Cảm biến sinh học giúp nâng cao chất lượng cuộc sống với những bước tiến vượt bậc trong y tế, môi trường và nghiên cứu khoa học
Cảm biến sinh học (Biosensor) đánh dấu thành tựu quan trọng trong ngành công nghệ hiện đại. Phát minh này được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực. Đồng thời, hứa hẹn các bước tiến lớn trong y tế, môi trường, nghiên cứu,… Do đó, cảm biến sinh học hứa hẹn nâng cao chất lượng cuộc sống và giải quyết nhiều vấn đề xã hội hiện nay. Cùng tìm hiểu ngay chi tiết về công nghệ này thông qua bài viết dưới đây.
Nội dung
- 1. Cảm biến sinh học là gì?
- 2. Đặc điểm của cảm biến sinh học
- 3. Ưu điểm và hạn chế của cảm biến sinh học?
- 4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
- 5. Cơ chế hoạt động
- 6. Phân loại cảm biến sinh học theo cơ chế truyền tài
- 7. Phân loại cảm biến sinh học dựa theo cấu tạo
- 8. Các ứng dụng của cảm biến sinh học
- 9. Kết luận
1. Cảm biến sinh học là gì?
Cảm biến sinh học (Biosensor) là loại cảm biến giúp thu thập thông tin các hoạt động hoặc tín hiệu liên quan đến một số đối tượng. Cụ thể là lĩnh vực sinh học, cơ thể con người hoặc động vật. Các loại cảm biến còn hỗ trợ đo, theo dõi và phân tích dữ liệu sinh học. Chẳng hạn như nhịp tim, nhiệt độ cơ thể, nồng độ oxy trong máu, phát hiện vi khuẩn, vi rút,… Ngoài ra, công nghệ sinh học này còn giúp phát hiện những biến đổi trong các tác nhân sinh học (enzyme, mô, vi sinh vật, tế bào,…). Đồng thời, chuyển đổi chúng thành tín liệu điện.
2. Đặc điểm của cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học có một số đặc điểm nổi bật. Điển hình là tính chọn lọc, khả năng tái tạo, độ ổn định, độ nhạy và tuyến tính.
- Tính chọn lọc: Đây là tính năng quan trọng nhất. Khả năng cơ quan thụ cảm sinh học giúp phát hiện chất cụ thể trong hỗn hợp nhiều chất. Chẳng hạn như các chất gây ô nhiễm và phụ gia. Tính năng này là tiền đề giúp nó được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực.
- Khả năng tái tạo: Giúp tạo ra phản ứng giống hệt nhau cho hệ thống thí nghiệm được nhân đôi.
- Tính ổn định: Tính năng này thể hiện mức độ nhạy cảm với một số vấn đề và hệ thống cảm biến sinh học.
- Độ nhạy: Đặc điểm này được thể hiện thông qua lượng chất phân tích tối thiểu được cảm biến. Đồng thời, xác định giới hạn phát hiện của nó.
- Độ tuyến tính: Thể hiện mức độ chính xác của phản ứng được đo với đường thẳng.
3. Ưu điểm và hạn chế của cảm biến sinh học?
Cảm biến sinh học là công nghệ hiện đại, được ứng dụng quan trọng trong y khoa và nhiều lĩnh vực khác. Với khả năng xác định được sinh học trong mẫu thử, công nghệ này sở hữu nhiều ưu điểm vượt trội.
3.1 Ưu điểm
- Độ nhạy cao: Khả năng phát hiện và đo lường các phân tử sinh học rất nhỏ như nano hay femto. Nhờ đó, có thể chẩn đoán sớm các bệnh lý, phát hiện vi khuẩn, virus hoặc chất gây ô nhiễm.
- Tính chọn lọc: Khả năng chọn lọc, tập trung đến đối tượng cần phân tích và loại bỏ yếu tố gây nhiễu. Nhờ đó, đảm bảo kết quả đo lường chính xác cao.
- Độ tin cậy: Độ tin cậy cao do sử dụng các tác nhân sinh học tự nhiên. Từ đó, gia tăng khả năng phát hiện và phân tích các yếu tố đích chính xác và đáng tin cậy.
- Thời gian nhanh: Khả năng phản ứng nhanh và đưa ra kết quả ngay lập tức. Ưu điểm này giúp tiết kiệm thời gian và nhanh chóng chẩn đoán cũng như giải pháp điều trị trong y tế và nghiên cứu.
