Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Cảm biến sinh học trên cơ sở composite polypyrrole và ống nanocacbon ứng dụng xác định GOx và ADN

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:91

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu của luận văn là chế tạo hai cảm biến trên cơ sở vật liệu mới là sử dụng màng polyme dẫn pha tạp với ống nanocacbon (CNT). Trong đó hai ứng dụng được thử nghiệm là: Cảm biến enzyme sử dụng enzyme glucose để xác định nồng độ glucose và cảm biến ADN để xác định ADN chuyển gen trong đậu tương. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Khoa học: Cảm biến sinh học trên cơ sở composite polypyrrole và ống nanocacbon ứng dụng xác định GOx và ADN

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- VŨ THỊ HỒNG ÂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ COMPOSITE POLYPYRROLE VÀ ỐNG NANOCACBON ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH GOx VÀ ADN LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA LÝ – HÓA LÝ THUYẾT HÀ NỘI - 2008
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ---------------------- VŨ THỊ HỒNG ÂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ COMPOSITE POLYPYRROLE VÀ ỐNG NANOCACBON ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH GOx VÀ ADN CHUYÊN NGÀNH: 62443101 LUẬN VĂN THẠC SỸ HÓA LÝ - HÓA LÝ THUYẾT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN ĐẠI LÂM HÀ NỘI - 2008
LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn TS. Trần Đại Lâm, người đã trực tiếp hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn. Để giúp tôi hoàn thành tốt nhất nghiên cứu của mình, thầy đã tạo mọi điều kiện và chỉ bảo tôi tận tình mỗi khi tôi gặp khó khăn trong công việc. Những kiến thức về chuyên môn, những kinh nghiệm về nghiên cứu khoa học mà tôi học được từ thầy sẽ luôn cùng tôi trên con đường nghiên cứu tiếp theo Thành công của luận văn ngày hôm nay cũng là nhờ sự giúp đỡ tận tình của TS.Trương Thị Ngọc Liên, người đã tạo rất nhiều điều kiện thuận lợi, giúp đỡ về máy móc, dụng cụ, hoá chất cũng như chỉ bảo, bổ sung kiến thức cho tôi trong suốt quá trình tiến hành nghiên cứu. Cô và các thành viên khác trong nhóm nghiên cứu đã cùng tôi từ những thí nghiệm đầu tiên, những buổi semina khoa học nội bộ trong nhóm đã mang lại những kiến thức thiết thực cho tôi. Tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp ở Bộ môn Hóa Phân tích đã giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này. Cuối cùng, xin được gửi lời cảm ơn tới gia đình đã động viên, khích lệ, chia sẻ và luôn ở bên tôi mỗi khi tôi gặp khó khăn. Xin chân thành cảm ơn! Hà Nôi, ngày tháng 11 năm 2008 Tác giả Vũ Thị Hồng Ân
BẢNG KÝ HIỆU VIẾT TẮT GOx Glucose Oxidaza ADN Axit Desoxyribo Nucleic Py monomepyrrole PPy polypyrrole CNT Carbon nanotube: ống nano carbon QCM Quartz Crytal Microbalane: Vi cân tinh thể thạch anh DPV Diffirential Pulse Voltammetry: Cực phổ xung vi phân SWV Square Wave Voltammetry: Cực phổ sóng vuông CV Cyclic Voltammetry: Quét thế vòng EIS Electrochemical Impedance Spectroscopy: Phổ tổng trở điện hóa PPy_CNT_Gox PPy pha tạp CNT có gắn enzyme glucose PPy_ADN dò PPy có gắn ADN dò PPy_CNT_ADN dò PPy pha tạp CNT có gắn ADN dò
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 2.1. Cấu trúc hoá học và độ dẫn của một số loại polymer dẫn thông dụng Bảng 4.1. Tần số dao động của linh kiện QCM tại giá trị nồng độ DNA đích xác định. Bảng 4.2 Giá trị Rct nhận được sau mô phỏng tại các nồng độ DNA đích xác định.
