Cảm biến sinh học (biosensor) bao gồm một đầu dò tích hợp thành phần sinh học với hệ thống chuyển đổi tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu (điện, quang, điện hóa, từ trường…) có thể định lượng được. Cụ thể, biosensor có một thành phần nhận biết sinh học có thể tương tác với một chất cần phân tích. Đầu dò sinh học đo tương tác này và xuất ra tín hiệu (cường độ của tín hiệu đầu ra tỷ lệ với nồng độ của chất phân tích), sau đó tín hiệu được hệ thống điện tử khuếch đại, xử lý và đo đạc.
Leyland C. Clark, một nhà hóa sinh người Mỹ, là người tiên phong trong lĩnh vực biosensor, khi cùng với Champ Lyons sáng tạo biosensor điện cực oxy hóa có đầu thu bằng enzyme glucose vào năm 1962. Đến nay, biosensor đã phát triển nhanh chóng, đa dạng trong thiết kế chế tạo và ứng dụng. Với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là công nghệ vật liệu nano, công nghệ sinh học và công nghệ thông tin,…biosensor được nghiên cứu phát triển ngày càng tinh vi hơn (H1).
H1: Dấu ấn phát triển của biosensor
Ghi chú: CNTs: Carbon nanotubes sensos, QDs: Quantum dots sensos; NPs: Nanoplasmonic sensos.
Nguồn: Carmen Mihaela Tilmaciu, May Morris, Carbon Nanotube Biosensors.
Phát triển biosensor qua bài báo khoa học
Tổng quan về xu hướng phát triển biosensor được Nasrine Olson và Juhee Bae phân tích thông qua các ấn phẩm khoa học và thể hiện trong tài liệu “Biosensors-Publication Trends and Knowledge Domain Visualization”. Các tác giả đã tra cứu và thu thập các bài báo khoa học liên quan đến biosensor và sensor từ dữ liệu WoS (Web of Science) thời điểm tháng 5/2019, chi tiết kết quả tra cứu trong Bảng 1. Số lượng các bài báo khoa học về biosensor đã tăng lên nhanh chóng (với nhiều kết quả nghiên cứu mới được công bố) từ 2010 đến nay, cho thấy triển vọng của biosensor (BĐ1).
Bảng 1: Số lượng tài liệu khoa học liên quan đến biosensor (Kết quả tra cứu từ cơ sở dữ liệu Web of Science (WoS) vào tháng 5/2019)
| Từ khóa |
Kết quả |
| TOPIC: (biosensor*) or TOPIC: (bio-sensor*) |
85.174 |
| TOPIC: (sensor*) |
1.039.670 |
| PUBLICATION NAME: (sensors) |
18.997 |
| PUBLICATION NAME: (biosensors & bioelectronics) |
11.794 |
Nguồn: Nasrine Olson, và Juhee Bae; Biosensors-Publication Trends and Knowledge Domain Visualization.
BĐ1: Phát triển số bài báo khoa học về biosensor và sensor
Nguồn: Nasrine Olson, và Juhee Bae; Biosensors-Publication Trends and Knowledge Domain Visualization.
Đồng thời, Nasrine Olson và Juhee Bae cũng tra cứu và phân tích dựa trên cơ sở dữ liệu PubMed và hệ thống MeSH (Medical Subject Headings: là hệ thống phân loại của Thư viện Y khoa Quốc gia Hoa Kỳ - National Library of Medicine (NLM) dùng để phân loại và tìm kiếm sách báo, tài liệu y sinh học), cho thấy xu thế nghiên cứu biosensor liên quan đến con người chiếm hàng đầu, kế đến là về kỹ thuật cảm biến, cảm biến liên quan đến động vật,…(BĐ2). Các bài báo khoa học về biosensor liên quan đến con người tăng đều đặn trong những năm qua, tuy nhiên trước năm 1999 số lượng bài báo về khía cạnh này ít hơn về kỹ thuật cảm biến (BĐ3).