3.2 Hạn chế
- Độ ổn định: Cảm biến sinh học có thể bị tác động bởi môi trường ngoại vi như nhiệt độ, pH, ánh sáng,… Những yếu tố này có thể ảnh hưởng đến kết quả đo lường.
- Chi phí sản xuất: Độ phức tạp và yêu cầu nghiêm ngặt trong thiết bị, sản xuất và vận hành khiến cảm biến sinh học có giá thành cao.
- Độ bền: Sử dụng các tác nhân sinh học tự nhiên khiến cảm ứng bị ảnh hưởng bởi thời gian và điều kiện bảo quản. Bởi vậy, nó yêu cầu cần phải bảo dưỡng và thay thế thường xuyên để đảm bảo hiệu suất và độ chính xác.
Dù còn tồn tại một số hạn chế. Tuy nhiên, đây vẫn là công nghệ tiên tiến. Đồng thời, là lĩnh vực tiềm năng hứa hẹn mang đến đột phá cho nhiều lĩnh vực.
4. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
Khi kết hợp yếu tố sinh học và các đầu dò, vật liệu sinh học được biến đổi thành tín hiệu điện tương ứng. Tùy vào loại enzyme đầu ra, tín hiệu có thể là dòng điện hoặc điện áp. Trong trường hợp dòng điện là đầu ra, chúng cần được chuyển đổi thành điện áp tương đương. Nó thường được thực hiện thông qua bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp dựa vào Op-Amp. Đó là bởi tín hiệu điện áp thường có biên độ thấp và tần số nhiễu cao. Chúng cần được khuếch đại và truyền qua Bộ lọc RC thông thấp.
Quá trình khuếch đại và lọc tín hiệu này được thực hiện bởi bộ xử lý tín hiệu hoặc bộ điều hòa tín hiệu. Kết quả cuối cùng là tín hiệu tương tự tương đương với đại lượng sinh học được đo. Tín hiệu này có thể được hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD hoặc chuyển đổi thành tín hiệu số. Bởi nó dễ dàng phân tích, xử lý hoặc lưu trữ.
Xem thêm:
- Xét nghiệm sinh học phân tử và ứng dụng trong y học hiện nay
- Sinh học phân tử – Cơ sở vững chắc đột phá y học
5. Cơ chế hoạt động
Cơ chế hoạt động của cảm biến sinh học dựa trên cơ chế tương tác giữa tác nhân sinh học và phần tử cần phân tích. Tác nhân sinh học có thể là enzyme, kháng thể, DNA hoặc vi sinh vật. Cơ chế hoạt động gồm các bước sau:
- Gắn kết: Tác nhân sinh học gắn kết với bề mặt cảm biến. Nó xảy ra nhờ liên kết hóa học, điện hóa hoặc đuôi long non.
- Phản ứng: Khi mẫu thử chạm vào cảm biến, phần tử cần phân tích tương tác với tác nhân sinh học. Từ đó, tạo ra phản ứng hoặc biến đổi trong cảm biến.
- Đo lường: Cảm biến đo, ghi lại biến đổi hoặc phản ứng diễn ra. Nó có thể được thực hiện bằng cách đo một số chỉ số vật lý. Chẳng hạn như điện trở, dòng điện, ánh sáng,… Hoặc phát tín hiệu đại diện tương tác.
- Phân tích: Phân tích dữ liệu đo lượng được để xác định nồng độ hoặc sự hiện diện của phân tử cần phân tích trong mẫu thử.
Cảm biến sinh học được ứng dụng trong đa dạng lĩnh vực. Điển hình là y tế, môi trường, thực phẩm và nông nghiệp. Công nghệ này giúp phát hiện và đo lường protein, enzyme, hormone, vi sinh vật và DNA.
6. Phân loại cảm biến sinh học theo cơ chế truyền tài
Dựa vào cơ chế truyền tải, có một số loại cảm biến sinh học đã được BCC tổng hợp dưới đây:
6.1 Biosensor cộng hưởng
Các cảm biến này sử dụng hệ thống gồm bộ chuyển đổi sóng âm và cảm biến sinh học. Chất phân tích tương tác với cơ quan cảm nhận sinh học làm thay đổi khối lượng của cơ quan này. Dưới tác động của thay đổi này, tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi âm thanh cũng biến đổi. Sau đó, tần số này được đánh giá và người dùng cuối để hiểu giá trị tương ứng.