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1. 1 Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên của C Clark Hình 1. 2 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học thông thường Hình 1. 3 Một số phần tử được sử dụng làm đầu thu sinh học Hình 1. 4 Các dạng bắt giữ đầu thu sinh học bằng phương pháp vật lý và gắn kết hoá học. Hình 1. 5 Sơ đồ bộ phận chuyển đổi sử dụng tinh thể áp điện Hình 1. 6 Mô hình cantiler biosensor phát hiện DNA. Hình 1. 7 Sơ đồ cảm biến Gox Hình 1. 8 Cấu trúc chuỗi xoắn kép ADN Hình 2. 1 Độ dẫn của vật liệu polymer dẫn so với các vật liệu khác. Hình 2. 2 Polyme dẫn điện tử Hình 2. 3 Polyme trao đổi ion Hình 2. 4 Polyme oxy hoá khử. Hình 2. 5 Công thức cấu tạo của pyrole Hình 2.6 Công thức cấu tạo phân tử polypyrrole Hình 2. 7. Polaron, bipolaron và sự hình thành các dải năng lượng tương ứng Hình 2. 8 Cơ chế phản ứng trùng hợp polypyrrole Hình 2. 9 Cấu trúc của (a) SWNT và (b) MWNT Hình 2. 10 CNT nguyên chất và CNT gắn với các cấu tử sinh học. Hình 3. 1 Chức năng hóa CNT bằng hỗn hợp HNO3: H2SO4 (1:3) Hình 3. 2 Sơ đồ hệ điện hóa ba điện cực sử dụng tổng hợp màng PPy pha tạp và không pha tạp ứng dụng xác định chuyển gen trong đậu tương. Hình 3. 3 Mô tả cấu trúc của tinh thể α-Quartz trong không gian (a) và trong mặt phẳng (b) Hình 3. 4 Cơ chế sinh ra hiện tượng áp điện trong tinh thể α- Hình 3. 5 Mô tả mode dao động trượt theo bề dày của linh kiện QCM. Hình 3. 6 Mô tả một số mode dao động trượt bề dày, mode trượt bề măt và mode co giãn.
Hình 3. 7 Cấu trúc của QCM Planar Hình 3. 8 Biểu diễn vector Fresnel trong mặt phẳng phức. Hình 3. 9 Tập điểm M vẽ nên một đường phổ tổng trở đặc trưng cho hệ khảo sát. Hình 3. 10 Mạch điện tương đương Randles Hình 3. 11 Mạch tương đương cho tổng trở của polymer Hình 3. 12 Mạch tương đương cho tổng trở của polymer dẫn Hình 4. 1 Ảnh hiển vi điện tử quét trường phát xạ FESEM của điện cực Gox trên cơ sở màng composit polypyrrole pha tạp ống nanô cácbon. Hình 4. 2 Ảnh hiển vi điênh tử quét SEM của màng PPy gắn DNA dò. Hình 4. 3 Ảnh hiển vi điện tử quét SEM của màng PPy_CNTs gắn DNA dò Hình 4. 4 Đặc trưng đáp ứng dòng theo thời gian của cảm biến GOx với sự thay đổi nồng độ glucose trong dung dịch. Cảm biến hoạt động tại điện áp 0,7V so với điện cực chuẩn Ag/AgCl. Hình 4. 5 Đặc trưng đáp ứng dòng theo nồng độ glucose của cảm biến GOx làm việc tại điện áp 0,7V so với điện cực chuẩn Ag/AgCl. Hình 4. 6 Đặc trưng đáp ứng dòng theo nồng độ glucose của cảm biến GOx làm việc tại điện áp 0,75V so với điện cực chuẩn Ag/AgCl. Hình 4 .7 Đặc trưng đáp ứng dòng theo nồng độ glucose của cảm biến GOx làm việc tại điện áp 0,8V so với điện cực chuẩn Ag/AgCl. Hình 4. 8 Hệ đo QCM200 đầy đủ gồm thiết bị điều khiển số QCM200, bộ dao động QCM25, holder tinh thể và các cảm biến tinh thể quartz. Hình 4. 9 Đặc trưng tần số theo thời gian ở chế độ đo không tải của linh kiện QCM. Hình 4. 10 Đặc trưng tần số theo thời linh kiện QCM có gắn DNA trong môi trường không có DNA đích Hình 4. 11 Sự thay đổi khối lượng hấp thụ Δm trên bề mặt linh kiện QCM có gắn DNA dò đo trong dung dịch chứa DNA đích với nồng thay đổi từ 0 pM đến 269pM. Hình 4. 12 Sự thay đổi tần số dao động theo thời gian của linh kiện QCM có gắn DNA dò trong dung dịch chứa DNA đích với nồng độ thay đổi từ 0 pM đến 28 pM.
