Biosensor là thiết bị tích hợp khép kín, có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, bằng cách sử dụng tác nhân nhận dạng sinh hóa (bioreceptor) tiếp xúc trực tiếp với một phần tử chuyển nạp (Theo IUPAC - International Union of Pure and Applied Chemistry). Một cách đơn giản, biosensor là bất kỳ thiết bị nào sử dụng các phản ứng sinh hóa cụ thể để phát hiện và đo lường các hợp chất hóa học.
Biosensor hoạt động dựa trên nguyên lý dẫn truyền tín hiệu, đo trực tiếp hoặc gián tiếp các tương tác giữa thành phần sinh học (phần tử dò) được gắn trên bề mặt cảm biến với tác nhân cần phát hiện (phần tử đích). Cụ thể, khi một chất nhận biết sinh học tương tác với một chất cần phân tích, đầu dò sinh học đo sự tương tác này và xuất ra tín hiệu. Cường độ tín hiệu đầu ra tỷ lệ với nồng độ của chất phân tích. Sau đó, tín hiệu được hệ thống điện tử khuếch đại và xử lý.
Cấu tạo chung của một biosensor bao gồm một đầu dò tích hợp đầu thu sinh học (bioreceptor) với hệ thống điện tử để chuyển đổi tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu có thể định lượng, cụ thể:
- Bioreceptor có nhiệm vụ bắt cặp và phát hiện sự có mặt của tác nhân cần phát hiện, phân tích. Dạng bioreceptor được sử dụng chủ yếu là enzyme như glucose, urease; các kháng thể/kháng nguyên; protein; các nucleic acid như ADN, ARN; tế bào; hay kết hợp sử dụng đồng thời hai hay nhiều các phần tử vừa nêu. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau, chỉ cho phép nhận biết một loại đối tượng phân tích, nếu không phù hợp với thành phần tương tác sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu ở đầu ra của cảm biến.
- Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi tín hiệu sinh học thành các tín hiệu (điện, quang, điện hóa, từ trường…) có thể định lượng được. Nguyên lý đo điện hóa và quang học được ứng dụng khá thành công trong chế tạo biosensor dân dụng. Sản phẩm que thử kiểm tra nhanh là một dạng cảm biến đơn giản theo nguyên lý chỉ thị màu có thể quan sát được bằng mắt thường, rất đơn giản mà hiệu quả chỉ dưới dạng một “que nhúng” có thể sử dụng để kiểm tra tại hiện trường, thí dụ như que thử thai nhanh.
- Bộ phận đọc tín hiệu ra và xử lý, các tín hiệu được hệ thống điện tử/máy tính khuếch đại và xử lý.
Sơ đồ hoạt động của biosensor
Nguồn: Ashok Siddharth, Application of CNT in Biosensor.
Thành phần của một biosensor
Nguồn tham khảo: Ashok Siddharth, Application of CNT in Biosensor.
Dựa vào bản chất của thành phần nhận biết sinh học, có thể phân biệt các loại biosensor như: cảm biến enzyme (enzyme sensor), cảm biến ADN (ADN sensor), cảm biến miễn dịch (immunosensor) hay cảm biến aptame (aptasensor). Tùy vào cơ chế chuyển đổi, biosensor được phân thành các loại như biosensor điện hóa, biosensor quang, biosensor áp điện, biosensor nhiệt, biosensor nhạy cảm ion, biosensor cộng hưởng.
Hầu hết biosensor chỉ sử dụng một lần, để tái sử dụng phải loại bỏ được mẫu sinh học đã gắn trước đó và gắn được mẫu mới. Biosensor có khả năng phát hiện và phân tích các vi khuẩn như Ecoli, Candida, vi khuẩn bệnh than…; các phân tử nhỏ như CO, CO2, gluco, amino axit, paracetamol, aspirine, peniciline, uré, TNT; các tác nhân thần kinh phân tử rượu, thuốc trừ sâu…; các phân tử có kích thước lớn như các phân tử ADN, RNA, protein, enzyme, các hormone, …
Biosensor có ưu điểm là phân tích nhanh chóng, độ đặc hiệu cao, chính xác, đơn giản, dễ sử dụng và ít tốn kém. Nhờ những tiến bộ trong lĩnh vực công nghệ vi điện tử, công nghệ nano, công nghệ sinh học, công nghệ thông tin,…biosensor ban đầu từ các thành phần đơn giản và rẻ tiền đã có những tiến bộ vượt bậc, các biosensor ngày càng tinh vi và tiến đến việc tích hợp một số hệ thống cảm biến vào một đơn vị bao gồm nhiều chất phân tích. Tương lai sẽ có các vi thiết bị với các biosensor có khả năng theo dõi những tín hiệu vô cùng nhỏ, phạm vi phân tích rộng, bao gồm các hợp chất hữu cơ, khí, ion và vi khuẩn,…, các thiết bị nhỏ đến mức có thể đeo trên người hoặc cấy trong cơ thể để lấy dữ liệu liên tục theo thời gian thực một cách dễ dàng.
Ứng dụng đa dạng và tiềm năng phát triển
Biosensor nhận biết trực tiếp chất cần phân tích, lập tức cho ra tín hiệu có thể đo và cho kết quả tức thì, không chỉ cung cấp thông tin định lượng mà còn cung cấp thông tin thời gian về sự hiện diện của chất phân tích nên có thể được sử dụng để theo dõi một quá trình. Biosensor đã được phát triển ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như thực phẩm, môi trường, nông nghiệp, quân sự và đặc biệt là các ứng dụng trong y tế, góp phần quan trọng thay đổi cuộc sống con người ngày càng tiến bộ hơn.
