CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 CẢM BIẾN SINH HỌC Theo L. Clark, cảm biến sinh học là “một thiết bị phân tích nhỏ gọn hoặc đơn vị kết hợp một yếu tố nhận biết sinh học với một phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u” [8]. Trong mô ̣t cuố n sách có tiêu đề “Biosenser: Fundamental and Applications” xuấ t bản năm 1987, Antony P. Tuner đã đưa ra mô ̣t bản thố ng kê về các đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c cũng như các phẩ n tử chuyể n đổ i tiń hiê ̣u (bảng 1.
Theo tác giả, các phầ n tử đươ ̣c liê ̣t kê có thể không phủ hế t các đố i tươ ̣ng nghiên cứu cũng như các loa ̣i tín hiê ̣u chuyể n đổ i, nhưng viê ̣c thố ng kê này sẽ giúp ić h rấ t nhiề u cho viê ̣c nghiên cứu và phát triể n các loa ̣i cảm biế n sinh ho ̣c khác nhau hoặc tăng đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.1: Các phầ n tử có thể đươ ̣c dùng để chế ta ̣o cảm biế n sinh ho ̣c [74]. Phầ n tử sinh ho ̣c/ đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c Phầ n tử chuyể n đổ i/ tín hiê ̣u đo đươ ̣c Các cơ chế sinh vâ ̣t Hiê ̣u điê ̣n thế Mô Dòng điê ̣n Tế bào Đô ̣ dẫn Bào quan Tổ ng trở Màng tế bào ́ h chấ t quang Tin Enzyme ́ h chấ t nhiê ̣t Tin Thành phầ n cấ u ta ̣o nên enzyme Tín hiê ̣u âm Thu ̣ thể sinh ho ̣c Tín hiê ̣u cơ Kháng thể Điê ̣n tử phân tử (molecular electronic) Acid nucleic Phân tử hữu cơ 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo Từ năm 1962 đế n nay, trải qua hơn nửa thế kỷ phát triể n cảm biế n sinh ho ̣c đã dầ n hoàn thiê ̣n hơn cả về đố i tươ ̣ng nghiên cứu, cách tiế p câ ̣n cũng như ứng du ̣ng các loa ̣i khoa ho ̣c công nghê ̣ mới như công nghê ̣nano [31,80]. Cấ u trúc của mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c cũng đã thay đổ i so với đinh ̣ nghiã ban đầ u của Clark. Phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c đươ ̣c phân tić h ki ̃ hơn và tách biê ̣t ra khỏi phầ n tử nhâ ̣n biế t tiń hiê ̣u.
Bên ca ̣nh đó, phầ n tử mới là phầ n tử xử lí tín hiê ̣u đươ ̣c thêm vào để có thể ứng du ̣ng đươ ̣c các ki ̃ thuâ ̣t xử lí tín hiê ̣u và hiể n thi ̣kế t quả [74]. Cấ u trúc của cảm biế n sinh học Cảm biến sinh học bao gồ m 3 bô ̣ phâ ̣n chính như trong hình 1.1: (1) phầ n tử nhận biết sinh học hay các đầ u thu sinh ho ̣c (biological recognition element hay bioreceptor) dùng để phân biệt các đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t với sự có mặt của các hóa chất khác nhau.1: Sơ đồ khối của cảm biến sinh học Các yếu tố nhận biết phân tử có thể là các yếu tố sinh học enzyme, kháng thể, axit nucleic, vi sinh vật và các lectins [35,79] hoăc các chất vô cơ, ví dụ: kim loại 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo quý, oxit kim loại, ống nano cacbon, graphene, polyme và composite đã được khảo sát để phản ứng xúc tác điện phân của chúng đối với quá trình oxy hóa glucose [12,37]. Năm loại phầ n tử chuyể n đổ i tin ́ hiê ̣u chính là điện hóa, quang học, nhiệt kế, áp điện và từ trường [36]. Hệ thống xử lý tín hiệu được xác định và xây dựng bởi các loại phầ n tử chuyể n đổ i tín hiê ̣u được lựa chọn.
