Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Vi Cảm Biến Điện Hóa Trên Cơ Sở Polyme Dẫn Biến Tính

Nghiên cứu chế tạo vi cảm biến điện hóa từ polyme dẫn biến tính, ứng dụng trong y sinh và môi trường, mở ra hướng đi mới cho công nghệ cảm biến.

• Tác giả: Nguyễn Hải Bình
• Người hướng dẫn: GS. Trần Đại Lâm
• Trường học: Học viện Khoa học và Công nghệ
• Chuyên ngành: Vật liệu điện tử
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Hệ Vi Cảm Biến Điện Hóa Dựa Trên Polyme Dẫn Biến Tính
• Loại tài liệu: luận án tiến sỹ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Nghiên Cứu Vi Cảm Biến Điện Hóa Polyme Dẫn Biến Tính

Nghiên cứu vi cảm biến điện hóa dựa trên polyme dẫn biến tính đang thu hút sự quan tâm lớn. Các vi cảm biến này hứa hẹn nhiều ứng dụng trong y sinh và môi trường. Ưu điểm của chúng bao gồm kích thước nhỏ, độ nhạy cao và khả năng phân tích điện hóa nhanh chóng. Việc sử dụng polyme dẫn như polyanilin và polydiaminonaphthalen giúp tăng cường khả năng dẫn điện và tính chất điện hóa của cảm biến. Biến tính polyme bằng các vật liệu nano như ống nano cácbon (CNTs) và hạt nano Fe3O4 càng nâng cao hiệu suất cảm biến. Các nghiên cứu tập trung vào cải thiện độ nhạy cảm biến, độ chọn lọc cảm biến và giảm giới hạn phát hiện (LOD). Bài viết này sẽ đi sâu vào quá trình chế tạo vi cảm biến, các phương pháp biến tính polyme, và ứng dụng thực tiễn của chúng.

1.1. Giới Thiệu Chung về Cảm Biến Sinh Học Điện Hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là thiết bị phân tích điện hóa tích hợp thành phần sinh học nhận biết chất phân tích. Theo tài liệu, cảm biến sinh học điện hóa có thể được phân loại dựa trên cơ chế hoạt động, ví dụ như cảm biến trên cơ sở thế điện cực, cảm biến dòng điện, cảm biến độ dẫn và cảm biến hiệu ứng trường (Nguyễn Hải Bình, 2020). Chúng đo sự thay đổi điện hóa do phản ứng điện hóa giữa chất phân tích và thành phần sinh học. Ứng dụng rộng rãi trong y sinh (phát hiện bệnh, theo dõi sức khỏe), môi trường (quan trắc ô nhiễm), và an toàn thực phẩm (kiểm tra chất lượng). Độ nhạy và độ chọn lọc cao là yêu cầu quan trọng.

1.2. Vai Trò của Polyme Dẫn trong Vi Cảm Biến Điện Hóa

Polyme dẫn đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất của vi cảm biến điện hóa. Chúng có khả năng dẫn điện tốt, dễ dàng biến tính, và tương thích sinh học. Theo nghiên cứu, polyanilin (PANi) và polydiaminonaphthalen (PDAN) là hai loại vật liệu polyme dẫn phổ biến. Biến tính polyme bằng các nano vật liệu như ống nano cácbon (CNTs) và hạt nano Fe3O4 giúp tăng diện tích bề mặt, cải thiện khả năng dẫn điện, và tạo liên kết với các phân tử sinh học. Điều này dẫn đến sự gia tăng đáng kể trong độ nhạy cảm biến và độ chọn lọc cảm biến.

II. Thách Thức Nâng Cao Độ Nhạy Cảm Biến Điện Hóa Polyme Dẫn

Mặc dù vi cảm biến điện hóa dựa trên polyme dẫn biến tính có nhiều ưu điểm, vẫn còn những thách thức cần vượt qua. Một trong những thách thức lớn nhất là nâng cao độ nhạy cảm biến. Giới hạn phát hiện (LOD) cần được giảm xuống để phát hiện các chất phân tích ở nồng độ rất thấp. Đồng thời, cải thiện độ chọn lọc cảm biến cũng rất quan trọng để tránh ảnh hưởng từ các chất gây nhiễu. Nghiên cứu cần tập trung vào việc tối ưu hóa quá trình chế tạo vi cảm biến, lựa chọn vật liệu polyme dẫn phù hợp, và phát triển các phương pháp biến tính polyme hiệu quả. Ngoài ra, tính ổn định lâu dài của cảm biến cũng là một yếu tố cần được xem xét.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Đến Độ Nhạy và Độ Chọn Lọc

Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chọn lọc của vi cảm biến điện hóa. Cấu trúc và tính chất của vật liệu polyme dẫn đóng vai trò quan trọng. Theo tài liệu, việc sử dụng nano vật liệu để biến tính polyme có thể cải thiện đáng kể tính chất điện hóa của polyme. Kích thước, hình dạng, và phân bố của nano vật liệu ảnh hưởng đến diện tích bề mặt và khả năng liên kết với chất phân tích. Môi trường điện hóa (pH, nhiệt độ, điện thế) cũng ảnh hưởng đến phản ứng điện hóa và hiệu suất cảm biến. Cần kiểm soát chặt chẽ các yếu tố này để đạt được độ nhạy và độ chọn lọc tối ưu.

2.2. Ổn Định và Tuổi Thọ Của Vi Cảm Biến Điện Hóa

Tính ổn định và tuổi thọ của vi cảm biến điện hóa là một vấn đề quan trọng cần giải quyết. Polyme dẫn có thể bị suy giảm tính chất điện hóa theo thời gian do ảnh hưởng của môi trường và quá trình phản ứng điện hóa. Theo nghiên cứu, việc bảo vệ polyme dẫn bằng các lớp phủ bảo vệ hoặc sử dụng các phương pháp biến tính polyme thích hợp có thể kéo dài tuổi thọ của cảm biến. Điều kiện bảo quản (nhiệt độ, độ ẩm, ánh sáng) cũng ảnh hưởng đến tính ổn định của cảm biến. Cần thực hiện các thử nghiệm lão hóa để đánh giá và cải thiện tính ổn định lâu dài của vi cảm biến điện hóa.

III. Giải Pháp Phương Pháp Chế Tạo Vi Cảm Biến Polyme Dẫn Biến Tính

Việc chế tạo vi cảm biến điện hóa trên cơ sở polyme dẫn biến tính đòi hỏi quy trình tỉ mỉ và chính xác. Các phương pháp công nghệ vi chế tạo như microfluidics và lắng đọng màng mỏng được sử dụng để tạo ra các cấu trúc vi cảm biến có kích thước nhỏ. Tổng hợp điện hóa là một phương pháp phổ biến để tạo màng polyme dẫn trên bề mặt điện cực. Biến tính polyme có thể được thực hiện bằng cách pha tạp với nano vật liệu hoặc sử dụng các chất biến tính polyme. Việc cố định các phân tử sinh học trên bề mặt cảm biến cũng là một bước quan trọng trong quá trình chế tạo vi cảm biến sinh học.

3.1. Tổng Hợp Điện Hóa Màng Polyme Dẫn và Biến Tính

Tổng hợp điện hóa là phương pháp hiệu quả để tạo màng polyme dẫn trên bề mặt điện cực. Theo tài liệu, polyanilin (PANi) và polydiaminonaphthalen (PDAN) có thể được trùng hợp điện hóa từ các monome tương ứng trong dung dịch điện ly. Biến tính polyme có thể được thực hiện bằng cách thêm nano vật liệu vào dung dịch điện ly hoặc sử dụng các chất biến tính polyme trong quá trình trùng hợp. Quá trình tổng hợp điện hóa cần được kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo chất lượng và độ đồng đều của màng polyme dẫn.

3.2. Cố Định Phân Tử Sinh Học Lên Vi Điện Cực Biến Tính

Việc cố định các phân tử sinh học (enzym, kháng thể, aptamer) trên bề mặt vi điện cực là cần thiết để tạo ra vi cảm biến sinh học. Có nhiều phương pháp cố định, bao gồm hấp phụ vật lý, liên kết cộng hóa trị, và bẫy sinh học. Theo nghiên cứu, sử dụng glutaraldehít để liên kết chéo enzym lên màng PANi biến tính là một phương pháp phổ biến. Việc lựa chọn phương pháp cố định phù hợp phụ thuộc vào loại phân tử sinh học, tính chất của màng polyme dẫn, và yêu cầu của ứng dụng.