Hình 4. 13 Sự thay đổi tần số dao động theo thời gian của linh kiện QCM có gắn DNA dò đo trong dung dịch chứa DNA đích với nồng độ thay đổi từ 32 pM đến 56 pM. Hình 4. 14 Sự thay đổi tần số dao động theo thời gian của linh kiện QCM có gắn DNA dò đo trong dung dịch chứa DNA đích với nồng độ thay đổi từ 59 pM đến 269 pM. Hình 4. 15 Sự thay đổi tần số dao động của linh kiện QCM có gắn DNA dò theo sự thay đổi nồng độ DNA đích từ 0 pM đến 269 pM. Hình 4. 46 Thay đổi hình dạng của chuỗi DNA khi chuyển từ trạng thái đơn chuỗi sang trạng thái ghép cặp. Hình 4. 57 Mô hình mạch tương đương đơn giản của Randles. Hình 4. 18 Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực PPy/DNA dò tại các nồn độ DNA đích khác nhau. Tần số quét từ 200 kHz đến 100 mHz, Eac = 5 mV, và Edc = 0,32 V vs Ag/AgCl. Hình 4. 19 (a) và (b) Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực PPy/DNA dò tại các nồng độ DNA đích khác nhau. Tần số quét từ 200 kHz đến 100 mHz, Eac = 5 mV, và Edc = 0,32 V vs Ag/AgCl. Hình 4. 20 Quy trình mô phỏng đặc trưng phổ tổng trở xác định Rct sử dụng mô hình mạch tương đương của Randles trong chế độ Find circle của thiết bị Autolab Hình 4. 21 Đường chuẩn sử dụng giá trị 1/Rct như là hàm của nồng độ DNA đích ( từ 25 pM đến 46 pM) với phương trình 1/Rct (Ω-1) = 2,2.10-3+5,5.10- 5 *C(pM) Hình 4. 22 Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực PPy_CNTs/DNA dò tại các nồn độ DNA đích khác nhau. Tần số quét từ 200 kHz đến 100 mHz, Eac = 5 mV, và Edc = 0,32 V vs Ag/AgCl. Hình 4. 23 Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực PPy_CNTs/DNA dò tại các nồng độ DNA đích khác nhau. Tần số quét từ 200 kHz đến 100 mHz, Eac = 5 mV, và Edc = 0,32 V vs Ag/AgCl.
Hình 4. 64 Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực PPy_CNTs/DNA dò tại các nồng độ DNA đích khác nhau. Tần số quét từ 200 kHz đến 100 mHz, Eac = 5 mV, và Edc = 0,32 V vs Ag/AgCl. Hình 4. 75 Đường chuẩn sử dụng giá trị 1/Rct như là hàm của nồng độ DNA đích ( từ 25 pM đến 224 pM) với phương trình 1/Rct (Ω-1) = 1,27.10-4 * C – 1,3.10-3 (pM)(nồng độ DNA đích từ 25 pM đến 81 pM). Hình 4. 26 Mô hình mạch tương đương Randles có tính đến phần đóng góp của tổng trở Warburg.
