I. Tổng quan về cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là thiết bị phân tích kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học với bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ chất cần phân tích. Các yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, hoặc nucleic acid. Bộ chuyển đổi chuyển tín hiệu thành dạng có thể đo được như dòng điện hay điện thế. Cảm biến sinh học đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ hóa học đến kỹ thuật điện. Sự phát triển của cảm biến sinh học không chỉ dừng lại ở việc phát hiện chất mà còn mở rộng ra nhiều ứng dụng trong y học và môi trường.
1.1 Khái niệm cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học với bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ chất cần phân tích. Tín hiệu này có thể được sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các khí như NH3 hay O2. Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô. Bộ chuyển đổi sẽ chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo được như dòng điện, điện thế, sự thay đổi nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lượng bằng phương pháp điện hóa, nhiệt, quang, hay áp điện.
1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học
Trong hơn 50 năm qua, số lượng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị. Khái niệm cảm biến sinh học đã được đưa ra cách đây hơn bốn thập niên. Giáo sư Clark là cha đẻ của khái niệm này khi công bố nghiên cứu về điện cực oxy vào năm 1956. Năm 1962, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase được “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy. Thí nghiệm này đánh dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và môi trường.
II. Nhu cầu phát hiện chất chỉ thị sinh học trong ung thư gan
Ung thư gan là một trong những loại ung thư phổ biến nhất trên thế giới, với tỷ lệ tử vong cao. Nhu cầu phát hiện sớm các chất chỉ thị sinh học trong máu để chẩn đoán ung thư gan là rất lớn. Việc phát hiện sớm có thể giúp cải thiện tỷ lệ sống sót của bệnh nhân. Các biomarker như AFP (Alpha-fetoprotein) đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán và theo dõi điều trị ung thư gan. Tuy nhiên, hiện tại, nhiều cơ sở y tế vẫn phải sử dụng công nghệ nhập khẩu để thực hiện các xét nghiệm này, điều này hạn chế khả năng chẩn đoán và điều trị hiệu quả.
2.1 Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan
Các phương pháp hiện tại để phát hiện chất chỉ thị sinh học trong ung thư gan bao gồm xét nghiệm máu, siêu âm, và chụp CT. Tuy nhiên, những phương pháp này thường không đủ nhạy và chính xác. Việc phát triển các cảm biến sinh học mới có thể giúp cải thiện độ nhạy và độ đặc hiệu trong việc phát hiện các biomarker. Cảm biến sinh học dựa trên công nghệ nano, đặc biệt là sợi silic, có tiềm năng lớn trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học với độ nhạy cao.
2.2 Tầm quan trọng của việc phát hiện sớm
Việc phát hiện sớm ung thư gan có thể giúp tăng cường hiệu quả điều trị và cải thiện tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân. Nghiên cứu cho thấy rằng, nếu ung thư gan được phát hiện ở giai đoạn sớm, tỷ lệ sống sót sau 5 năm có thể lên đến 70%. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới để phát hiện sớm các chất chỉ thị sinh học là rất cần thiết và cấp bách.
III. Công nghệ chế tạo sợi silic trong phát hiện chất chỉ thị sinh học
Công nghệ chế tạo sợi silic (Si NW FET) đã được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học. Sợi silic có kích thước nano cho phép tăng cường diện tích bề mặt, từ đó nâng cao khả năng phát hiện. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến dựa trên sợi silic có thể phát hiện các biomarker với độ nhạy và độ chính xác cao. Việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo cảm biến sinh học mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học.
3.1 Phương pháp chế tạo sợi silic
Phương pháp chế tạo sợi silic có thể được chia thành hai loại chính: phương pháp Top-down và Bottom-up. Phương pháp Top-down bao gồm việc cắt gọt các vật liệu lớn thành các cấu trúc nhỏ hơn, trong khi phương pháp Bottom-up xây dựng các cấu trúc từ các nguyên liệu cơ bản. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.
3.2 Ứng dụng của sợi silic trong phát hiện chất chỉ thị
Sợi silic đã được chứng minh là có khả năng phát hiện các chất chỉ thị sinh học như AFP với độ nhạy cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng sợi silic làm cảm biến, có thể phát hiện nồng độ AFP thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Điều này mở ra khả năng phát triển các bộ kit chẩn đoán ung thư gan với độ chính xác cao, giúp cải thiện khả năng phát hiện sớm và điều trị hiệu quả.
