Cảm biến sinh học những ý tưởng và ứng dụng potx

Cảm biến sinh học những ý tưởng và ứng dụng
Sự dò tìm có chọn lọc và định lượng của tất cả các loại phân tử sinh học đóng vai trò
quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng và nghiên cứ y tế, trong
việc kiểm soát ô nhiễm môi trường. Cho tới nay, đó là phương pháp tiêu chuẩn để thu
thập các mẫu trên hiện trường và gửi chúng đến các phòng thí nghiệm chuyên ngành để
phân tích.
Để thực hiện công việc này yêu cầu phải có
trang bị máy móc khá lớn và tốn kém và cũng
phải có những bộ phận cán bộ có năng lực để
thực hiện và đánh giá kết quả của nhiều bước
tham gia vào trong quá trình phân tích. Từ một
mẫu phẩm gốc chưa xử lý, ví dụ một mẫu máu,
thường bao gồm các bước sau tách và khuyếch
đại cũng như những chuyển đổi và dò tìm của
những phân tử hoá học trong nghi vấn…v.v.
Gần đây, ý tưởng của việc tích hợp tất cả những
nhiệm vụ phòng thí nghiệm này thành một thiết
bị cầm tay dễ sử dụng đã nhận được nhiều sự
quan tâm đồng thời bởi những nhà nghiên cứu
và những công ty công nghệ sinh học. Những hệ thống lab-on-chip (phòng thí nghiệm
tích hợp trong chip) được đưa ra sẽ đơn giản hoá có hiệu quả nhiều nhiệm vụ trong các
lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học, và thậm chí có thể mở ra những ứng dụng
hoàn toàn mới. Ví dụ, những mô người được cấy ghép trong cơ thể có tác dụng kiểm tra
liên tục và đưa ra những hình ảnh về hồng cầu của những bệnh nhân mang những nguy
cơ lớn của những căn bệnh làm chết người. Những ứng dụng có thể khác có thể kể ra như
những việc phân tích đất và không khí trong những môi trường xung quanh có thể gây
độc hại. hay bất cứ đâu có thể đưa ra kết quả kiểm tra ngay lập tức trên hiện trường là rất
quan trọng. Thực tế, hệ thống lab-on-chip đã được tin tưởng để có một tiềm năng như bây
giờ là do những hệ thống vi cơ điện tử đã được làm vào những năm 1980, và sự kết hợp
của hai lĩnh vực này sẽ chắc chắn dẫn tới những công nghệ và những thiết bị căn bản mới
với tác động lớn trên xã hội hiện đại.

Một vài năm trước, đã có một sự phát triển lớn trong lĩnh vực vi lưu hay vi kênh dẫn
(microfluidics). Ví dụ, Thorsen đã báo cáo sự tích hợp trong một mô hình lớn sử dụng
một bộ trộn dòng chảy với một mạch tương tự thành những mạch điện tử tích hợp, cho
phép kiểm tra địa chỉ của hàng nghìn ngăn độc lập chỉ bởi 22 đường điều khiển bên
ngoài. Cộng thêm công việc của bộ khuyếch đại DNA trên bộ vi kênh, các quá trình phản
ứng trong bộ vi kênh chế tạo và những hệ thống phân tách hay toàn bộ những hệ thống
lab-on-chip cho thấy rằng sự chuẩn bị các mẫu sinh học cho việc phân tích, phát hiện các
phân tử trong một thiết bị vi kênh tích hợp điện tử đang là hướng phát triển và sẽ được
thương mại hoá trong một vài năm tới.
Sự liên quan của các thiết bị dò tìm
phân tử các thiết bị lab-on-chip
tương lai với những kỹ thuật khác
hiện đang được ứng dụng và tích
cực nghiên cứu. Tất cả đều dựa vào
nguyên tắc phát hiện sự lai hóa,
điều này cho phép khả năng phân
tích song song ở mức độ cao của
nhiều phân tử sinh học khác nhau
(cho phép phân tích đồng thời nhiều
phân tử sinh học khác nhau), mỗi
một phân tử riêng biệt trong số
chúng ở trong một vùng sensor có
chức năng cụ thể riêng biệt. Phương
pháp này sử dụng nguyên lý chung
khóa và chìa với hầu hết các phân tử
sinh học. Ví dụ, những kháng thể
kết hợp chính xác tới những kháng
nguyên cụ thể, và DNA luôn luôn
xuất hiện với hai chuỗi bổ sung
nhau (từ đầu tới cuối). Vì vậy, bằng