6.2 Biosensor quang học
Cảm biến sinh học dựa trên nguyên tắc tương tác sinh hóa của các phân tử protein gắn vào một tấm wafer silicon thông qua liên kết cộng hóa trị. Tấm wafer tiếp xúc với tia UV làm bất hoạt các kháng thể trên đó. Tấm này được chia thành các phần nhỏ và đặt trong mẫu chất phân tích. Đồng thời, khuyến khích quá trình khuếch tán tạo tín hiệu đo được và khuếch đại.
Cảm biến vi sinh quang học hoạt động nhờ biến đổi các tương tác sinh hóa của vi sinh vật với thành phần môi trường thành tín hiệu quang học. Một số tín hiệu như: mức độ hấp thụ quang, tín hiệu huỳnh quang, phát sáng, thay đổi chỉ số khúc xạ,… Các cảm biến thường sử dụng tín hiệu huỳnh quang hoặc phát quang sinh học. Nó cho phép phát hiện nhiều loại chất và giảm thiểu tín hiệu nhiễu. Có nhiều dạng cảm biến quang vi sinh như vi khuẩn phát quang tự nhiên, cải biến di truyền và hệ thống gắn tế bào phát quang.
Hệ cảm biến quang vi sinh khá nhỏ gọn với chi phí tiết kiệm và không cần phòng thí nghiệm để triển khai. Tuy nhiên, nhược điểm ở hiệu suất thu ánh sáng phát ra dẫn đến hạn chế về độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định.
6.3 Biosensor nhiệt
Trong các cảm biến này, enzyme cố định được kết hợp với máy dò nhiệt độ. Khi chất phân tích tương tác với enzyme, phản ứng nhiệt bắt đầu xảy ra. Do đó, việc đo nồng độ của chất phân tích có thể thực hiện thông qua chỉ số phản ứng nhiệt.
6.4 Biosensor điện hóa
Hoạt động này liên quan đến việc tạo ion trong dung dịch phân tích. Quá trình này được thực hiện thông qua các sự kiện hóa học làm thay đổi tính chất điện của dung dịch trên. Nồng độ của chất phân tích được đo dựa trên sự thay đổi này. Các cảm biến vi sinh điện hóa cung cấp kết quả định tính và định lượng thông qua tương tác giữa yếu tố nhận biết bản chất vi sinh vật với yếu tố điện hóa truyền tín hiệu.
Có ba loại cảm biến vi sinh điện hóa: dạng đo dòng điện, đo hiệu điện thế và đo độ dẫn. Loại đầu tiên được ưa chuộng hơn cả vì có độ nhạy cao hơn, sai số thấp hơn và tương quan tốt hơn. Tuy nhiên, việc đảm bảo truyền tải tín hiệu chính xác cũng là một vấn đề khó khăn. Bởi gắn tế bào vi sinh lên bề mặt vật liệu truyền dẫn đòi hỏi kỹ thuật đặc biệt để đảm bảo độ bền cao.
7. Phân loại cảm biến sinh học dựa theo cấu tạo
7.1 Cảm biến sinh học dựa trên tế bào
Trong hơn 20 năm gần đây, cảm biến sinh học dựa trên tế bào được ứng dụng rộng rãi trong giải quyết ô nhiễm môi trường. Đặc biệt là môi trường biển. Loại cảm biến này giúp phát hiện một số độc chất. Điển hình là saxitoxin và brevetoxin. Nó được sinh ra từ tảo hai roi. Quá trình này được thực hiện thông qua cố định tế bào lên đầu dò điện cực phủ nano bạch kim. Tương tác giữa chất phân tích và tế bào làm thay đổi điện thế xuyên màng và phát tín hiệu đo. Công nghệ này cũng thành công hỗ trợ đo lường phenol.
Ngoài ra, cảm biến sinh học dựa trên tế bào sử dụng vi khuẩn, nấm (nấm men và nấm mốc), tảo, động vật nguyên sinh và virus. So với tế bào động vật hoặc thực vật, loại cảm biến này dễ xử lý. Đồng thời, cho phép tương tác với nhiều loại chất phân tích, hiển thị phản ứng điện hóa được tiếp nhận. Cảm biến quang sinh học giúp xác định thuốc trừ sâu pyrethoid và nhận diện 3-phenoxybenzoic acid (3-PBA). Cảm biến sinh học dựa trên tế bào có tiềm năng ứng dụng rộng rãi với chi phí thấp. Đồng thời, cung cấp các giải pháp hiệu quả để phát hiện ô nhiễm môi trường.
