Chương 1 tổng quan lý thuyết cơ bản về cảm biến sinh học điện hóa và nhiễm trùng bệnh viện bao gồm: nguyên lý hoạt động và cấu tạo của cảm biến sinh học, vật liệu nano vàng, vật liệu nano lai bạc/graphenen oxít, các phương pháp cố định kháng thể trên bề mặt cảm biến, các kỹ thuật phân tích điện hóa. Hơn nữa, nội dung của chương còn đề cập đến tính cấp thiết và vai trò ứng dụng của cảm biến sinh học và thiết bị cầm tay trong việc phát hiện các vi khuẩn gây bệnh như Salmonella, E.coli, và MRSA gây nhiễm trùng bệnh viện. Luận giải các công trình nghiên cứu đã được công bố gần đây để tham khảo, so sánh làm cơ sở cho các nội dung nghiên cứu của luận án. Cảm biến sinh học và nhiễm trùng bệnh viện 1.
Cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa Cảm biến sinh học được khái niệm là một linh kiện tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng dò tìm sự thay đổi từ các phản ứng sinh học và chuyển đổi thành tín hiệu điện ở đầu ra. Các yếu tố nhận biết sinh học có thể là enzyme, thụ thể, peptide, oligonucleotide, tế bào sống, kháng thể hoặc kháng nguyên [18]. Trong đó, nếu yếu tố nhận biết sinh học là kháng thể hay đoạn kháng thể thì được gọi là cảm biến miễn dịch hay cảm biến dựa trên kháng thể. Cấu tạo của cảm biến sinh học gồm 02 thành phần chính: phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) [18].
Phần tử nhận biết thực chất là các chất sinh học hoặc các thực thể sinh học, hoạt động như một yếu tố nhận biết, được liên kết với bộ chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Phần tử sinh học được sử dụng chủ yếu là enzyme, DNA, RNA, kháng thể. Phần tử chuyển đổi có khả năng chuyển tín hiệu không điện từ các tương tác sinh hoá thành tín hiệu điện. Tuỳ thuộc vào phương pháp chuyển đổi tín hiệu mà người ta có thể có các bộ chuyển đổi thành các tín hiệu như điện, quang, nhiệt, từ hay cơ [19],[16],[18].
Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học được biểu diễn như Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học (A), cảm biến điện hóa (B) Cảm biến sinh học điện hóa (Hình 1.1B) được phát triển dựa trên sự tương tác của các thành phần sinh học được cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi các tín hiệu sinh hoá ở lân cận bề mặt bộ chuyển đổi [22]. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và được xác định bằng các phương pháp đo điện thế, dòng điện, tổng trở 7 luan an hay độ dẫn [23]. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết được một loại đối tượng đích đặc hiệu [24],[25]. Nếu không có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến hoặc chỉ đơn thuần là tạo nhiễu trong quá trình đo.
Cảm biến miễn dịch là một loại cảm biến sinh học trên cơ sở kháng thể [26]. Tuy nhiên, hiểu theo nghĩa đầy đủ hơn thì cảm biến miễn dịch là một loại cảm biến sinh học được phát triển trên cơ sở phản ứng đặc hiệu kháng nguyên - kháng thể. Trong đó, kháng thể hay phức hợp gắn kháng thể hoặc kháng nguyên được lựa chọn để cố định lên bề mặt phần tử chuyển đổi và đóng vai trò là yếu tố nhận biết sinh học (phần tử dò) nhằm phát hiện phần tử kháng nguyên còn lại (phần tử đích) [27].2: Công trình công bố quốc tế giai đoạn 2009-2019 liên quan đến cảm biến sinh học (A), cảm biến miễn dịch (B) Tra cứu trên trang “website: www.com”, nghiên cứu sinh đã tổng hợp phân tích mối liên hệ trong 10 năm (2009-2019) từ những công trình nghiên cứu công bố quốc tế liên quan đến cảm biến sinh học. Với từ khóa “Biosensor” cảm biến sinh học đã có 92.169 công trình công bố được tìm thấy (Hình 1.2 A), với từ khóa “Immunosensor” cảm biến miễn dịch có kết quả tương ứng là 9.798 công trình, tăng nhanh trong 3 năm trở lại đây (Hình 1.
