Tiểu Luận Cảm biến sinh học

Trang 1



Đề tài :cảm biến y sinh(sinh học)

Lời nói đầu

Cảm biến sinh học được giới khoa học biết tới từ năm 1956 trong tiếng anh gọi là Biosensor.
Từ sự tìm tòi quan sát sự tồn tại và thích ghi của các sinh vật xung quanh các nhà khoa học đã
nghiên cứu và phát triển ra cảm biến sinh học. Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp để biến
các đại lượng không điện (các vật liệu sinh học) thành các đại lượng điện và có thể đo được.
Trải qua thời gian dài hình thành và phát triển cảm biến sinh học càng ngày càng trở lên hiện
tinh vi ,hiện đại với nhiều ứng dụng trong cuộc sống như:Môi trường ,y tế và nuôi trồng
Trong những năm gần đây cảm biến nói chung cũng như cảm biên sinh học là một môn học bắt
buộc của sinh viên nghành vật lý kỹ thuật,những kỹ sư vật lý tương lai. Cảm biến sinh học cũng
là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên đại học ,cao học và kỹ sư thuộc nhiều nghành
khoa học kỹ thuật khác. Vì vậy hy vọng với bài tiểu luận ngắn này có thể giúp mọi
người hiểu thêm về cảm biến sinh học.






I. Giới thiệu cảm biến Sinh Học
a. Định nghĩa cảm biến sinh học
Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry): Cảm
biến sinh học là thiết bị để kiểm tra, xác định trạng thái các phần tử sinh học dựa

trên sự tương tác giữa các phân tử cần phân tích với các phân tử sinh học (enzyme,
chuỗi DNA, kháng thể, ).
b. Lịch sử hình thành và phát triển của cảm biến sinh học
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.


Trang 2




Hinh 1 :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+.

Trang 3




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.

II. Cấu tạo cơ bản của cảm biến sinh
học
Cảm biến sinh học gồm ba bộ phận chính sau :
1. Đầu thu sinh học: Nó có tác dụng bắt cặp, phát hiện sự có mặt của các tác
nhân sinh học cần phân tích, tác nhân cố định giúp gắn các đầu thu lên trên điện
cực.

2. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: bộ phận này giúp chuyển các biến đổi sinh học
thành các tín hiệu có thể đo đạc được.
Có các dạng chuyển đổi:
- Chuyển đổi điện hóa.
- Chuyển đổi quang.
- Chuyển đổi nhiệt.
- Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện piezoelectric.
- Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ .

3. Bộ phận xử lý giúp đọc tín hiệu ra: Bộ phận này có tác dụng chuyển các tín
hiệu không điện thành các tín hiệu điện có thể xử lý.




Trang 4




Hình 2.Cấu tạo cảm biến sinh học
 Màng vật liệu sinh học.
 Bộ dao động thạch anh.
 Điện cực.
 Bộ phận ghi nhận tín hiệu.

Trang 5



 Hình 3. Sơ đồ hiển thị các thành phần chính của một cảm biến sinh học. Các
biocatalyst (a) chuyển đổi chất nền cho sản phẩm. Phản ứng này được xác định
bởi các bộ chuyển đổi (b) được chuyển thành tín hiệu điện. Sản lượng từ đầu
dò được khuếch đại (c), chế biến (d) và hiển thị (e).
Các phần quan trọng của cảm biến sinh học là các bộ chuyển đổi (hiển thị
như là "đen" ô trong hình 5) mà làm cho việc sử dụng một thay đổi về thể chất
đi kèm với phản ứng.
1. Sản lượng nhiệt (hoặc hấp thụ) của các phản ứng (calorimetric cảm biến sinh
học).
2. Thay đổi trong việc phân phối các khoản phí gây ra một tiềm năng điện
được sản xuất (potentiometric cảm biến sinh học).
3. Chuyển động của các điện tử sản xuất trong phản ứng oxi hóa khử
(amperometric cảm biến sinh học).
4. Sản lượng trong phản ứng ánh sáng hoặc hấp thụ ánh sáng khác biệt giữa
các chất phản ứng và các sản phẩm (quang cảm ứng sinh học).
5. Tác dụng do khối lượng của các chất phản ứng hoặc sản phẩm.
III. Nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học

a. Nguyên lý chung :
Các vật liệu sinh học như : vi khuẩn, tế bào, enzim, kháng thể, DNA, … gây ra
một trong các thay đổi :
 Phản ứng trên bề mặt điện cực.
 Thay đổi PH.