- Trong y tế biosensor giúp chẩn đoán, hỗ trợ điều trị bệnh và chăm sóc sức khỏe. Các loại biosensor được sử dụng để đo huyết áp, đo nồng độ oxy, đo lượng đường trong máu hay để thử thai... , và tạo nên đột phá trong các công nghệ cấy ghép, phẫu thuật, lọc/thay máu.
- Biosensor được xem như "mũi điện tử" trong công nghệ môi trường, giúp phát hiện nhanh chóng các chất độc hại, xác định mức độ ô nhiễm.
- Trong công nghiệp thực phẩm, biosensor hỗ trợ giám sát chất lượng sản phẩm bằng cách phát hiện các thành phần để đánh giá độ an toàn của sản phẩm, hay phát hiện các độc tố, các vi sinh vật, thuốc trừ sâu có thể gây ngộ độc để có biện pháp ngăn ngừa, xử lý.
- Biosensor đã tạo nên cuộc cách trong việc công nghiệp robot, giúp tạo ra người máy có khả năng hoạt động, tương tác giống như con người.
- Ứng dụng biosensor đã mang lại diện mạo mới cho công nghệ sinh học, được sử dụng để theo dõi, điều khiển, quản lý các quá trình sinh học; trong quá trình sản xuất, tạo nên các chế phẩm sinh học ở quy mô công nghiệp.
Xu hướng thực hiện giám sát, phân tích tại chỗ đã thúc đẩy sự phát triển của biosensor. Hiện nay, dễ dàng tìm thấy biosensor được nhúng vào các thiết bị cầm tay để kiểm tra, phân tích ngay tại chỗ, tuy nhiên, biosensor sẽ không thay thế các phương pháp phân tích trong phòng thí nghiệm.
Biosensor ở Việt Nam
Nghiên cứu chế tạo biosensor đã thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước, nhiều đề tài cũng như dự án được thực hiện và đạt được nhiều kết quả triển vọng. Tuy nhiên việc biến các thành tựu khoa học này thành những sản phẩm để đưa ra thị trường còn hạn chế. Một số kết quả nghiên cứu liên quan đến biosensor có thể kể đến là:
- Tại Đại học Bách Khoa Hà Nội, các nhà khoa học đã nghiên cứu thành công quy trình chế tạo đầu thu nhân tạo cho biosensor từ khuôn polymer, cho phép thay thế các cảm biến sử dụng phân tử tự nhiên đắt tiền; TS. Chu Thị Xuân kết hợp với nhóm nghiên cứu của PGS. Mai Anh Tuấn thực hiện nghiên cứu tích hợp vi lưu với biosensor nhằm chế tạo hệ phân tích cầm tay, nhỏ gọn; NCS. Nguyễn Thị Luyến đã bảo vệ xuất sắc đề tài “Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa tích hợp hệ vi lưu”; Năm 2017, các nhà nghiên cứu Viện Vật lý kỹ thuật thuộc Đại học Bách Khoa Hà Nội đã hợp tác với một phòng thí nghiệm nghiên cứu tại trường Đại học Yamanashi (Nhật Bản) phát triển phương pháp gắn vi mẫu lên biosensor bằng kênh vi dẫn và lực ly tâm, cho phép gắn đồng thời nhiều loại vi mẫu trong cùng một thao tác.
- Tại Đại học Khoa học tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội, Phòng Thí nghiệm trọng điểm quốc gia công nghệ Enzyme và Protein KLEPT đã nghiên cứu phát triển và ứng dụng các kỹ thuật thiết kế, chế tạo các bộ kit và biosensor để phát hiện và chẩn đoán một số bệnh và một số tác nhân gây bệnh ở người; TS. Phạm Thế Hải đã nghiên cứu "Công nghệ pin vi sinh và khả năng ứng dụng pin vi sinh hóa dưỡng vô cơ để chế tạo biosensor phát hiện sắt trong nước"; Các nhà khoa học Khoa Vật lý công bố nghiên cứu “Cảm biến sinh học điện hóa để phát hiện glucose bằng cách sử dụng ống nano oxit kẽm”.
- Ở Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, các nhà khoa học đã thực hiện “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ cảm biến sinh học trên cơ sở vật liệu cacbon nano, có khả năng truyền dữ liệu không dây để phân tích nhanh dư lượng một số thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản”. Viện đã hợp tác với Khoa Công nghệ sinh học - Trường Đại học Nông nghiệp Hà Nội và Khoa Công nghệ thực phẩm và hóa học - Trường Đại học Sao Đỏ thực hiện nghiên cứu “Xây dựng và phát triển biosensor từ tế bào nấm men ứng dụng trong phát hiện các hợp chất gây đột biến gen.
- Tại TP.HCM, Trung tâm Nghiên cứu triển khai - Khu Công nghệ cao (SHTP) hợp tác với Trung tâm Nghiên cứu và Đào tạo thiết kế vi mạch (ICDREC) - Đại học Quốc gia TP.HCM thực hiện nghiên cứu về biosensor, đã chế tạo thành công linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (QCM - Quartz Crystal Microbalance) ứng dụng trong biosensor. Cảm biến QCM có ưu điểm là độ nhạy cao, thời gian phản ứng nhanh, có thể hoạt động trong môi trường lỏng và môi trường khí. Tiềm năng ứng dụng cảm biến QCM rất rộng như chẩn đoán bệnh sớm, giải mã gen, phân tích ảnh hưởng chuyển gen lên sự phát triển của thực vật cũng như môi trường sống, hoặc ảnh hưởng của một số chủng virus gây bệnh lên cơ thể sống…, và có khả năng phát hiện virus ở nồng độ cực thấp.
Phương Lan (CESTI)