Các tiêu chí chấ t lượng của cảm biế n sinh học Song hành với các nghiên cứu cải thiê ̣n chấ t lươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c, các tiêu chí chấ t lươ ̣ng (performance criteria) đóng vai trò không thể thiế u trong đánh giá, so sánh cảm biế n sinh ho ̣c. Các tiêu chí này tâ ̣p trung vào đánh giá hiê ̣u suấ t sử du ̣ng nhiề u hơn là đánh giá bản chấ t quá triǹ h sinh hóa xảy ra bên trong mô ̣t cảm biế n sinh ho ̣c. Buck đã thố ng kê các tiêu chí chấ t lươ ̣ng đố i với các hê ̣ điê ̣n cực khảo sát ion có tính lo ̣c lựa, đươ ̣c Hiê ̣p hô ̣i Hóa ho ̣c và Hóa ho ̣c ứng du ̣ng Quố c tế (IUPAC – International Union of Pure and Applied Chemistry) công bố [19]. Sau đó các tiêu chí này đươ ̣c thu he ̣p trên đố i tươ ̣ng cảm biế n sinh ho ̣c bởi D.
Thesvenot [74] bao gồ m: các thông số hiê ̣u chin ̉ h, đô ̣ cho ̣n lo ̣c và đô ̣ tin câ ̣y, thời gian phản ứng và tính lă ̣p la ̣i, đô ̣ bề n và thời gian số ng. ❖ Các thông số hiê ̣u chỉnh Các thông số hiê ̣u chỉnh bao gồ m đô ̣ nha ̣y, khoảng hoa ̣t đô ̣ng hay khoảng tuyế n tính và giới hạn đo đa ̣c; đươ ̣c xác đinh ̣ thông qua khảo sát sự phu ̣ thuô ̣c của tín hiê ̣u đầ u ra (S) và nồ ng đô ̣ của đố i tươ ̣ng (C). Sự phu ̣ thuô ̣c giữa S và C có thể đươ ̣c vẽ ở da ̣ng đồ thi ̣ S(C) [13,60,81,85], S(logC) [75,82], hay logS(logC) [69] tùy thuô ̣c vào bản chấ t tương tác của đố i tươ ̣ng sinh ho ̣c và quá trình chuyể n đổ i tín hiê ̣u – đồ thi ̣ này go ̣i là “đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h” (calibration curve). Khoảng hoa ̣t đô ̣ng của cảm biế n là khoảng tuyế n tính của đồ thi ̣hiê ̣u chin̉ h; và đô ̣ dố c của đoa ̣n tuyế n tính này chính là đô ̣ nha ̣y của cảm biế n.
6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo ❖ Độ chọn lọc và độ tin cậy Tiń h đă ̣c hiê ̣u (specificity) đươ ̣c coi là mô ̣t trong những tin ́ h đă ̣c trưng của cảm biế n sinh ho ̣c do sự bắ t că ̣p giữa đố i tươ ̣ng nhâ ̣n biế t với thu ̣ thể trong phầ n tử nhâ ̣n biế t. Tuy nhiên, ái lực bắ t că ̣p đố i tươ ̣ng – thu ̣ thể không nhấ t thiế t cố đinh ̣ đố i với mỗi đố i tươ ̣ng cầ n nhâ ̣n biế t. Ví du ̣ trong liên kế t kháng nguyên – kháng thể có thể đươ ̣c phân că ̣p từ các cá thể me ̣ khác nhau (từ ngựa, từ thỏ) nên cấ u trúc phân tử khác nhau. Đô ̣ cho ̣n lo ̣c (selectivity), vì vâ ̣y cũng có thể thay đổ i khi thay đổ i thu ̣ thể trong cảm biế n, hay thay đổ i cấ u trúc cảm biế n.