IV. Ứng Dụng Vi Cảm Biến Điện Hóa Polyme Dẫn Trong Y Sinh

Vi cảm biến điện hóa dựa trên polyme dẫn biến tính có nhiều ứng dụng tiềm năng trong y sinh. Chúng có thể được sử dụng để phát hiện và định lượng các chất chỉ thị sinh học như glucose, cholesterol, và DNA của virus. Theo tài liệu, vi cảm biến glucose dựa trên PANi/MWCNTs có độ nhạy cao và giới hạn phát hiện (LOD) thấp. Vi cảm biến cholesterol có thể được sử dụng để chẩn đoán các bệnh tim mạch. Vi cảm biến phát hiện DNA của virus HPV có thể giúp sàng lọc ung thư cổ tử cung. Các nghiên cứu đang tập trung vào việc phát triển các vi cảm biến đa chức năng để phát hiện đồng thời nhiều chất chỉ thị sinh học.

4.1. Đo Đường Huyết Cảm Biến Glucose Hiệu Quả Cao

Cảm biến glucose là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của vi cảm biến điện hóa trong y sinh. Theo tài liệu, vi cảm biến glucose dựa trên PANi/MWCNTs/GOx (glucose oxidase) có khả năng đo nồng độ glucose trong máu một cách nhanh chóng và chính xác. Việc sử dụng nano vật liệu như ống nano cácbon (CNTs) giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng xúc tác của enzym GOx. Cảm biến glucose có thể được tích hợp vào các thiết bị theo dõi đường huyết liên tục để giúp bệnh nhân tiểu đường quản lý bệnh tốt hơn.

4.2. Phát Hiện Cholesterol Chẩn Đoán Bệnh Tim Mạch

Vi cảm biến cholesterol đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán và theo dõi các bệnh tim mạch. Theo nghiên cứu, vi cảm biến cholesterol dựa trên PANi-Fe3O4/ChOx (cholesterol oxidase) có khả năng phát hiện nồng độ cholesterol trong máu. Việc sử dụng hạt nano Fe3O4 giúp tăng diện tích bề mặt và cải thiện khả năng liên kết với enzym ChOx. Vi cảm biến cholesterol có thể được sử dụng để sàng lọc nguy cơ mắc bệnh tim mạch và theo dõi hiệu quả điều trị.

V. Vi Cảm Biến Điện Hóa Polyme Dẫn Trong Môi Trường Thực Phẩm

Ngoài y sinh, vi cảm biến điện hóa dựa trên polyme dẫn biến tính còn có nhiều ứng dụng trong môi trường và an toàn thực phẩm. Chúng có thể được sử dụng để quan trắc ô nhiễm nguồn nước, phát hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật trong thực phẩm, và kiểm tra chất lượng sữa. Theo tài liệu, vi cảm biến xác định Aflatoxin trong sữa sử dụng PANi/Fe3O4 có độ chính xác cao. Vi cảm biến xác định Atrazin giúp bảo vệ nguồn nước.

5.1. Quan Trắc Môi Trường Phát Hiện Chất Ô Nhiễm Nguồn Nước

Vi cảm biến điện hóa có thể được sử dụng để quan trắc ô nhiễm nguồn nước, phát hiện các chất ô nhiễm như kim loại nặng, thuốc trừ sâu, và hóa chất công nghiệp. Theo nghiên cứu, vi cảm biến dựa trên PANi/Graphen có khả năng phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu Atrazin trong nước. Độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt là ưu điểm của các vi cảm biến này. Việc tích hợp vi cảm biến vào các hệ thống quan trắc tự động giúp giám sát chất lượng nước liên tục.

5.2. An Toàn Thực Phẩm Kiểm Tra Chất Lượng Sữa và Thực Phẩm

Vi cảm biến điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn thực phẩm. Chúng có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng sữa, phát hiện các chất gây ô nhiễm như Aflatoxin, và đánh giá độ tươi của thực phẩm. Theo tài liệu, vi cảm biến dựa trên P(1,5-DAN)-Fe3O4 có khả năng xác định hàm lượng lactôzơ trong sữa. Việc sử dụng vi cảm biến giúp kiểm tra chất lượng thực phẩm nhanh chóng, chính xác, và tiết kiệm chi phí.

