Các Dạng Cảm Biến Sinh Học Sử Dụng Vi Sinh Vật

Tác giả: PGS.TS. Phạm Thế Hải

Cảm biến sinh học là các thiết bị trong đó các tác nhân sinh học được sử dụng để nhận biết yếu tố cần phân tích (analyte) thông qua tương tác của chúng với bộ phần truyền tín hiệu (transducer) [1]. Các tác nhân sinh học được sử dụng có thể là các enzyme, kháng thể hoặc kháng nguyên, thụ thể, vi sinh vật hay các tế bào động thực vật hoặc thậm chí toàn bộ cơ thể động thực vật [1,2]. Trong số các tác nhân này, vi sinh vật tỏ ra có nhiều ưu điểm do: (i) chúng có thể phát hiện phổ rộng các loại chất hóa học, (ii) chúng dễ có thể được cải biến di truyền cho mục đích cảm biến, và (iii) chúng có thể hoạt động tốt trong các phổ pH và nhiệt độ rộng. Hơn nữa, nhờ kích thước hiển vi và tốc độ sinh trưởng cao cũng như thời gian thế hệ ngắn, vi sinh vật có thể giúp có được những phản ứng nhận biết nhanh và khá chính xác với yếu tố cần phân tích. Vì vậy, các cảm biến sinh học vi sinh vật (cảm biến vi sinh) được nghiên cứu rất nhiều trong vài chục năm trở lại đây và do đó rất đa dạng về chủng loại. Tuy nhiên, dựa trên bản chất quá trình truyền tín hiệu, có thể phân các cảm biến vi sinh vào 3 dạng chính: các cảm biến vi sinh điện hóa, các cảm biến vi sinh quang học và các cảm biến sinh học dạng pin nhiên liệu vi sinh vật.

Các cảm biến vi sinh điện hóa:Các cảm biến vi sinh điện hóa cung cấp các thông tin phân tích định tính và định lượng thông qua tương tác giữa một yếu tố nhận biết bản chất vi sinh vật và một yếu tố điện hóa có chức năng truyền tín hiệu [3]. Các cảm biến này gồm 3 dạng [2]: (i) dạng đo dòng điện (amperometric), (ii) dạng đo hiệu điện thế (potentiometric), và dạng đo độ dẫn (conductometric). Dạng thứ nhất hoạt động ở một hiệu điện thế cố định (đối với một điện cực chuẩn) và dòng điện sinh ra thể hiện những sự ô-xi khóa/khử tương ứng của thành phần hoạt điện cần phát hiện. Điện cực ô-xi hóa/khử tương ứng của thành phần hoạt điện cần phát hiện. Điện cực ô-xi (oxygen electrode) được sử dụng phổ biến nhất để đo mức độ ô-xi tiêu thụ của vi sinh vật (thể hiện bằng dòng điện đo được ở điện cực), qua đó đánh giá hoạt tính các enzyme và cường độ trao đổi chất của vi sinh vật. Dạng thứ hai hoạt động trong điều kiện dòng điện không đổi và những thay đổi về hiệu điện thế phản ánh những thay đổi ô-xi hóa- khử. Dạng thú ba hoạt động dựa trên sự theo dõi những thay đổi về độ dẫn điện của vật liệu truyền dẫn khi tương tác với những sản phẩm trao đổi chất của vi sinh vật. Trong ba dạng trên, dạng thứ nhất được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi hơn cả vì có nhiều ưu điểm hơn, bao gồm: độ nhạy cao hơn, sai số thấp hơn và cho tương quan tốt hơn [4]. Tuy nhiên, để đảm bảo tín hiệu được truyền tải tốt và chính xác, các tế bào vi sinh vật cần được gắn lên bề mặt vật liều truyền dẫn bằng những kỹ thuật đặc biệt đảm bảo độ bền của phức hệ này cũng là một vấn đề khó khăn.

Các cảm biến vi sinh quang học: Các cảm biến vi sinh quang học hoạt động dựa trên nguyên lý các tương tác sinh hóa của vi sinh vật với thành phần môi trường được thể hiện thành các tín hiệu quang học. Các tín hiệu quang học có thể là mức độ hấp thụ quang, tín hiệu huỳnh quang, sự phát sáng, hoặc những thay đổi về chỉ số khúc xạ, v.v...[5]. Những cảm biến sinh học sử dụng tín hiệu huỳnh quang hoặc sự phát quang sinh học được nghiên cứu phát triển nhiều hơn cả. Đặc biệt các cảm biến quang vi sinh cho phép phát hiện phổ rộng nhiều loại chất và hạn chế các tín hiệu nhiễu (thường gặp nhiều trong các cảm biến vi sinh điện hóa). Có nhiều dạng cảm biến quang vi sinh khác nhau: dạng sử dụng các vi khuẩn phát quang tự nhiên (như Vibrio harveyi), dạng sử dụng các vi khuẩn cải biến di truyền phát quang (như nêu ở trên) và dạng sử dụng các hệ thống gắn các tế bào phát quang [6]. Ưu điểm của các hệ quang vi sinh là tương đối nhỏ gọn, không quá đắt tiền và có thể triển khai mà không cần phòng thí nghiệm [7]. Tuy vậy, nhược điểm cơ bản của các hệ thống này nằm ở hiệu suất thu ánh sáng phát ra, và từ đó dẫn đến một số hạn chế về độ nhạy, độ đặc hiệu và độ ổn định của phức hệ phát sáng [4].