Đô ̣ tin câ ̣y của cảm biế n đươ ̣c đánh giá thông qua đô ̣ cho ̣n lo ̣c và khả năng lă ̣p la ̣i. ❖ Thời gian phản ứng Thời gian phản ứng có thể đánh giá hiê ̣u suấ t đo đa ̣c của cảm biế n – có thể hiể u là khoảng thời gian ngắ n nhấ t giữa hai lầ n đo của cảm biế n. Hai da ̣ng thời gian phản ứng thường đươ ̣c nhắ c tới trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng trong cảm biế n sinh ho ̣c sử du ̣ng tiń hiê ̣u điê ̣n; đó là thời gian phản ứng ổ n đinh ̣ và thời gian phản ứng tức thời. ❖ Tính lă ̣p la ̣i, độ bền và thời gian số ng Cũng giố ng như các phép đo khác, tiń h lă ̣p la ̣i của cảm biế n sinh ho ̣c đươ ̣c tin ́ h toán dựa trên sai số của phép đo.
Trong khi đó, thời gian số ng hay đô ̣ bề n vẫn luôn là thách thức với cảm biế n sinh ho ̣c. Các phầ n tử sinh ho ̣c luôn rấ t nha ̣y với môi trường, vì vâ ̣y đô ̣ nha ̣y của cảm biế n cũng bi ̣ảnh hưởng khá nhiề u bởi các yế u tố môi trường như nhiê ̣t đô ̣, đô ̣ ẩ m, hay điề u kiê ̣n bảo quản. Bên ca ̣nh đó, các phầ n tử sinh ho ̣c thường không bề n ở các điề u kiê ̣n bảo quản thường vì vâ ̣y thời gian số ng của các cảm biế n sinh ho ̣c không cao. Phương pháp giải quyế t thường là các mẫu cảm biế n đươ ̣c bảo quản trong điề u kiê ̣n đa ̣c biê ̣t và sử du ̣ng mô ̣t lầ n.
7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Luận văn thạc sĩ Đỗ Phương Thảo 1.1 Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose. Cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose đầ u tiên đươ ̣c đề xuấ t bởi Clark năm 1962 từ bê ̣nh viê ̣n Nhi Cincinnati [37,84]. Với số lươ ̣ng ca mắ c bê ̣nh tiể u đường ngày càng tăng, viê ̣c nghiên cứu ra những cảm biế n sinh ho ̣c nhâ ̣n biế t nồ ng đô ̣ đường trở nên cấ p thiế t trong những năm đầ u thế kỷ XXI [59,68].1 Nguyên lý cơ chấ t – enzyme trong cảm biế n đo nồ ng độ glucose Cảm biế n sinh ho ̣c đo nồ ng đô ̣ glucose đề u dựa trên cơ sở tương tác cơ chấ t với enzyme. Có ba enzyme đươ ̣c sử du ̣ng trong các cảm biế n sinh ho ̣c xác đinh ̣ nồ ng đô ̣ glucose và đề u đóng vai trò là các phầ n tử nhâ ̣n biế t sinh ho ̣c: hesokinase, glucose oxidise (GOx) [62] và glucose-1-dehydrogenase (GDH) [38].
Enzyme hexokinase đươ ̣c sử du ̣ng thành că ̣p với enzyme Glucose-6P-dehydrogenase (G-6P-D) để có sản phẩ n cuố i cùng là H+, theo hê ̣ phương triǹ h phản ứng sau [39]: hexokinase 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 + 𝑨𝑻𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑨𝑫𝑷 𝑫 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒔𝒆 − 𝟔 − 𝑷 + 𝑵𝑨𝑫𝑷+ G-6P-D 𝑮 − 𝒈𝒍𝒖𝒄𝒐𝒍𝒂𝒄𝒕𝒐𝒏𝒆 − 𝟔 − 𝑷 (1.1) +𝑵𝑨𝑫𝑷𝑯 + 𝑯+ Trong đó ATP và ADP là Adenosine triphosphate và Adenosine diphosphate, NADP+ và NADPH là nicotinamide adenine dinucleotide phosphate và da ̣ng khử của NADP+. Hai enzyme GOx và GDH là hai enzyme oxi hóa khử. Khi tương tác với D-glucose xuấ t hiê ̣n quá trình trao đổ i electron để biế n D-glucose thành Glucolactone.