 Thay đổi nhiệt độ.
 Thay đổi tính chất truyền qua của ánh sáng.
 Thay đổi khối lượng màng.
Những sự thay đổi này được nhận biết tương ứng bằng các điện cực đếm
elcectron, điện cực đo độ PH bằng chất bán dẫn, các cặp nhiệt, bộ đếm electron
hoặc bộ dao động thạch anh. Các thay đổi này được chuyển thành tín hiệu điện từ
đó cho ta thông tin về các vật liệu sinh học.Mối quan hệ giữa nhận biết sinh học và
phương pháp chuyển đổi được mô tả rõ trong bảng 1.


Trang 6



Loại
nhận biết
Hệ quả nhận biết
Các phương pháp chuyển đổi và
cảm biến
Hệ thống
enzim



Loại
miễn
dịch
Thay đổi nồng độ sản
phẩm
Thay đổi cơ chế oxi hóa

khử
Thay đổi điện dẫn
Nhiệt của phản ứng
Hiệu quả và hình dạng
Thay đổi hình dạng kích
thước
Thay đổi khối lượng
Thay đổi các tính dẫn điện
Cảm biến dòng điện,điện cực dòng
điện
Cảm biến điện thế điên cưc
thế,ENFET
Đo điện trở
Biến trở nhiệt
Thay đổi các tín hiệu quang

Cảm biến y sinh điện áp
Cảm biến miễn dịch điên dung và
do trở kháng
Bảng 1: Quan hệ giữa nhận biết sinh học và phương pháp chuyển đổi.


Hình 4: Nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học
b. Sơ đồ nguyên lý


Trang 7

Hình 5 :sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của cảm biến sinh học
Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc nhập các vật liệu sinh học được phép
đi qua màng tế bào để các lựa chọn có thể được thực hiện và các phân tử gây nhiễu
được giữ lại ở bên ngoài màng. Mẫu này sau đó tương tác với các cảm biến sinh
học và hình thức một sản phẩm, mà có thể là một điện phí, nhiệt, khí đốt, hóa học
thích hợp.Sản phẩm này sau đó đi qua màng tế bào khác và đạt đến bộ chuyển đổi,
chuyển đổi các tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu điện có thể được tiếp tục khuyếch
đại và có thể là đọc trên bảng điều khiển kỹ thuật số hoặc có thể được ghi trên máy
ghi âm.



Trang 8




a – analyte d - cố định bề mặt g - khuếch đại và điều khiển
b – interferent e-tín hiệu chuyển đổi h-đầu ra của analyte đo
c - sinh học phân tử cố định f-bộ chuyển đổi



Điều này cho phép đo nồng độ của chất nền mà không cần chế biến, như vậy
tránh được tiêu thụ của mẫu. Một số chi tiết của các yếu tố sinh học, cảm biến, và
đầu dò được sử dụng trong cảm biến sinh học được tóm tắt trong bảng

Hình 7.

1 interferen không được phép đi qua màng.
2 Màng bảo vệ bên ngoài.
3 Anlyte.
4 Sản phẩm(qua nội màng).
5 Bộ phận chuyển đổi.
6 Bộ khuếch đại.
7 Tín hiệu.
8 Xử lý tín hiệu.
9 Readout kỹ thuật số.
10 Ghi âm.
11 Chất nền(ânlyte).
12 Enzyem kháng thể cell.
13 (sesning phần).
14 Nội màng.
15 Micro-điện tử.






Trang 9



IV. Phân loại cảm biến sinh học.

a.Phân loại theo cơ chế chuyển đổi
1.Chuyển đổi điện hoá: Bao gồm chuyển đổi dựa trên điện
thế(potentiometric),dòng điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric).

2. 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
3. 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.
4. 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
s 5. 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

b.phân loại theo đầu thu sinh học
1. 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, .




Trang
10

Đầu thu enzyme

2. 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.
3. 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 sử dụng protein
4. 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.