VI. Triển Vọng Hướng Phát Triển Của Vi Cảm Biến Điện Hóa Polyme Dẫn

Nghiên cứu về vi cảm biến điện hóa dựa trên polyme dẫn biến tính đang tiếp tục phát triển mạnh mẽ. Các hướng nghiên cứu chính bao gồm phát triển các vật liệu polyme dẫn mới, cải thiện công nghệ vi chế tạo, và tích hợp vi cảm biến vào các hệ thống thông minh. Ứng dụng của vi cảm biến ngày càng mở rộng sang các lĩnh vực mới như cảm biến khí, cảm biến ion, và cảm biến dopamine. Theo tài liệu, sự kết hợp giữa microfluidics và nano vật liệu hứa hẹn tạo ra các vi cảm biến có hiệu suất vượt trội.

6.1. Vật Liệu Polyme Dẫn Mới và Nano Vật Liệu Tiên Tiến

Nghiên cứu về các vật liệu polyme dẫn mới và nano vật liệu tiên tiến đang mở ra nhiều cơ hội cho việc phát triển vi cảm biến điện hóa. Các polyme dẫn có tính chất điện hóa ưu việt và khả năng tương thích sinh học tốt đang được quan tâm. Các nano vật liệu như graphen, ống nano cácbon đơn vách, và hạt nano kim loại hứa hẹn cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến. Việc kết hợp các vật liệu này một cách sáng tạo có thể tạo ra các vi cảm biến có độ nhạy, độ chọn lọc, và tính ổn định vượt trội.

6.2. Tích Hợp Vi Cảm Biến vào Hệ Thống Thông Minh IoT

Việc tích hợp vi cảm biến điện hóa vào các hệ thống thông minh dựa trên Internet of Things (IoT) đang trở thành một xu hướng quan trọng. Các vi cảm biến có thể được kết nối với mạng internet để truyền dữ liệu về các thông số môi trường, sức khỏe, và chất lượng thực phẩm. Dữ liệu này có thể được phân tích và sử dụng để đưa ra các quyết định thông minh trong các lĩnh vực như quản lý môi trường, chăm sóc sức khỏe từ xa, và kiểm soát an toàn thực phẩm.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN I. GIỚI THIỆU VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA I.1 Định nghĩa về cảm biến sinh học điện hóa Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp phần tử cảm nhận sinh học với thành phần chuyển đổi tín hiệu (điện hóa, quang điện, quang hóa, từ trở. Mô hình và công nghệ chế tạo cảm biến sinh học đầu tiên được hai nhà khoa học Clark và Lyons đưa ra vào năm 1962 [1]. Mô hình cảm biến sinh học này gồm điện cực ôxy- hóa được cố định thành phần sinh học enzym trên bề mặt (của điện cực).

Khi mật độ glucôzơ trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất ôxy-hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm tương ứng. Sự thay đổi này cho phép xác định chính xác nồng độ glucôzơ trong môi trường cần kiểm tra. HỆ VI ĐIỆN MÀNG PHẦN TỬ CHẤT CỰC TÍCH POLYME ĐẦU DÒ PHÂN HỢP CHỨC NĂNG SINH HỌC TÍCH HÓA Hình I. Sơ đồ cấu tạo và chức năng của cảm biến sinh học Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng cung cấp những thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, gồm hai thành phần chính là phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) (như biểu diễn trong Hình I.

Hoạt động của các cảm biến sinh học 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, làm thay đổi các tín hiệu sinh hóa 1 ở lân cận bề mặt chuyển đổi. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và được hiển thị bằng tín hiệu điện, quang, cơ hoặc nhiệt ở đầu ra của cảm biến. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết được một loại đối tượng phân tích theo nguyên tắc khóa – chìa; nếu không có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến. Vì vậy, cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao (tính đặc hiệu sinh học có thể đạt 100 %).