-1- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN MỞ ĐẦU Trong những năm gần đây, cảm biến sinh học thu hút được sự quan tâm của các nhà khoa học trên thế giới cũng như các nhà khoa học trong nước. Sự phát triển của cảm biến sinh học giúp giải quyết nhu cầu cấp thiết về phân tích phát hiện cũng như định lượng các thành phần sinh học bằng các phương pháp phân tích đơn giản và dễ đưa vào ứng dụng thực tế. Thật vậy, các phương pháp phân tích truyền thống như sắc ký, điện di, khối phổ...thường đòi hỏi trang thiết bị đi kèm khá phức tạp và có giá thành cao. Cảm biến sinh học là một thiết bị có nhiều ưu điểm: sử dụng đơn giản, có khả năng phát hiện nhanh, độ nhạy cao cũng như có tính chọn lọc cao trong các hệ hóa học và sinh học. Lĩnh vực áp dụng của cảm biến sinh học rất đa dạng, nó là một công cụ quan trọng trong kiểm tra an toàn thực phẩm, chuẩn đoán y học và kiểm tra nội khoa, phát hiện các tác nhân ô nhiễm môi trường. Cảm biến sinh học có thể hiểu là một thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các kháng thể, ADN… để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất. Vì vậy một cảm biến sinh học thông thường gồm có 3 thành phần cơ bản, đó là: thành phần hóa học, thành phần sinh học và thành phần vật lý. 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. Với những ưu điểm nổi bật như độ nhạy, độ đặc hiệu, tính chọn lọc cao, thiết bị đơn giản, nhỏ gọn…cảm biến sinh học đã và đang thu hút được sự quan tâm đặc biệt của các nhà khoa học cũng như các trung tâm nghiên cứu. Tuy nhiên việc chế tạo cảm biến sinh học vẫn còn gặp nhiều khó khăn như độ ổn định trong chế tạo sản phẩm, phương pháp đo tín hiệu, thời gian phản ứng, khả năng tái sử dụng, … Do Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-2- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN vậy, những nghiên cứu mới trong tương lai chủ yếu sẽ tập trung vào hai hướng chính: (1). Khắc phục những khó khăn sẵn có của thế hệ cảm biến cũ: Nâng cao độ ổn định để có thể chế tạo hàng loạt, cải thiện khả năng tái sử dụng của các cảm biến sinh học, tìm giải pháp hạ giá thành sản phẩm. (2). Tìm kiếm vật liệu mới cũng như khả năng ứng dụng mới của cảm biến, giảm kích thước cảm biến để tích hợp được nhiều cảm biến trên một thiết bị, cải tiến thiết bị đo đơn giản và dễ sử dụng, rút ngắn thời gian đáp ứng v.v... Hướng nghiên cứu của luận án đi theo hướng thứ hai, mục tiêu của luận án là chế tạo hai cảm biến trên cơ sở vật liệu mới là sử dụng màng polyme dẫn pha tạp với ống nanocacbon (CNT). Trong đó hai ứng dụng được thử nghiệm là: cảm biến enzyme sử dụng enzyme glucose để xác định nồng độ glucose và cảm biến ADN để xác định ADN chuyển gen trong đậu tương. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-3- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN CHƯƠNG I: CẢM BIẾN SINH HỌC I.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ 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 ”[1]. Giáo sư C.Clark [2], người được coi là cha đẻ của cảm biến sinh học, đã công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá vào năm 1956. Những năm tiếp theo ông tiếp tục 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 của Viện hàn lâm khoa học New York, 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 sADN”. Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học (hình 1). Hình 1. 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên của C. Clark [2]. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-4- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN Cảm biến sinh học theo mô hình của C Clark [2] 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 [3] 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[4]. 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[5]. 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[5]. 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[6]. I.1.1 Cấu tạo cảm biến sinh học I.1.1.1 Cấu tạo chung Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học (xem hình 1.1) bao gồm bốn bộ phận chính: (1) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; (2) Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực; (3) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được; (4) 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). Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-5- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN Hình 1. 2: Sơ đồ cấu tạo của cảm biến sinh học thông thường. I.1.1.2. Tác nhân cần phát hiện 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 CADNida, 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, … I.1.1.3. 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 oligonucleotides, 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. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-6- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 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. Hình 1. 