HÓA HỌC NGÀY NAY – Cảm biến sinh học

(H2N2)-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 những tác nhân sinh học như enzym, những kháng thể, … để phát hiện, đo đạc hoặc nghiên cứu và phân tích hoá chất. Do vậy cấu trúc của cảm biến sinh học gồm có 3 thành phần cơ bản : thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý .
Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong nghành nghề dịch vụ cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo tiên phong về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông liên tục thực thi rất nhiều thí nghiệm nhằm mục đích nỗ lực lan rộng ra năng lực hoạt động giải trí của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ đúng mực 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 transducers as membrane enclosed sandwiches ”. Ông đưa ra quy mô tiên phong về cảm biến sinh học .

garrido

Cảm biến sinh học theo quy mô của D.Clark gồm có điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose ( glucose oxidase ). Khi tỷ lệ glucose trong môi trường tự nhiên phản ứng giảm thì tỷ lệ chất oxi hóa trên mặt phẳng điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự đổi khác đó, Clark đã phát hiện ra sự đổi khác của nồng độ glucose trong thiên nhiên và môi trường cần kiểm tra .
Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần tiên phong công bố chi tiết cụ thể về sản xuất thành công xuất sắc 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 và thắt chặt enzyme urê ( urease ) bằng màng chất lỏng tinh lọc NH4 + .
Năm 1975 Lubber và Opitz đã diễn đạt một cảm biến sợi quang ( fibre-optic sensor ) gắn những chất thông tư dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, 1 số ít vi trùng cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên những điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn .
Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument ( Ohio ) lần tiên phong biến ý tưởng sáng tạo của Clark thành hiện thực trải qua việc thương mại kinh doanh hóa những cảm biến sinh học. Sản phẩm tiên phong là thiết bị nghiên cứu và phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc tiên phong lưu lại sự Open của những cảm biến sinh học trong đời sống .
Vào năm 1982, Shichiri và những đồng nghiệp đã báo cáo giải trình và miêu tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim tiên phong cho những xét nghiệm dưới da .
Cùng với sự tăng trưởng nhanh gọn của khoa học và công nghệ tiên tiến, đặc biệt quan trọng là những ngành công nghệ tiên tiến vật tư nano và công nghệ thông tin, cảm biến sinh học cũng đạt được những tân tiến vượt bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm mục đích xác lập nhanh, đúng mực những loại vi trùng, virut gây bệnh. Các thiết bị này cũng hoàn toàn có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ ( cỡ vài nM ) với độ an toàn và đáng tin cậy cao .
Cấu tạo chung của cảm biến sinh học
Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học gồm có bốn bộ phận chính : ( B ) Đầu thu sinh học : có tính năng bắt cặp và phát hiện sự xuất hiện của những tác nhân sinh học cần nghiên cứu và phân tích ; ( B ) Tác nhân cố định và thắt chặt : giúp gắn những đầu thu lên trên điện cực ; ( C ) Bộ phận quy đổi tín hiệu giúp chuyển những biến hóa sinh học thành những tín hiệu hoàn toàn có thể đo đạc được ; ( D ) Bộ phận giải quyết và xử lý, đọc tín hiệu ra ( bộ phận này có công dụng chuyển thành những tín hiệu điện để máy tính và những thiết bị khác hoàn toàn có thể giải quyết và xử lý ) .

Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau

a) Các vi khuẩn: các vi khuẩn thường được phát hiện bởi các cảm biến sinh học là vi khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than …
b) Các phân tử nhỏ: các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học có thể phát hiện được là CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol, aspirin, penicilin, TNT, các tác nhân thần kinh khác, …
c) Các phân tử sinh học có kích thước lớn: những phân tử này có thể là các phân tử ADN, RNA, protein, enzyme, các hocmon, …

Đầu thu sinh học
Nhiều cảm biến sinh học sử dụng những tích hợp đã được tăng trưởng rất đơn cử cho những ứng dụng. Có hai loại đầu thu sinh học. Đầu tiên, những cảm biến sinh học sử dụng những enzyme hoặc kháng thể oligonucleotid, ví dụ những chất có nguồn gốc sinh học, được phong cách thiết kế để thực thi một tính năng đơn cử trong khung hình sống. Do vậy, chúng được sử dụng để phát hiện một chất đơn cử. Ngoài ra còn có những đầu thu sinh học hoàn toàn có thể được miêu tả giả như ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, trải qua những giải pháp điện hoá hoàn toàn có thể phát hiện một số ít chất .
Đầu thu sinh học ( Biological Receptor ) là những đầu thu phản ứng trực tiếp với những tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ những thành phần sinh học. Dựa vào những tác nhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số ít loại đầu thu như sau :
Đầu thu làm từ enzyme : Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu phổ cập nhất. Đó là những đầu thu làm từ những enzyme urease, glucose, …
Đầu thu làm từ những kháng thể / kháng nguyên : Các đầu thu dạng này có đặc thù là tính tinh lọc rất cao đồng thời những link được tạo thành khá mạnh .

Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, … Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó cách ly.

Đầu thu làm từ những axit nucleic : Các axit nucleic như ADN, ARN hoàn toàn có thể sử dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sử dụng để phát hiện đột biến và những xô lệch trong cấu trúc di truyền .
Đầu thu tích hợp : Với những đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều những phân tử dạng ( enzyme, kháng thể, protein, … ) trên một đế. Việc tích hợp này lan rộng ra năng lực thao tác của những cảm biến sinh học. Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác lập thuốc nổ TNT, cảm biến xác lập vi trùng bệnh than và cảm biến thử thai .
Đầu thu làm từ tế bào : Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ những phân tử, nguyên tử mà nó còn hoàn toàn có thể được làm từ những tế bào. Một số tế bào biến đổi gen của vi trùng đã được sử dụng làm đầu thu sinh học. Khi xuất hiện những phân tử chất độc, những tế bào này sẽ phát sáng, trải qua đó tất cả chúng ta xác lập được sự Open của những phân tử chất độc .

Tác nhân cố định
Các tác nhân cố định và thắt chặt là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có trách nhiệm kết nối những đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có công dụng link những thành phần sinh học ( có nguồn gốc từ khung hình sống ) với thành phần vô cơ .

Bộ phận chuyển đổi

Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học. Có nhiều dạng quy đổi như chuyển đổi điện hoá, quy đổi quang, quy đổi nhiệt, quy đổi bằng tinh thể áp điện hoặc quy đổi bằng những hệ vi cơ .
Chuyển đổi điện hoá gồm có quy đổi dựa trên điện thế ( potentiometric ), dòng điện ( amperometric ) và độ dẫn ( conductometric ) .
Chuyển đổi quang là quy đổi hoạt động giải trí dựa trên những hiệu ứng như : hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV ; phát xạ huỳnh quang và lân quang ; bio – luminiscence ; chemi – luminiscence ..
Chuyển đổi nhiệt hoạt động giải trí dựa trên hiện tượng kỳ lạ biến hóa entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ những link hóa học trong những phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt động giải trí tốt với toàn bộ những phản ứng. Tuy nhiên, dạng quy đổi này có tính tinh lọc thấp .

Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric)
Chuyển đổi hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi dạng này có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơ động cao, có thể sử dụng đo đạc trong môi trường lỏng và khí.

Chuyển đổi bằng những hệ vi cơ
Nguyên lý hoạt động giải trí của cảm biến sử dụng quy đổi này như sau : chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên mặt phẳng một thanh dầm rất mỏng dính, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector. Thanh mỏng mảnh này được sản xuất sao cho chỉ với một lực ảnh hưởng tác động rất nhỏ cũng làm cho thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector sẽ bị đổi khác so với trường hợp không có lực công dụng lên thanh. Căn cứ vào sự biến hóa tín hiệu phản xạ này, người ta hoàn toàn có thể xác lập được lực tính năng lên thanh
Ứng dụng của cảm biến sinh học

Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: Đây là lĩnh vực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất. Chúng ta có thể kể ra rất nhiều loại cảm biến như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp, … Những cảm biến giúp người bệnh có thể thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật của mình mà không nhất thiết phải đến các trung tâm y tế. Ngày nay, các cảm biến dạng này không những tăng độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà còn được chế tạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng.
Ứng dụng trong công nghệ môi trường: Đó là các cảm biến dạng “mũi điện tử” xác định một hoá chất độc hại nào đó hoặc xác định độ ô nhiễm của môi trường như cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), xác định dư lượng thuốc trừ sâu, xác định nồng độ của các kim loại nặng, …

Ứng dụng trong các tương tác Người – Máy: Đây cũng là một lĩnh vực mới mẻ có nhiều nghiên cứu, ứng dụng. Có thể kể ra một số cảm biến dạng này như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người. Đây cũng là lĩnh vực hứa hẹn có nhiều nghiên cứu, ứng dụng mới.

Ứng dụng trong việc điều khiển và tinh chỉnh, quản trị những quy trình trong công nghệ sinh học : Ngày nay, khi công nghệ sinh học tăng trưởng, đồng thời với việc những chế phẩm sinh học được sản xuất thoáng rộng trên qui mô công nghiệp, cũng như tham gia ngày càng nhiều vào những quy trình sản xuất khác thì một nhu yếu tất yếu phát sinh, đó là việc theo dõi, quản trị, điều khiển và tinh chỉnh những quy trình sinh học như kiểm soát và điều chỉnh lượng glucose trong quy trình nuôi vi trùng .. v.v …. Các cảm biến sinh học đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với những chiêu thức truyền thống cuội nguồn như tính tinh lọc cao, cung ứng nhanh, đơn thuần và đúng chuẩn .

Hoahocngaynay.com
 

Chia sẻ :

5/5 - (1 vote)
Subscribe
Notify of
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments

Bài viết liên quan

0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x