Trang chủ Thế giới cảm biến Thế giới cảm biến Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử spin

Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử spin

Bùi Đình Tú  
Trường Đại học Công nghệ - ĐHQG Hà Nội

Một lĩnh vực ứng dụng mới rất được quan tâm của các vật liệu sử dụng công nghệ spin điện tử có cấu trúc nano là việc kết hợp nó với công nghệ sinh học và y sinh học. Việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học.

Hình 1. Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân tử sinh học được cố định trên bề mặt sensơ (trong trường hợp này là các phân tử ADN đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi ADN) và các hạt từ được có thể liên kết được với bề mặt cảm biến thông qua thông qua các lai hóa phân tử sinh học (các lai hóa ADN). Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử sinh học đạt được bằng cách nhận biết từ trường tán xạ tạo bởi label từ nhờ bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử.

Đặc biệt, nó đang mở ra một khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng cao vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học. Các đầu dò có các chức năng nêu trên gọi là các cảm biến sinh học hoặc các biochip.
Một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử cơ bản gồm có một dãy các phần tử cảm biến (như các cảm biến từ-điện trở); một dãy các đầu dò (các phân tử sinh học đã biết như các chuỗi nucleotide đặc trưng của các gen hoặc các kháng thể) được cố định trên bề mặt của các sensơ (thông qua các chấm micro hoặc các dãy được sắp xếp theo đặc trưng điện hoặc từ); một buồng lai hóa (thường là một bộ ráp nối các rãnh chứa chất lỏng có kích thước micro); và một cơ cấu dùng để sắp xếp các bia (target) tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân tích phân tử tích điện như ADN hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho các bia được gắn hạt từ) (xem hình 1).
Các đối tượng dò tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như chuỗi ADN phần bù phù hợp của đầu dò ADN cố định, hoặc các kháng nguyên tương ứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên chip để quá trình nhận dạng được tiến hành. Các phân tử này có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc sau bước lai hóa (recognition). Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư trong thiên nhiên với kích cỡ nano hoặc micro mét và có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học. Dưới tác dụng của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độ tổng cộng xuất hiện. Từ trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp chúng ta nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích.
Các biochips dựa trên hiệu ứng từ điện trở được giới thiệu lần đầu vào năm 1998 ở phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân (NRL) của Mỹ. Sau đó trên thế giới phát triển thêm nhiều phòng nghiên cứu và các công ty phát triển hệ thống này. Việc nhận biết hạt từ được hoàn thiện bằng cách sử dụng các cảm biến tích hợp từ điện trở có cấu trúc và hình dạng khác nhau như GMR hình que, cấu trúc GMR hình gấp khúc (meander GMR structures) và GMR hình xoáy ốc; các cấu trúc van spin đường thẳng, hình răng lược và hình chữ U; các vòng AMR; cảm biến hình chữ thập sử dụng hiệu ứng Hall mặt phẳng; và các tiếp xúc từ xuyên ngầm. Các cấu trúc này còn cho phép sử dụng từ trường để điều khiển độ chính xác và các thao tác trên chip, kết hợp sự truyền dẫn tín hiệu với việc dò tìm.

Hình 2. Tín hiệu đầu ra (V) theo thời gian (time) Một đầu dò ADN 50-đơn vị liên kết được cố định trên bề mặt chip lai hóa với phần bù của nó là các ADN cần dò gắn hạt từ 250 nm. Hình nhỏ: ảnh các ADN đích hội tụ tại khu vực cảm nhận nhờ dòng điện có cấu trúc hình nón.

 

Nguyên lý của biochip sử dụng công nghệ spin điện tử đã được sử dụng để dò tìm các biểu hiện của các phân tử sinh học (bao gồm cả các liên kết sinh học) trong các mô hình liên kết như liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG - Protein A và AND - cADN (ví dụ cystic fibrosis - bệnh xơ nang), trong các phát triển ứng dụng dùng cho việc dò tìm các chất độc trong vũ khí sinh học và gần đây nhất là ứng dụng trong việc dò tìm các tế bào từ vi sinh vật gây bệnh. Cấu trúc của hai chip sử dụng sự lai hóa có hỗ trợ của từ trường và việc dò tìm các ADN cần dò có liên quan tới bệnh xơ nang được mô tả trên (hình 2) là kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm chip với các ADN phần bù với các ADN cần dò tìm. Sau khi nhỏ các phân tử sinh học có đính hạt từ lên bề mặt cảm biến, một dòng điện được đặt vào trong khoảng 3 phút để thu hút các hạt vào khu vực cảm nhận, sau đó các hạt từ được giữ ổn định trong vòng 3 phút để quá trình lai hóa diễn ra. Chip được rửa để loại bỏ các hạt từ không có liên kết riêng hoặc liên kết yếu. Khi đó người ta thu được tín hiệu còn lại vào khoảng 1mV do lai hóa. Tín hiệu này tương ứng với khoảng 50 hạt nano liên kết với bề mặt. Khi sử dụng các phân tử sinh học cần dò không phải là phần bù của đầu dò, tín hiệu trở lại với đường nền nghĩa là không có sự lai hóa xảy ra. Các cảm biến cỡ nhỏ (2 6 mm2) có dải hoạt động nhỏ chứa được vào khoảng 200 hạt nano với đường kính 250mm, nhưng cho tín hiệu trên từng hạt lớn hơn.
Cảm biến với kích cỡ này phù hợp nhất với các phép đo chỉ đòi hỏi câu trả lời “có” hoặc “không hay là những tín hiệu chỉ cần giá trị định lượng nhỏ. Nó mở ra một khả năng ứng dụng trong việc nhận biết các biến dị trong ADN có ở một vài nucleotide, gọi là SNP (Single Nucleotide Polymorphism). Trong trường hợp này, nó sẽ rất nhiều thuận lợi cho việc phân biệt chính xác hầu hết các chuỗi ADN gần giống nhau và vấn đề duy nhất là một biến dị cụ thể cần dò tìm có xuất hiện hay không.
Bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử có tiềm năng lớn trong việc tích hợp các cảm biến sinh học tiên tiến. Các khả năng đặc biệt như: cơ chế chuyển từ trường thành tín hiệu điện ở đầu ra, hưởng ứng nhanh, độ nhạy cao, khả năng giải quyết vấn đề ở các quy mô khác nhau, tính tự động và có thể tạo được tổ hợp xử lý CMOS đơn giản, đã làm cho các biochips trở nên rất linh họat trong việc thiết kế các cấu trúc cho các ứng dụng trong các lĩnh vực trong y sinh học, công nghệ sinh học cho tới ngành phân tích thực phẩm và môi trường. Do vậy, sự quan tâm của các phòng thí nghiệm và các công ty cũng như số lượng các nghiên cứu trong lĩnh vực sử dụng công nghệ spin điện tử này vẫn đang tiếp tục tăng lên không ngừng.

Số 101 (1+2/2009)♦Tự động hóa ngày nay


Newer news items:
Older news items:

 

Hỗ trợ online

Hỗ trợ Web
Mr Phương: 0988906030

Liên kết & Quảng cáo


 
 
 






 

 

Nhà tài trợ


Sửa biến tần

Mới cập nhật

Tìm kiếm

Quảng cáo&Liên kết