những vùng nhỏ có chức năng cụ
thể của một bộ dò với một trình tự
thông thường của Sợi DNA đơn với
một trình tự đặc trưng (được gọi là
probe DNA), vùng này trở nên nhạy với những dãy DNA bổ sung tuần tự trong vùng lân
cận của nó (được gọi là chất gắn (analyte) hay DNA đích (target DNA). Nguyên lý này
được dùng trong những vi dãy DNA (còn được gọi là DNA assays hay DNA chips) (chú
thích: DNA microarray (còn gọi là DNA chip hay gene chip) là một tấm thủy tinh hoặc
nhựa trên đó có gắn các đoạn DNA thành các hàng siêu nhỏ.), ở đó mỗi chấm DNA có
kích thước cỡ một vài micro mét, gồm một dãy cụ thể các loại cần để dò tìm sự có mặt
của những chuỗi DNA bổ sung trong dung dịch mẫu. Một DNA chip có thể gồm hàng
nghìn những chấm này, và nó là kết quả của quá trình nhỏ giọt của các đầu dò DNA trên
bề mặt của chip (mỗi giọt từ 0.1-1nl).
Để phân tích vị trí của các dãy DNA của một mẫu đưa ra, dung dịch được trải ra toàn bộ
bề mặt sensor, và kết hợp các đầu dò, phân tích những chuỗi lai hóa tới từng chấm. Tới
khi trình tự và vị trí của mỗi chấm DNA dò được nhận biết, cấu tạo của mẫu được vạch ra
nếu số lượng của DNA phân tích lai giống là được nhận diện cho mỗi chấm. Sự phát hiện
ra quá trình lai hóa có thể trực tiếp hoặc gián tiếp. Trong trường hợp sớm hơn, những hạt
từ chức năng hóa được liên kết cụ thể tới chất gắn DNA lai hóa. Điều này có thể thực
hiện được bởi việc thay đổi chất gắn DNA trước khi lai hóa với đầu dò DNA.
Một phương thức phổ biến là gắn những nhóm phân tử được chức năng hóa bằng cách
liên kết trực tiếp tới bề mặt của những hạt từ hoặc hạt bán dẫn phát quang dùng trong
công nghệ chip.
Hình 1. Quá trình phân tích gene không nhiễm bênh
và tế bào HeLa bị nhiễm HSV-1
Một phương pháp được sử dụng rộng rãi khác là phương pháp dò tìm gián tiếp bằng
thuốc nhuộm huỳnh quang với các màu khác nhau. Trong tương lai, thuốc nhuộm hầu
như sẽ được thay thế bởi những tinh thể nano huỳnh quang bán dẫn. (ví dụ: CdSe hay
ZnS), nhưng nguyên lý thì vẫn giữ nguyên. Những hạt từ chức năng hóa được kích thích
bằng laze hoặc ánh sáng cực tím, và cường độ tín hiệu huỳnh quang được đo từ mỗi chấm

DNA với một máy quét thích hợp. Màu và cường độ chỉ ra những thông tin liên quan rất
phong phú của dãy DNA được gắn tương ứng trong dung dịch mẫu.
Một nhiệm vụ điển hình của chíp DNA là phân tích nhanh các tế bào, giải quyết thông tin
của mRNA ( RNA thông tin, thông tin di truyền) trong một tế bào cụ thể. Cho tới khi
hoạt động của các protein được kết nối trực tiếp tới các mRNA tương ứng của chúng,
thông tin về trạng thái của tế bào có thể được đưa ra, những thông tin này là rất quan
trọng với các mẫu để phân tích ảnh hưởng của virus hay những hoạt động của thành phần
thuốc. Thông thường tế bào quan tâm được so sánh với một tế bào liên quan chưa qua xử
lý, vì vậy trong quá trình phân tích phải được lấy được từ hai mẫu trở lên. Hình 1, thể
hiện những bước phức tạp trong phép phân tích nhanh của những tế bào HeLa (mô người
hay những tế bào da). Một nhóm gồm những tế bào liên quan không nhiễm bệnh, trong
khi đó số khác là bị nhiễm bởi HSV-1 virus (những virus bệnh mụn rộp, kiểu 1). Thông
tin di truyền mRNA của mỗi nhóm tế bào là được cách ly và sao chép lại vào cDNA dán
nhãn thuốc nhuộm (DNA bổ sung), nhờ đó những nhãn đỏ là được sử dụng cho những tế
bào nhiễm bệnh và những nhãn xanh là cho những tế bào không nhiễm bệnh. Bây giờ,
những mẫu cDNA là được đặt cùng nhau và được lai hóa tới một chíp DNA, trên mỗi
chấm đầu dò DNA gồm những dãy đặc trưng với một protein cụ thể. Sau khi lai hóa,
những tín hiệu huỳnh quang của mỗi chấm đầu dò DNA được thực hiện bởi một máy
quét laze. Nhờ có sự khác nhãn, những chấm đỏ chỉ ra những protein chính tạo bởi những
tế bào nhiễm bệnh, mặt khác những chấm xanh phát hiện một sự giảm sút hoạt động của
những protein tương ứng trong những tế bào mang bệnh được so sánh với những tế bào
không mang bệnh. Nếu cả những nhóm của những tế bào sinh ra cùng một khoảng
protein cụ thể, thông tin trên chấm đầu dò DNA xuất hiện màu vàng (sự pha trộn tương
đương của đỏ và xanh (green)). Do đó tác động của virus HSV-1 trong những tế bào
Hella đã được nghiên cứu chỉ trong các sự thử nghiệm song song ở mức độ cao. Trước
khi có sự ra đời của DNA chip, nó chỉ có thể phân tích một protein tại một thời điểm.
Điều này tạo ra một giới hạn lớn trong nghiên cứu di truyền và chẩn đoán lâm sàng.
Ngày nay, các vi dãy DNA đã phát triển mạnh mẽ và có nhiều sự lựa chọn hơn. Chúng đã
được chế tạo sẵn theo một yêu cầu công việc cụ thể và theo mong muốn của khách hàng.
Theo automation.net.vn