7.2 Cảm biến sinh học dựa trên enzyme
Enzyme là chất xúc tác sinh học phổ biến giúp tăng tốc độ phản ứng sinh học. Cảm biến sinh học (CBSH) dựa trên enzyme sử dụng chất xúc tác này để phát hiện các chất cần kiểm tra. Có hai loại phổ biến là cảm biến sinh học dựa trên enzyme Acetylcholinesterase (AChE) và dựa trên enzyme Methyl Parathion Hydrolase (MPH).
CBSH MPH sử dụng vật liệu nano Au-Fe3O4 để ổn định MPH với độ chọn lọc và tốc độ phản ứng tốt. Còn CBSH AChE sử dụng chitosan, hạt nano vàng và lớp nafion. Nhờ đó, nó có khả năng phát hiện Methyl Parathion ở nồng độ rất thấp. Cảm biến sinh học này cần bộ phận chuyển đổi điện hóa để tăng độ nhạy. Nhờ đó, có thể phát hiện chất ô nhiễm với nồng độ rất thấp. Tuy nhiên, việc ổn định enzyme trên bề mặt cảm biến khá phức tạp và tốn kém.
7.3 Cảm biến sinh học dựa trên nucleic acid
Cảm biến sinh học dựa trên acid nucleic ngày càng phát triển nhờ tính ổn định và khả năng chọn lọc vi sinh vật cao. Một CBSH nucleic acid gồm đầu dò gắn kết DNA, RNA hoặc PNA (peptide nucleic acid), bộ phận chuyển đổi và khuếch đại tín hiệu. Để phát hiện tác nhân gây bệnh như Legionella pneumophila. Nhà khoa học sử dụng rRNA 16s kết hợp với công nghệ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Kết quả đưa ra nhanh chóng hơn so với PCR và ELISA.
Loại cảm biến này cũng được sử dụng để phát hiện các chất độc như Hg2+. Tuy nhiên, DNA hạn chế về độ bền trong môi trường thí nghiệm. Điều này khiến đầu dò dễ bị hư hỏng và dẫn đến kết quả sai lệch. Thay vì đó, sử dụng PNA mô phỏng DNA mang đến kết quả khả quan hơn. Đó là nhờ khả năng chọn lọc trình tự, ái lực cao và bền hơn ADN trong phòng thí nghiệm. Hiện microarray và cảm biến sinh học là các PNA phổ biến.
8. Các ứng dụng của cảm biến sinh học
8.1 Ngành y tế
Ứng dụng trong ngành y tế
Cảm biến sinh học mang đến nhiều cái tiến trong lĩnh vực y tế. Nó có vai trò quan trọng trong hỗ trợ chẩn đoán. Ví dụ như: phát hiện mầm bệnh, xác định chất chuyển hóa độc hại, theo dõi lượng glucose, cholesterol, vitamin, axit folic và biotin…. Điển hình là phát hiện các tế bào ung thư. Một số loại cảm biến phổ biến được sử dụng như cảm biến đo nồng độ oxi, lượng glucose trong máu, cảm biến huyết áp,… Nhờ đó, người bệnh có thể tự theo dõi tình hình bệnh tật mà không cần đến trung tâm y tế. Thiết bị công nghệ này không chỉ tăng độ tin cậy và cho ra kết quả nhanh chóng. Nó còn được cấu tạo nhỏ gọn, dễ thao tác và tiết kiệm chi phí.
Lý do ứng dụng trong lĩnh vực y tế
Cảm biến sinh học (Biosensor) được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế với ưu điểm vượt trội sau:
- Độ nhạy cao: Có thể phát hiện những thay đổi nhỏ nhất trong mẫu thử giúp chẩn đoán bệnh hiệu quả. Cụ thể, nó có thể phát hiện nồng độ glucose trong máu giúp theo dõi bệnh tiểu đường.
- Tính chọn lọc: Cho phép nhận diện và phân biệt các phân tử sinh học khác nhau trong mẫu thử. Điều này cho phép chẩn đoán chính xác và hiệu quả các bệnh lý khác nhau, như vi khuẩn, virus, tế bào ung thư, và các loại dược phẩm.
- Độ tin cậy cao: Cung cấp kết quả nhanh chóng, chính xác và uy tín trong chẩn đoán và điều trị. Nhờ đó, chúng được ứng dụng rộng rãi trong giám định, kiểm tra và theo dõi tiến trình bệnh.