Kết quả cho thấy sự quan tâm của các nhà khoa học trong việc nghiên cứu, tìm kiếm những phương pháp nghiên cứu mới nhằm dần thay thế các phương pháp truyền thống trong việc phát hiện, chẩn đoán các tác nhân gây bệnh nói riêng và ứng dụng trong việc nâng cao chất lượng cuộc sống cho con người như kiểm soát môi trường, bệnh tật lây nhiễm, phát hiện sớm các mầm bệnh nguy hiểm…trong đó, cảm biến sinh học điện hóa sẽ được kỳ vọng phát triển trong nhiều năm tới nhằm dần hoàn toàn thay thế các phương pháp phát hiện vi khuẩn truyền thống [28]. Thị trường cảm biến sinh học trên toàn thế giới đã đạt tới 11.4 tỷ USD vào năm 2018 [29]. Trong lĩnh vực y tế dự phòng và chăm sóc sức khỏe, cảm biến sinh học được xác định là phương pháp phát hiện, kiểm tra, chẩn đoán sớm dịch bệnh. Trong đó, cảm biến sinh học điện hóa được chứng minh là thiết bị phân tích có triển vọng lớn để thay thế một phần hay toàn phần những thiết bị và phương pháp chẩn đoán truyền thống trong các phòng 8 luan an thí nghiệm nhằm phát hiện nhanh, chính xác các tác nhân gây nhiễm trùng bệnh viện [30],[31],[32],[33].
Ngoài ra cảm biến điện hóa còn được ứng dụng ở nhiều lĩnh vực khác nhau như: kiểm soát ô nhiễm môi trường [34], an toàn thực phẩm[33],[35], chẩn đoán các tác nhân gây ung thư [7]. Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học trong và ngoài nước Các phương pháp phân tích sinh học truyền thống đang được sử dụng để chẩn đoán có kết quả phân tích chính xác và rất tin cậy. Tuy nhiên, những phương pháp này (PCR, ELISA…) là những phương pháp phân tích phức tạp đòi hỏi kỹ thuật viên có tay nghề cao, các trang thiết bị và phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn và được đặt ở các trung tâm phân tích, nghiên cứu tập trung. Yêu cầu các sinh phẩm và hóa chất đặc hiệu khi thực hiện quá trình phân tích.
Các phương pháp truyền thống trong quá trình phân tích đều mất hàng giờ, hàng ngày để thực hiện, đồng thời các thiết bị chẩn đoán, phân tích được khuyến cáo không được di chuyển khỏi phòng thí nghiệm để đảm bảo tính chính xác và mức độ an toàn sinh học [36],[37]. Đây là lý do cho thấy cần thiết nghiên cứu, tìm hiểu các phương pháp mới trong trường hợp thực hiện các chiến dịch phân tích lưu động. Cảm biến điện hóa là một trong những phương pháp với mục đích nhằm dần bổ sung hoặc thay thế để khắc phục những hạn chế của phương pháp truyền thống. Ưu điểm của thiết bị này là nhỏ gọn, có thời gian phân tích nhanh, độ nhạy cao, chi phí thấp và đặc biệt là khả năng linh động của thiết bị [6],[67],[87].
Cảm biến sinh học nói chung và cảm biến sinh học điện hóa nói riêng đang là hướng nghiên cứu của các nhà khoa học trong và ngoài nước. Sự kết hợp điện cực SPE cacbon và ứng dụng của vật liệu nano, công nghệ điện tử, vật lý và sinh học đã mang lại những thành công ban đầu trong quá trình chế tạo cảm biến sinh học điện hóa, quá trình này đã dần tiếp cận ứng dụng và đáp ứng nhu cầu của thị trường hiện nay. So với các phương pháp truyền thống, khả năng lưu động, tiết kiệm năng lượng và thời gian phân tích nhanh là một ưu thế chính của cảm biến sinh học điện hóa [40].1 Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu công bố quốc tế liên quan đến luận án.1: Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu trên thế giới về cảm biến điện hóa phát hiện vi khuẩn Salmonella Thời Tài liệu Vật liệu biến Phương pháp Giới hạn gian Dải làm việc tham tính dò tìm phát hiện phát khảo hiện Hạt nano Thay đổi màu 96% and 97% // 15 phút [41] vàng sắc Hạt nano Khuếch đại 7,4× 108-7,4 7,4 × 101 120 phút [42] Fe3O4 HCR ×101 CFU/mL CFU/mL Màng vàng CV và DPV 5-30 M 0,208 M 60 phút [43] 9 luan an AuNPs/ MBs DPV 103 - 106 143 90 phút [44] tế bào/ mL tế bào/mL GCE DPV và EIS 10 - 400 pM 2,1 pM // [45] AuNPs DPV 1,0 × 10-11-0,5 50 (±2,1) 60 phút [46] × 10-8 M pM Hạt vàng liên DPV 10,0-100,0 7,7 72 phút [47] kết kháng thể tế bào mL-1 tế bào/mL Ab2 và hạt từ liên kết kháng thể Ab1 Trong thời gian gần đây, Việt Nam đã có nhiều nhà khoa học và các nhóm nghiên cứu về cảm biến sinh học đáng được ghi nhận. Đầu tiên kể đến là nhóm nghiên cứu cảm biến sinh học thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội với định hướng của các cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc vi điện cực để phát hiện lượng dư thuốc trừ sâu, phát hiện sự chuyển đổi gen trong cây trồng [48].
Trong kỹ thuật y sinh, bước đầu đã phối hợp với Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương đã chế tạo được thiết bị chẩn đoán nhằm phát hiện nhanh vi rút viêm não Nhật Bản [49]. Trong lĩnh vực phát hiện vi khuẩn gây bệnh, TS. Nguyễn Thị Thủy và cộng sự đã chế tạo thành công bộ cảm biến điện hóa trên cơ sở cấu trúc FET biến tính MWNCTs phát hiện vi khuẩn E. Trần Thị Luyến và cộng sự đã chế tạo thành công bộ cảm biến DNA tích hợp với hệ vi lưu, bình phản ứng mini trên cơ sở biến tính Ppy để phát hiện vi rút Newcastle kết quả cho giới hạn phát hiện 102 EID 50/mL trong 60 phút [51].2: Tổng hợp một số kết quả nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa ở Việt Nam Tài Vật liệu biến Phương Giới hạn Thời gian liệu Dải làm việc tính/ tác nhân pháp dò tìm phát hiện phát hiện tham khảo APTES-GA- Đo thế vi sai 25 ng/mL - 10 ng/mL 20 phút [49] PrA/ 1g/mL Vi rút VNNB MWCNTs/ Đo dòng 0,5 pM - 1 1 nM 10 phút [50] E.coli O157 :H7 nM Polyaniline/ Đo thế vi sai 5 ng/mL-15 10 ng/mL // [52] Kháng nguyên ng/mL JEV Polyaniline- CV 10 nM-50 490 pM // [53] MWCNTs/ nM Vi rút HPV 10 luan an Dây nano Pt/ CV 2 mM // [54] Glucose Màng Ppy/ CV 2 nM-17 nM 2 nM // [55] Vi rút Herpes Dây Ppy/ CV 20 pM-20 10 pM // [51] Vi rút nM Newcastle Bên cạnh đó, các nhóm nghiên cứu khác cũng đạt được nhiều kết quả tốt, thu hút được sự quan tâm của quốc tế như các nhóm thuộc Trung tâm nghiên cứu thuộc phòng thí nghiệm nano của trường Đại học Quốc gia TP.
