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 luan an 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 luan an 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 luan an 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 luan an 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].