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 Hình 1. Quá trình phân tích gene không nhiễm bênh và tế bào HeLa bị nhiễm HSV-1 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. 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. . 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. 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. 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