Cảm biến sinh học có thể được phân loại dựa trên thành phần cảm nhận sinh học hoặc bộ phận chuyển đổi. Nếu dựa trên thành phần cảm nhận sinh học, chúng ta có thể chia cảm biến thành các loại như: cảm biến enzym, cảm biến gen/ADN và cảm biến miễn dịch. Nếu dựa trên bộ phận chuyển đổi thì chúng ta có thể chia cảm biến sinh học thành các loại: cảm biến điện hóa dựa trên cơ sở các phép đo dòng, thế, hoặc độ dẫn của dung dịch; cảm biến quang trên cơ sở phép đo huỳnh quang; cảm biến cơ dựa trên sự thay đổi khối lượng ở bề mặt, cảm biến làm thay đổi tần số trong vi cân tinh thể thạch anh; cảm biến trên cơ sở tranzitơ hiệu ứng trường. Sau phát minh trên, các nhà khoa học liên ngành (Hóa học, Vật lý, Khoa học vật liệu, Sinh học, Môi trường.) đã liên tục cùng nhau nghiên cứu phát triển nhằm hoàn thiện công nghệ chế tạo cảm biến nhằm áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau phục vụ cuộc sống con người như ứng dụng trong cảnh báo sớm ô nhiễm môi trường (phát hiện dư lượng thuốc trừ sâu, phát hiện nồng độ kim loại nặng.), kiểm soát an toàn thực phẩm (phát hiện độc tố trong thực phẩm, xác định hàm lượng chất trong thực phẩm…) và phân tích y sinh (dùng cho chẩn đoán sớm các bệnh, định lượng các thông số (máu, nước tiểu.) của cơ thể, kiểm soát các quá trình công nghệ trong chế biến thực phẩm và công nghệ sinh học, sản xuất nông nghiệp.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học Hoạt động của cảm biến sinh học gồm hai phần khá độc lập với nhau. Thành phần vật lý chủ yếu là chuyển đổi tín hiệu của thành phần sinh học thành tín hiệu điện hiển thị ở đầu ra. Khả năng xác định chất cần phân tích của cảm biến sinh học là do tính chất đặc hiệu của thành phần sinh học (các phản ứng sinh – hóa) quyết 2 định. Từ nguyên lý của quá trình nhận biết của phần tử sinh học, ta có nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học.

Khi có sự thay đổi tính chất của môi trường (pH, nồng độ chất, độ dẫn…) thì thành phần sinh học sẽ xác định sự thay đổi của môi trường thông qua các quá trình sinh học (trực tiếp hoặc gián tiếp). Thí dụ như: nếu nồng độ cơ chất trong môi trường thay đổi thì cân bằng động học trong phản ứng enzym thay đổi, từ đó người ta xác định được nồng độ cơ chất. Nếu trong môi trường xuất hiện chất lạ thì phản ứng miễn dịch (immuno reaction) (thí dụ như dạng kháng nguyên-kháng thể (antibody-antigen)) xảy ra và chúng ta xác định được chất đó là gì, lượng bao nhiêu. Cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao là do tính chất đặc hiệu của phản ứng sinh học.

Một phản ứng sinh học chỉ xảy ra khi một loạt điều kiện cùng tồn tại. Cảm biến sinh học điện hóa là một loại cảm biến sinh học trong đó nguyên lý hoạt động dựa trên các hiện tượng điện hóa xảy ra khi cho dòng điện đi qua bình điện phân hoặc do quá trình ôxy hóa – khử trên các điện cực, các hiện tượng trên phụ thuộc vào các tính chất của điện cực và bản chất, nồng độ của các dung dịch [2]. Ngày nay, cảm biến sinh học thường được chế tạo với công nghệ vi điện tử/vi cơ điện tử để tạo thành những vi cảm biến có độ nhạy, độ chọn lọc và độ chính xác cao. Các vi hệ thống sử dụng vật liệu nano sinh học với kích thước hoạt động nhỏ hơn micromet; ngoài khả năng tương thích sinh học cao, chúng còn phát huy được ưu thế về diện tích bề mặt hiệu dụng lớn, có thể làm tăng độ hấp thụ đặc hiệu trong các phép phân tích y sinh.

Với phân tích y sinh, các phép đo dựa trên các hiệu ứng vật lý như sự thay đổi khối lượng, tính chất quang… đã được áp dụng trong các vi thiết bị. Feng Liu và cộng sự đã nghiên cứu chế tạo vi cảm biến ADN sử dụng vi cân trên cơ sở tinh thể thạch anh QCM (Quartz Crystal Microbalance) xác định sự biến đổi gen cấp độ 1 bazơ trong chuỗi ADN, dựa trên mối quan hệ giữa tần số dao động của tinh thể quartz và đối tượng tương tác trên bề mặt cảm biến giúp tăng độ nhạy đạt tới cỡ nM [3]. Tuy nhiên, phương pháp này có nhược điểm là dễ bị ảnh hưởng của môi trường đo nên độ chọn lọc không cao, tỷ số SNR thấp. Bên cạnh đó, phương 3 pháp phân tích quang học trên cơ sở hợp chất huỳnh quang, chấm lượng tử (quantum dot) hoặc sử dụng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR – Surface Plasmon Resonance) cũng được phát triển để xác định tương tác của chuỗi ADN hoặc protein [4].

