật liệu được phát triển áp dụng nhằm theo dõi và phát hiện các đối tượng sinh học 13 hoặc quá trình sinh học diễn ra bên trong cơ thể sinh vật hay nội tế bào sinh vật.
So với phương pháp khác, các cảm biến dùng phương pháp quang có thể không cần xâm nhập vào tế bào, không làm tổn hại hoặc phá hủy tế bào mà vẫn thu được thông tin cần thiết với độ nhạy cao. Cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang có thể theo dõi trực tiếp sự di chuyển của các kháng nguyên, phản ứng miễn dịch giữa kháng nguyên và kháng thể [1]. Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc huỳnh quang. Một số loại cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang hiện này: cảm biến giúp phát hiện tế bào ưng thu, theo dõi quá trình phân tử trong tế bào sống, đo nồng độ đường trong máu, đầu đo DNA siêu nhậy, cảm biến phát hiện vi khuẩn trong không khí, cảm biến phản ứng miễn dịch huỳnh quang….
Cảm biến sinh học điện cực Enzyme (điện cực E không tan) Thành phần cấu tạo của điện cực này chính là Enzyme được cố định trên bề mặt của điện cực, đáp ứng với nồng độ của một trong các cơ chất hoặc các sản phầm của phản ứng do enzyme xúc tác. Enzyme có thể là một lớp gel mỏng bao quanh cảm biến điện hoặc tiếp xúc với cảm biến này nhờ màng thấm chọn lọc. Cơ chế đi qua lớp gel hay màng chọn lọc, tiếp xúc với E và 14 chuyển hóa thành sản phẩm. Để vận chuyển điện tử một cách thuận lợi thì người ta dùng chất trung gian bao ngoài điện cực.
Đó là các kim loại hữu cơ, thường là ferrocenes [4]. Cảm biến do sự sai khác dòng điện nhờ điện thế đặt giữa phần nhạy cảm của điện cực thí nghiệm và điện cực so sánh. Ở điện thế đặt vào, một phân tử E có thể chuyển đổi điện tử với về mặt điện cực. Dòng điện đi qua cực phản ánh nồng độ của phân tử này, sự thay đổi dòng điện tỉ lệ với nồng độ cơ chất.
Cảm biến sinh học bằng phương pháp điện hóa là một phương pháp hiệu quả, có khả năng áp dụng thực tiễn trong phân tích nhanh trên các đối tượng y sinh. Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano Các hạt nano có nhiều ứng dụng trong cảm biến sinh học, ví dụ như các hạt nano chức năng (điện, quang, từ) gắn kết với các phần tử sinh học (như: petit, protein, niclei axit…) đã được chế tạo để sử dụng trong cảm biến sinh học để dò và khuếch đại nhiều loại tín hiệu. Các cảm biến loại này bao gồm cảm biến sóng âm học, cảm biến quang sinh, cảm biến điện và từ… Phương pháp sử dụng hạt nano từ làm tác nhân phát hiện và đo đạc hàm lượng các hoạt chất sinh học đã và đang được quan tâm rất lớn trong các nghiên cứu ứng dụng y sinh. Nhờ có tính tương thích sinh học cao thông qua lớp hoạt hóa bề mặt mà các hạt nano từ có khả năng tạo liên kết đặc hiệu với các phân tử hoạt chất cần đo đạc.
Do có liên kết đặc hiệu như vậy nên hàm lượng các phân tử hoạt chất được xác định thông qua số hạt nano từ. Một cảm biến sinh học sử dụng phần tử nhạy làm từ vật liệu GMR kết hợp với một kỹ thuật đo từ mới được nghiên cứu có thể xác định được số lượng các hạt từ nhờ phép đo từ trường cảm ứng của chúng. Kỹ thuật này cho thấy khả năng đo đạc các hàm lượng sinh học rất nhỏ với phép đo nhanh và không cần dùng tới màn chắn từ. Cảm biến sinh học dựa trên các hiệu ứng từ Ý tưởng cơ bản của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ spin điện tử hay cảm biến sinh học từ tính là thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quang truyền thống sử dụng các hạt quang bởi sử dụng hạt (label) từ.