CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN I. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor) Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “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) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi.” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể,. để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất. Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý.
Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon transducers as membrane enclosed sandwiches”.
Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng 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.
Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+. Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn. Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến sinh học.
Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm biến sinh học trong đời sống. Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm dưới da. Trong thập kỉ vừa qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu và chế tạo nano , cảm biến sinh học thế hệ mới- cảm biến nano sinh học - cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc. Trong cấu trúc của cảm biến nano sinh học, các điện cực hay phần nhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linh kiện nano có độ nhạy cao hơn.
Ví dụ các điện cực micro trước đây được thay thế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bán dẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấu trúc micro không có khả năng này. Ngoài ra, những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của cảm biến sinh học nói chung. Và sự kết hợp các ưu việt của công nghệ nano 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (vật liệu và linh kiện nano với độ nhạy cao) với công nghệ sinh học (độ đặc hiệu cao của chất đánh dấu sinh học) đã chế tạo ra những thế hệ cảm biến mới có khả năng xác định nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao các phần tử sinh học quan trọng như DNA, proteins, vi khuẩn, virut gây bệnh…. Có rất nhiều cảm biến nano sinh học đã và đang được nghiên cứu, phát triển trong thời gian qua và mỗi loại có những ưu điểm khác nhau.
Tuy nhiên trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ chế tạo và ứng dụng của cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano silicon. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors). Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Như thế, chúng ta phải bỏ ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100 micron.
Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài. Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ kít sinh học sợi nano được minh họa trong Hình 2. Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt động dựa trên nguyên lí làm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh kiện phổ biến và truyền thống nhất của công nghệ vi điện tử.
Các khả năng làm việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể được trình bày vắn tắt dưới đây: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (d) Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano là sợi bán dẫn silic loại P có chứa các hạt dẫn mang điện dương. Hai đầu sợi nano có các tiếp xúc điện (không mô tả trong hình vẽ) để cho dòng điện chạy qua sợi nano. Trên bề mặt sợi được thụ động hóa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các tumour markers cần phát hiện. (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi, diễn ra khi dung dịch có chứa các tumour markers được cho chảy qua sợi nano.
Các tumour marker, phần lớn là các chất sinh học có tích điện làm tăng (b) hoặc giảm dòng điện chạy qua sợi (c). Bộ kít chứa nhiều sợi nano, cho phép phát hiện cùng lúc nhiều markers khác nhau, nâng cao độ chính xác của phép chẩn đoán bệnh (d). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon i. Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc không khí bám lên bề mặt sợi cũng đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi - tính siêu nhạy của bộ kít.
Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện trở, cho phép các phân tích được phát hiện nhanh (trong khoảng vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano. Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp siêu chọn lọc, cho phép cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến. Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tính chất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt từng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú. Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tử DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất với một DNA khác được thiết kế tương thích.
Hoặc nếu receptor là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này chỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó. Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano, mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng, cho phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học khác nhau. Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến.
Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dòng điện chạy qua sợi, trong khi dòng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi. Sự kết hợp của hai sợi trên cùng một bộ kít như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép phân tích. Trong thời gian qua các nhà khoa học đã dùng nhiều công nghệ chế tạo khác nhau, chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic. Ví dụ thiết bị của nhóm nghiên cứu thuộc đại học Harvard, Mỹ, có khả năng phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử sinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai (phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh).
Hình 3 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến. Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ nhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn lần. Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, không cần qua bước chuẩn bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích.