Cảm biến sinh học ppt

Cảm biến sinh học


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.

Giáo sư Leyland D.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 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.

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa
học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công
nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, cảm
biến sinh học cũng đạt được những tiến bộ vượt
bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm xác
định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut
gây bệnh. Các thiết bị này cũng có thể dò tìm
hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nM) với
độ tin cậy cao.
Cấu tạo chung của cảm biến sinh học

Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao
gồm bốn bộ phận chính: (B) Đầu thu sinh học:
có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của
các tác nhân sinh học cần phân tích; (B) Tác
nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện
cực; (C) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp
chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu

có thể đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín
hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyển thành
các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác
có thể 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 các kết hợp
đã được phát triển rất cụ thể cho các ứng dụng.
Có hai loại đầu thu sinh học. Đầu tiên, các cảm
biến sinh học sử dụng các enzyme hoặc kháng
thể oligonucleotid, ví dụ các chất có nguồn gốc
sinh học, được thiết kế để thực hiện một chức
năng cụ thể trong cơ thể sống. Do vậy, chúng
được sử dụng để phát hiện một chất cụ thể.
Ngoài ra còn có những đầu thu sinh học có thể
được mô tả giả như ngược với đầu thu sinh học

tự nhiên, thông qua các phương pháp điện hoá
có thể phát hiện một số chất.

Đầu thu sinh học (Biological Receptor) là những
đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần
phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần
sinh học. Dựa vào các tác nhân sinh học sử
dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu
như sau:

Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ
enzyme là dạng đầu thu phổ biến nhất. Đó là
các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose,


Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên:
Các đầu thu dạng này có đặc điểm là tính chọn
lọc rất cao đồng thời các liên kết 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 các axit nucleic: Các axit nucleic
như ADN, ARN 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 các sai
lệch trong cấu trúc di truyền.


Đầu thu kết hợp: Với các đầu thu dạng này,
người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều các
phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, )
trên một đế. Việc kết hợp này mở rộng khả năng
làm việc của các cảm biến sinh học. Một số cảm
biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ
TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và
cảm biến thử thai.

Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học
không chỉ được làm từ các phân tử, nguyên tử
mà nó còn có thể được làm từ các tế bào. Một
số tế bào biến đổi gen của vi khuẩn đã được sử
dụng làm đầu thu sinh học. Khi có mặt các phân
tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thông
qua đó chúng ta xác định được sự xuất hiện của
các phân tử chất độc.
Tác nhân cố định

Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng
trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có
nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên
đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian
có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có
nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô
cơ.

Bộ phận chuyển đổi

Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh
học. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi
điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt,
chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển
đổi bằng các hệ vi cơ.


Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa
trên điện thế (potentiometric), dòng điện
(amperometric) và độ dẫn (conductometric).

Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động dựa
trên các 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 dựa trên hiện tượng
thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các
liên kết hóa học trong các phản ứng của
enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt
động tốt với tất cả các phản ứng. Tuy nhiên,
dạng chuyển đổi này có tính chọn 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 các hệ vi cơ

Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng
chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser
đến bộ phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rất
mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi
photodetector. Thanh mỏng này được chế tạo
sao cho chỉ với một lực 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
thay đổi so với trường hợp không có lực tác
dụng lên thanh. Căn cứ vào sự thay đổi tín hiệu
phản xạ này, người ta có thể xác định được lực
tác dụng 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, quản lý các quá
trình trong công nghệ sinh học: Ngày nay, khi
công nghệ sinh học phát triển, đồng thời với việc
các chế phẩm sinh học được sản xuất rộng rãi
trên qui mô công nghiệp, cũng như tham gia
ngày càng nhiều vào các quá trình sản xuất
khác thì một nhu cầu tất yếu nảy sinh, đó là việc
theo dõi, quản lý, điều khiển các quá trình sinh
học như điều chỉnh lượng glucose trong quá
trình nuôi vi khuẩn v.v Các cảm biến sinh học
đã tỏ ra có nhiều ưu điểm so với các phương
pháp truyền thống như tính chọn lọc cao, đáp

ứng nhanh, đơn giản và chính xác.