3 Một số phần tử được sử dụng làm đầu thu sinh học 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 trên (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. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-7- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 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 gien 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. I.1.1.4. 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. Như vậy việc lựa chọn những tác nhân cố định thích hợp cũng là một công việc quan trọng. Những tác nhân này vừa phải đảm bảo gắn kết, cố định về mặt cơ học, vừa phải đảm bảo liên kết về mặt tín hiệu giữa bộ phận sinh học và bộ phận chuyển đổi. Trên hình 1.3 trình bày cách bắt giữ thành phần sinh học theo phương pháp vật lý và gắn kết hóa học. Hình 1. 4: Các dạng bắt giữ đầu thu sinh học bằng phương pháp vật lý và gắn kết hoá học. I.1.1.5. 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. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-8- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 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 entapy 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, sự thay đổi này tuân theo phương trình Sauerbrey: ∆f = - 2,3.106.f2.∆m/A (1-1) Trong đó, f là tần số dao động của tinh thể áp điện, ∆m là thay đổi khối lượng đặt lên tinh thể áp điện và A là hằng số đặc trưng cho tinh thể áp điện. 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. Trên hình 1.5 trình bày sơ đồ bộ chuyển đổi sử dụng tinh thể áp điện để phát hiện kháng nguyên. Hình 1. 5 Sơ đồ bộ phận chuyển đổi sử dụng tinh thể áp điện Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
-9- Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 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 (hình 1.6) . Hình 1. 6 Mô hình sensor sinh học sử dụng vi cơ phát hiện ADN. I.1.2. 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. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
- 10 - Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 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 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 gluco trong quá trình nuôi vi khuẩn…vv. 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. I.1.3 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học Dưới đây là một số tiêu chí đánh giá, cũng như các yêu cầu đối với cảm biến sinh học: 1) Độ chính xác: Độ chính xác thể hiện ở khả năng xác định đúng chất quan tâm, không bị lẫn lộn với các chất khác. Độ chính xác còn được thể hiện ở khả năng định lượng chính xác chất cần phát hiện. 2) Độ nhạy: Độ nhạy cũng là một tiêu chí khá quan trọng, nó thể hiện lượng chất nhỏ nhất mà cảm biến có thể phát hiện. 3) Giới hạn đo: Giới hạn đo là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất mà cảm biến có thể đo được. 4) Tốc độ hồi đáp: Tốc độ hồi đáp là khả năng phát hiện, định lượng chất cần phân tích nhanh hay chậm. Đây là một trong những tính chất của cảm biến mà người ta đang tập trung cải tiến. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008
- 11 - Cảm biến sinh học trên cơ sở composite PPy và ống nanocacbon xác định GOx và ADN 5) Khả năng dùng lại: Cho đến bây giờ, hầu hết các cảm biến sinh học chỉ dùng được một lần do khi các tác nhân bắt cặp với đầu thu sinh học, rất khó để tách các tác nhân này ra và tạo thành đầu thu ‘sạch’ như lúc ban đầu. Để khắc phục nhược điểm này người ta đang cố gắng giảm giá thành các sản phẩm dùng một lần và nghiên cứu chế tạo sản phẩm dùng nhiều lần. 6) Khả năng tự chuẩn hóa và độ thuận tiện, độ an toàn trong sử dụng: Các cảm biến sinh học sẽ được sử dụng phổ biến ngoài phòng thí nghiệm do đó tiêu chí dễ sử dụng và an toàn cũng rất quan trọng. 7) Giá thành: hiện nay cảm biến sinh học thường chỉ sử dụng được 1 lần do đó cần thiết phải giảm giá thành. I.2 CẢM BIẾN GOx Từ những nghiên cứu đầu tiên của Clark và Lions vào năm 1962[2], Updike và Hicks năm 1967 [7], cảm biến glucose trên cơ sở GOx đã đựợc tích cực nghiên cứu, tiếp tục phát triển và ngày càng mở rộng trong kỹ thuật phân tích hiện đại. I.2.1 Enzym glucose [8] Enzym glucose còn có các tên gọi khác như Glucose oxidase; Beta-D- Glucose: Oxigen 1-oxido-reductase; D-Glucose-1-oxidase; Glucose aerođehdrogenase; Glucose oxihydrase; GOD Cấu trúc: là một glycoprotein với 2 phân tử FAD/mol GOD Được tách, chiết từ nấm, mốc. Khối lượng phân tử: 160000 (tính theo khối lượng các chuỗi acid amin) Nhiệt độ tối ưu của enzym tự do: 30oC pH tối ưu: 5,6 Các chất ức chế: bị ức chế bởi D-arabinoza và 2-deoxy-D-glucose. Ức chế hoàn toàn bởi p-cloromercuribenzoat, ức chế một phần bởi 8-hydroxycholin, NaNO3 và semicarbazit. Bị bất hoạt bởi H2O2, Ag+, Hg2+, Cu2+. Vũ thị Hồng Ân – Cao học Hóa lý-Hóa lý thuyết 2006-2008