Trang
11



Đầu thu từ các axit Nucleic

5. 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 kết hợp

6. 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.

V. Các ứng dụng của cảm biến y sinh .
- Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: Đây là lĩnhvực có nhiều
cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất. Chúng ta cóthể kể ra rất nhiều loại cảm
biến như cảm biến nồng độ oxi, glucosetrong máu, cảm biến huyết áp, … Các cảm
biến dạng này được chếtạo 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 địnhđộ ô nhiễm của môi trường.
- 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.




Trang
12

VI.Một số máy sử dụng công nghệ cảm biến y sinh
a.Cảm biến sinh học phát hiện nhanh bệnh than, bệnh đậu mùa & một số
bệnh khác
(TBYS) – Các nhà nghiên cứu ở MIT Lincoln
Lab đã phát triển một loại cảm biến rất nhạy, có thể
phát hiện ra một số bệnh như bệnh than, đậu mùa
trong vòng chưa đến 3 phút.
Thiết bị mới này được gọi là PANTHER (PAthogen
Notification for Threatening Environmental
Releases),có những đặc tính vượt trội so với các cảm biến khác, James Harper thuộc
nhóm Công nghệ phân tử và Cảm biến sinh học của Lincoln Lab cho biết. Những
cảm biến mới đây cần tới ít nhất 20 phút để phát hiện các vi khuẩn có hại hay các
virus trong không khí, nhưng với PANTHER, có thể phát hiện và nhận dạng trong
vòng chưa tới 3 phút.



b.Cảm biến đo Glucose bằng sóng vi ba dùng cho việc kiểm tra đường
huyết
(TBYS) – Bác sĩ Randall Jean và những đồng
nghiệp kỹ thuật ở trường đại học Baylor đã đưa
ra một phương pháp đo đường huyết không xâm
lấn mới bằng việc sử dụng sóng vi ba. Ý tưởng của
phương pháp này là sử dụng sóng vi ba để đo
hằng số điện môi của vật chất có trong cơ thể.
Với những người bệnh tiểu đường, công việc trích
máu đầu ngón tay hằng ngày để đo lượng Glucose trong máu đối với họ là một
công việc rất khó khăn và gây đau đớn cho họ. Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu

của trường đại học Baylor đã phát triển một cảm biến điện từ mà có thể cung cấp
cho những bệnh nhân tiểu đường kiểm tra được mức Glucose trong máu bằng
phương pháp không xâm lấn, giúp họ không cảm thấy lo ngại. Với kết quả nghiên
cứu mới này cho thấy cảm biến này thực sự có hiệu quả.



Trang
13



"Chúng tôi cảm thấy rất phấn khởi và lạc quan" – Bác sĩ Randall Jean, Phó giáo sư
kỹ thuật điện tử và máy tính của Baylor nói". Đây là một lĩnh vực thương mại
tương đối mới đang được thăm dò thị trường và chúng tôi đã chứng minh rằng việc
sử dụng năng lượng sóng vi ba có thể tiến hành kiểm tra được lượng đường huyết".

Bệnh nhân chỉ việc nhét ngón tay vào rãnh giữa của sensor và chờ thu nhận kết
quả
Cảm biến sử dụng những sóng điện từ để đo những mức đường huyết trong cơ thể.
Khi năng lượng phát ra từ nguồn phát sóng vi ba xuyên qua da và đến cảm biến,
mức Glucose được đo thông qua mức chuyển năng lượng. Jean đã nói dãy tần số vi
ba (tần số sóng cực ngắn) đủ rộng để cô lập ảnh hưởng của những thứ khác như mỡ
và xương – những chất này có thể làm kết quả kém chính xác, nó chỉ có tác dụng
đối với Glucose mà thôi. Jean cũng nói việc sử dụng những sóng điện từ một cách
tương đối an toàn bởi vì nó không gây ra tác nhân ion hóa đối với cơ thể so với tia
X.
Để đo lượng Glucose, bệnh nhân phải nhét ngón tay cái của họ vào lại cảm biến,
các nhà nghiên cứu của Baylor đã đưa ra những kết quả thực nghiệm cho thấy rằng
cảm biến đó chính xác. Những nhà nghiên cứu đã lấy mẫu của gần 20 người và so

sánh những mẫu đó với những kết quả đo bằng các phương pháp khác hiện có. Các
nhà nghiên cứu Baylor Là cảm biến khẳng định đây là phương pháp đo không xâm
lấn mới rất có tiềm năng, nó cho kết quả có thể bằng hoặc thậm chí chính xác hơn
so với các phương pháp thông thường mà không cần phải trích máu đầu ngón tay.
c.Cảm biến sử dụng ống nano hạt cacbon để cảnh báo hen