BĐ2: Xu hướng nghiên cứu biosensor dựa theo hệ thống phân loại MeSH
Nguồn: Nasrine Olson, và Juhee Bae; Biosensors-Publication Trends and Knowledge Domain Visualization.
BĐ3: Phát triển nghiên cứu biosensor dựa theo hệ thống phân loại MeSH
Nguồn: Nasrine Olson, và Juhee Bae; Biosensors-Publication Trends and Knowledge Domain Visualization.
Gần đây, các biosensor điện hóa/quang/điện tử/áp điện với các thành phần nhận biết sinh học enzym/tế bào/kháng thể/DNA/aptamers, được phát triển ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như y tế, chăm sóc sức khỏe, công nghiệp dược, pháp y, thực phẩm và một số lĩnh vực khác. Tài liệu “Basics of Biosensors and Nanobiosensors” của tác giả Pravin Bhattarai và Sadaf Hameed đã so sánh số lượng bài báo khoa học được xuất bản trong hai giai đoạn 2008-2012 và 2013-2017, cho thấy xu thế phát triển biosensor điện tử chiếm ưu thế trong giai đoạn 2013-2017, với 46,77%, trong khi giai đoạn trước đó, tỉ lệ này là 16,53%; ngược lại là biosensor điện hóa có xu hướng giảm, khi giai đoạn 2013-2017 là 30,62% và giai đoạn trước đó chiếm đến 44,07% (BĐ4).
BĐ4: Xu hướng phát triển các loại biosensor
Nguồn: Pravin Bhattarai và Sadaf Hameed, Basics of Biosensors and Nanobiosensors.
Xu thế biosensor qua thông tin sáng chế
Frost & Sullivan đã đề cập đến xu thế phát triển biosensor thông qua phân tích thông tin sáng chế (SC) giai đoạn 2016-2018 và công bố trong tài liệu “Key Opportunities and Trends in Biosensors”. Theo đó có 26.859 SC liên quan đến biosensor được công bố trên toàn cầu (BĐ5), Mỹ dẫn đầu thế giới với số lượng công bố sáng chế khi chiếm 56% trên tổng số toàn cầu, theo sau là WIPO (15%), EPO (10%) và Úc (8%) và Trung Quốc 6% (BĐ6). Điều này cho thấy sự phát triển và thương mại biosensor tập trung ở Mỹ và khu vực châu Á - Thái Bình Dương.
BĐ5: Số lượng sáng chế được công bố toàn cầu
Nguồn: Frost & Sullivan; Key Opportunities and Trends in Biosensors.
BĐ6: Tỉ lệ lượng sáng chế được công bố (theo đơn vị nhận đơn, từ năm 2016-2018)
Nguồn: Frost & Sullivan; Key Opportunities and Trends in Biosensors.
Ngoài các ứng dụng phổ biến đã được biết, biosensor đang được chú trọng nghiên cứu theo hướng ngày càng nhỏ hơn, đến mức kích thước nano để có thể sử dụng cho các thiết bị nhỏ gọn hay cấy ghép trong cơ thể người và có khả năng sử dụng lâu dài. Đó là các biosensor có thể đeo nhằm chẩn đoán/phát hiện bệnh, theo dõi nhịp tim/nhịp thở, lượng đường trong máu, nhiệt độ/độ dẫn điện của da…Các nhà phân tích dự báo, thị trường biosensor toàn cầu trong giai đoạn 2018-2023 sẽ có tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 12%, từ 17,7 tỉ USD năm 2018 sẽ tăng 31,2 tỉ USD vào cuối năm 2023 (BĐ7), cho thấy tiềm năng và sức hút đầu tư và nghiên cứu phát triển biosensor trong tương lai.
BĐ 7: Dự báo doanh thu thị trường biosensor toàn cầu
Nguồn: Frost & Sullivan; Key Opportunities and Trends in Biosensors.
Phương Lan (CESTI)