Nhìn chung, các phương pháp quang có độ chọn lọc và độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị đắt tiền, cấu hình thiết bị phức tạp, khó tích hợp để phát triển, khó thay đổi cấu trúc của hệ thống. So với những phương pháp khác, phương pháp điện hóa được đánh giá là có nhiều tiềm năng trong chế tạo và phát triển các vi cảm biến sinh học, hay còn gọi là vi cảm biến sinh học điện hóa. Trong các loại cảm biến, hệ vi cảm biến điện hóa tích hợp là một trong những hướng nghiên cứu được đầu tư phát triển do các ưu điểm như: dễ dàng chế tạo với số lượng lớn, giá thành rẻ, dễ phát triển, dễ tích hợp, độ bền cơ-lý-hóa tốt. Vi cảm biến điện hóa là hệ cảm biến điện hóa có điện cực làm việc với một trong các thông số kích thước nhỏ hơn 1 mm (tương tự như định nghĩa của vi hệ thống cơ điện tử - MEMS).

Vi cảm biến sinh học điện hóa cho phép chuyển đổi trực tiếp tín hiệu sinh hóa là kết quả tương tác protein-protein, kháng nguyên-kháng thể, ADN dò-ADN đích, enzym-cơ chất thành các tín hiệu điện. Hàm lượng chất cần phân tích (protein, kháng nguyên, ADN đích) sẽ được xác định dựa trên sự biến đổi tín hiệu ra (điện áp, dòng điện) tương ứng theo sự thay đổi tính chất điện hoặc điện hóa của môi trường phân tích. Vi cảm biến điện hóa có cấu trúc đơn giản, có khả năng thay đổi thiết kế và phát triển cấu trúc, dễ tích hợp với các phần tử của vi hệ thống, dễ chế tạo số lượng lớn bằng công nghệ CMOS/MEMS nên giá thành rẻ. Các điện cực làm việc, điện cực đối, điện cực so sánh đều được tích hợp trên một chip, giúp giảm thể tích và khối lượng của mẫu cần phân tích do kích thước điện cực giảm.

Các phần tử của vi cảm biến điện hóa đều được chế tạo trên công nghệ vi điện tử hoặc vi cơ điện tử (CMOS/MEMS technology) nên dễ chế tạo số lượng lớn, giảm giá thành và thuận lợi trong đóng gói chip, tăng độ ổn định và độ lặp lại. Trên thế giới, nhiều nhóm nghiên cứu đã phát triển các vi cảm biến sinh học trên cơ sở linh kiện vi cơ điện tử với các hiệu ứng vật lý – hóa học khác nhau như: khối lượng, áp suất, điện hóa… Nhóm nghiên cứu của Roland Zengerle và cộng sự tại 4 IMTEK (Đức) đã phát triển các vi cảm biến sinh học sử dụng vi kênh để điều khiển và khống chế lượng mẫu phân tích, thời gian phân tích, xử lý tín hiệu [5-7]. Một số nhóm đã tích hợp hệ vi kênh với bộ nguồn công suất trong cùng một chíp để tạo thành vi hệ thống điện hóa hoàn chỉnh (Hiroaki Suzuki và cộng sự - 2019, I-Ming Hsing và cộng sự - 2006…) [8-9]. So sánh với vi cảm biến sử dụng hiệu ứng khối lượng, áp suất, vi cảm biến điện hóa có ưu điểm hơn như thiết kế chế tạo trên cùng công nghệ MEMS nên kích thước nhỏ, có thể chế tạo số lượng lớn làm giảm giá thành, có cấu trúc đơn giản hơn, dễ tích hợp với hệ thống vi kênh-vi van-vi bơm hơn, dễ đóng gói hơn, dễ sử dụng các phương pháp điện hóa để kiếm tra tính chất của thiết bị.

Chính vì vậy, việc phát triển các vi hệ thống điện hóa đã và đang được nhiều nhóm nghiên cứu quan tâm sâu sắc, một số phòng thí nghiệm tập trung về lĩnh vực chế tạo và tích hợp các thiết bị y sinh (W.Zimmerman và cộng sự - 2011, R.Zengerle và cộng sự - 2017, A.Baeumer và cộng sự - 2009) [7,10-11].