- Thiết bị nhỏ gọn, tiện lợi: Ưu điểm này rất quan trọng trong điều trị và theo dõi bệnh tại nhà. Nhất là trong các trường hợp cần theo dõi liên tục như theo dõi huyết áp, nhịp tim, nồng độ glucose,…
- Tiết kiệm chi phí và thời gian: Giúp tiết kiệm thời gian trong chẩn đoán và điều trị. Kết quả có được nhanh chóng và chính xác giúp bác sĩ đưa ra kết quả nhanh chóng và chính xác.
Xem thêm:
- ADN tái tổ hợp là gì? Đột phá trong khoa học di truyền
- Công nghệ tế bào – Bước tiến nhảy vọt, ứng dụng mọi lĩnh vực
8.2 Kiểm soát môi trường
Cảm biến sinh học giúp giám sát ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm nước. Nó có bộ phận cảm biến nitrat và phốt phát. Nhờ đó, cảm biến được sử dụng để chống lại các chất ô nhiễm trong nước. Nó được gọi là cảm biến “mũi điện tử” xác định hóa chất độc hại và mức độ ô nhiễm môi trường. Ví dụ như cảm biến xác định nồng độ khí độc (CO2, H2S), dư lượng thuốc trừ sâu, nồng độ kim loại nặng,…
8.3 Công nghiệp thực phẩm
Lên men là quá trình được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất sữa, rượu,… Nuôi cấy vi khuẩn và tế bào được thực hiện nhằm mục đích này. Để giảm thiểu chi phí sản xuất và hạn chế rủi ro trong quá trình lên men. Điều quan trọng là cần giám sát quy trình phức tạp và tốn kém. Nó được thiết kế để theo dõi và đo lường quá trình lên men. Từ đó, đảm bảo giám sát chất lượng thành phần sản phẩm. Đồng thời, đánh giá độ an toàn, phát hiện độc tố, vi sinh vật, thuốc trừ sâu,… và đưa ra biện pháp ngăn ngừa, xử lý phù hợp.
8.4 Nông nghiệp
Trong lĩnh vực nông nghiệp, cảm biến sinh học được sử dụng để phát hiện thuốc trừ sâu. Chưa kể, nó còn giúp đo lường một số thông số sinh học của đất. Chẳng hạn như độ ẩm, độ pH, nồng độ chất dinh dưỡng và sự hiện diện của hại khuẩn. Nhờ đó, nông dân có thể cải thiện tình trạng đất đai và sử dụng phân bón hiệu quả.
8.5 Sinh học phân tử
Cảm biến sinh học giúp xác định, đo lường và giám sát quá trình sinh học phân tử. Chúng có thể được sử dụng trong nghiên cứu gen, sự tương tác giữa các phân tử sinh học và các thay đổi trong quá trình.
8.6 Tương tác Người – Máy
Đây là lĩnh vực mới mẻ với nhiều nghiên cứu và ứng dụng. Một số cảm biến phải kể đến như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh và đặc trưng sinh học của con người.
8.7 Điều khiển, quản lý quá trình công nghệ sinh học
Công nghệ sinh học phát triển kéo theo các chế phẩm sinh học được sản xuất rộng rãi trên quy mô công nghiệp. Đồng thời, cảm biến sinh học cũng tham gia vào các quá trình sản xuất khác như nhu cầu tất yếu. Cụ thể là theo dõi, quản lý, điều khiển quá trình sinh học, điều chỉnh lượng glucose trong nuôi cấy vi khuẩn,… Chúng có nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền thống. Chẳng hạn như tính chọn lọc cao, đáp ứng nhanh với kết quả chính xác.
Cảm biến sinh học hỗ trợ nghiên cứu gen, sinh học phân tử và sản xuất dược phẩm. Cụ thể, nó được sử dụng để phát hiện các tác nhân sinh học. Chẳng hạn như DNA, protein và enzyme trong nghiên cứu và phát triển sản phẩm sinh học.
9. Kết luận
Từ quản lý sức khỏe cá nhân đến theo dõi tình hình môi trường. Cảm biến sinh học giúp cải thiện hiệu quả chất lượng cuộc sống. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang khám phá những khía cạnh tiềm năng của lĩnh vực này. Các ứng dụng của cảm biến sinh học ngày càng đa dạng. Nó hứa hẹn mở ra nhiều cơ hội mới cho sự tiến bộ và phát triển trong tương lai. BCC chuyên cập nhật nhanh chóng và chính xác nhất các thông tin liên quan đến nghiên cứu và ứng dụng Công nghệ sinh học trong mọi lĩnh vực.