Trang
14



(TBYS) - Những nhà khoa học của trường đại
học Pittsburgh đã nghiên cứu phát triển một hệ
thống cảm biến mới dùng để phát hiện, cảnh báo
và ngăn ngừa bệnh hen. Với loại cảm biến mới
này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thiết bị thành
công thiết bị theo dõi tình trạng bệnh hen.
Đứng đầu nhóm nghiên cứu là giáo sư hóa học Alexander Star của trường đã cho
ra đời một cảm biến có khả năng phản ứng trong vòng vài phút với oxit nitric, đây
là loại khí thường thấy trong hơi thở của người bị bệnh hen. Những thông tin
nghiên cứu đã được họ công bố vào ngày 22 tháng 8 trên nhật báo trực tuyến
"Nanotechnology". Giáo sư cũng cho biết sẽ giới thiệu nghiên cứu của nhóm trong
cuộc gặp gỡ lần thứ 234 cộng đồng các quốc gia hóa học từ ngày 19–23 tháng tới
tại Boston. Cảm biến có cấu tạo là một tấm grafit mỏng gắn trên nó một ống
nanno nguyên tử Cacbon có kích thước nhỏ hơn 100,000 lần sợi tóc con người.
Giáo sư đã tiến hành một thí nghiệm trực quan để chứng minh tính hiệu quả cảm
biến do nhóm chế tạo. Một tay ông cầm thiết bị, ông cho bệnh nhân thổi hơi vào
để xác định lượng oxit nitric có trong hơi thở của họ. Mức nitric trong hơi thở của
người bị hen thường cao là do những viêm nhiễm trong phổi của họ gây ra. Nếu

lượng oxit nitric này nằm ở mức cao, gấp hai ba lần mức bình thường thiết bị cảnh
báo bệnh hen sẽ xảy ra trong vòng 3 tuần tới. Bệnh cũng có thể đến sớm hơn dự
đoán phụ thuộc vào tình trạng bệnh có nghiêm trọng hay không. Điều này đã được
sự giám định của Jigme Sethi, người đã tiến hành kiểm tra lâm sàng cùng ông,
đang làm việc tại trường khoa hô hấp và những dị ứng phổi thuộc trường Đại học
Y học UPMC Montefiore.
Ngoài việc nhận biết sớm bệnh hen, thiết bị này cũng dễ dàng sử dụng và tạo sự
thoải mái cho bệnh nhân. Các bác sĩ điều trị họ cũng có thể theo dõi đều đặn tình
trạng bệnh của họ và sẽ đưa ra những cách thức điều trị hợp lý , mang lại hiệu quả
hơn. Với phát minh này, người bị bệnh hen có thể theo dõi mức oxit nitric trong
hơi thở của họ một cách dễ dàng như những người bệnh đái tháo đường kiểm tra
lượng đường huyết của mình.
Kết luận:
Cảm biến là một thiết bị sử dụng các vật liệu sinh học vào các thiết bị công nghệ
tạo ra các sản phẩm thông minh có nhiều ứng dụng trong đời sống. Vì vậy trong
tương lai rất cần nghiên cứu và phát triển để nó thêm tinh vi và hiện đại.



Trang
15

Mục lục
Lời nói đầu……………………………………………………………………… 1
I . Giới thiệu về cảm biến sinh học……………………………………………… 1
II. Cấu tạo cảm biến sinh học…………………………………………………… 2
III. Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học………………………………………5
IV. Phân loại cảm biến sinh học………………………………………………… 9
V. Ứng dụng cảm biến sinh học 11
VI. Một số máy sử dụng cảm biến y sinh 12
Mục lục 16