Các cảm biến sinh học dạng pin nhiên liệu vi sinh vật (microbial fuel cell-MFC): Pin nhiên liệu vi sinh vật là các hệ thống điện hóa trong đó vi sinh vật được tận dụng để tạo ra điện (như một dạng tín hiệu cảm biến) trong quá trình chúng phân giải các hợp chất hữu cơ hoặc chất thải (nguồn cho electron) [8] (Hình 1).

Hình 1. Nguyên lý hoạt động của một pin nhiêu liêu vi sinh vật (Rabaey & Verstraete 2005). Ghi chú: Bacterium: vi khuẩn; Anode: cực âm; Cathode: cực dương; MED: chất truyền điện tử trung gian; e-: điện tử

Như vậy, trong một MFC, cường độ trao đổi chất của vi sinh vật được phản ánh bằng cường độ dòng điện sinh ra. Cường độ trao đổi chất của vi sinh vật lại tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu cơ trong môi trường và bị ức chế bởi các chất độc. Vì vậy, dòng điện sinh ra chính là chỉ thị về thành phần môi trường cung cấp cho MFC. Thiết bị cảm biến đo BOD (BOD sensor), do các nhà khoa học Hàn Quốc (Kim và cs.) phát triển và thương mại hóa, hoạt động dựa trên nguyên lý này [9,10] (Hình 2).

Hình 2. Đồ thị về quan hệ dòng điện sinh ra và nồng độ BOD ở một thiết bị cảm biến sinh học dạng pin nhiên liệu sinh học [11]. Ghi chú: Current: dòng điện (đo bằng mA); Time: thời điểm đo (h); BOD đo bằng ppm (một phần triệu) theo phương pháp BOD5

Đối với các MFC của Kim và cs., sự không tương ứng tuyệt đối của dòng điện với nồng độ BOD ở dải nồng độ BOD cao vẫn là một vấn đề cần được khắc phục [4]. Tuy nhiên, đây sẽ không phải là một cản trở nếu như thiết bị MFC được sử dụng như một chỉ thị chất lượng nước thải (shock sensor) với cách đánh giá chất lượng nước (COD, BOD, độc tính) “đạt hay không đạt” các mức chuẩn đặt ra. Các MFC theo định hướng ứng dụng như vậy đã được nghiên cứu và phát triển thành công tại Bộ môn Vi sinh vật học – Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội. Theo đó, các MFC dạng đánh giá độc tính có khả năng cảnh báo khi vận hành với nước thải đầu vào anode chứa các chất độc vượt trên ngưỡng nồng độ cho phép; còn các MFC dạng đánh giá BOD cũng có khả năng cảnh báo khi giá trị BOD của nước thải vượt trên ngưỡng cho phép (Hình 3) (Kết quả nghiên cứu của đề tài mã số 08/HĐ-ĐT.08.14/CNMT do TS. Phạm Thế Hải chủ trì). Các thiết bị cảm biến này có nhiều tiềm năng ứng dụng thực tiễn, giúp giám sát chất lượng xử lý nước thải và ngăn chặn nguy cơ ô nhiễm môi trường nước.

Hình 3. Kết quả đánh giá BOD của nước thải tại một làng tái chế vật liệu ở Bắc Ninh bằng 2 thiết bị cảm biến sinh học đánh giá BOD (MFC_BOD). ĐC: Các MFC_BOD được vận hành với nước thải đối chứng có giá trị BOD đạt yêu cầu (< 50 mg/L). THỬ NGHIỆM: Các MFC_BOD được vận hành với nước thải cần đánh giá. Kết quả cho thấy: khi thử nghiệm với nước thải cần đánh giá (có giá trị BOD là 550 mg/L vượt xa ngưỡng cho phép), dòng điện của các thiết bị tăng đột biến và các thiết bị đã phát tín hiệu báo động.

Tài liệu tham khảo:

1. Lei Y, Chen W, Mulchandani A (2006) Microbial biosensors. Analytica Chimica Acta 568: 200-210.
2. D'Souza SF (2001) Microbial biosensors. Biosensors and Bioelectronics 16: 337-353.
3. Thévenot DR, Toth K, Durst RA, et al. (2001) Electrochemical biosensors: recommended definitions and classification. Biosensors and Bioelectronics 16: 121-131.
4. Xu X, Ying Y (2011) Microbial Biosensors for Environmental Monitoring and Food Analysis. Food Reviews International 27: 300-329.
5. Lechuga LM (2005) Optical biosensors. In: Gorton L, editor. Biosensors and Modern Biospecific Analytical Techniques. London, UK: Elsevier. pp. 209-246.
6. Girotti S, Ferri EN, Fumo MG, et al. (2008) Monitoring of environmental pollutants by bioluminescent bacteria. Analytica Chimica Acta 608: 2-29.
7. Ben-Yoav H, Elad T, Shlomovits O, et al. (2009) Optical modeling of bioluminescence in whole cell biosensors. Biosensors and Bioelectronics 24: 1969-1973.
8. Davis F, Higson SPJ (2007) Biofuel cells—Recent advances and applications. Biosensors and Bioelectronics 22: 1224-1235.
9. Chang IS, Jang JK, Gil GC, et al. (2004) Continuous determination of biochemical oxygen demand using microbial fuel cell type biosensor. Biosensors and Bioelectronics 19: 607-613.
10. Kang KH, Jang JK, Pham TH, et al. (2003) A microbial fuel cell with improved cathode reaction as a low biochemical oxygen demand sensor. Biotechnology Letters 25: 1357-1361.
11. Kim BH, Chang IS, Gil GC, et al. (2003) Novel BOD (biological oxygen demand) sensor using mediator-less microbial fuel cell. Biotechnology Letters 25: 541-545.