Thiết Bị Vi Dòng để Gắn Vi Mẫu Lên Cảm Biến Sinh Học - SÁNG CHẾ ...

Cảm biến sinh học là thiết bị nhằm phát hiện sự có mặt của một loại phần tử sinh học trong mẫu thử, thông qua cơ chế tương tác sinh học. Cảm biến loại này thường sử dụng trong ngành y tế như chẩn đoán bệnh và hỗ trợ quá trình điều trị bệnh, công nghệ môi trường, tương tác người và máy, điều khiển và quản lý quy trình công nghệ sinh học… Hầu hết cảm biến sinh học chỉ được sử dụng một lần, để tái sử dụng phải loại bỏ được mẫu sinh học đã gắn trước đó và gắn được mẫu mới.

Việc sử dụng kênh dẫn vi lưu (microfluidics) hay vi dòng ngày càng có nhiều ứng dụng y sinh học

Đã có nhiều giải pháp để phát triển các loại cảm biến sinh học có khả năng sử dụng nhiều lần như dùng phương pháp nuôi cấy tế bào chuẩn, ELISA, RT-PCR, Kit chuẩn, vi cân tinh thể thạch anh (QCM),… Trong đó cảm biến sinh học QCM có ưu điểm vượt trội về độ nhạy, công nghệ đơn giản và giá thành thấp hơn, được kì vọng sẽ sớm trở thành cảm biến thương mại.

Trên cảm biến có các đầu bắt sinh học để dò tìm chất thông qua tương tác đặc hiệu của hoạt tính sinh học trong đầu bắt với cơ chất cần phát hiện trong dung dịch đo, ví dụ: kháng thể bắt cặp đặc hiệu với kháng nguyên là các chất chỉ điểm khối u ung thư, enzyme glucose oxidase phản ứng với đường glucose trong máu tạo ra H2O2, hay DNA dò tạo chuỗi xoắn kép với DNA đích phát hiện chuyển gen. Các đầu bắt sinh học này thường có giá thành cao, đòi hỏi điều kiện bảo quản khắt khe và dễ bị mất hoạt tính sinh học khi sử dụng các chất hóa học để cố định trên bề mặt điện cực.

Thông thường, để gắn lên bề mặt cảm biến có diện tích 1cm2 cần tới 1-5ml dung dịch chứa đầu bắt sinh học với nồng độ từ 200 g/mL đến 1 mg/mL. Tuy nhiên, một số nghiên cứu thực nghiệm cho thấy lượng đầu bắt sinh học không liên kết hoặc liên kết yếu với bề mặt điện cực bị rửa trôi và loại bỏ lên tới 80-90% lượng cấp lên bề mặt điện cực đo, gây lãng phí rất lớn. Hơn nữa, việc gắn đầu bắt cũng thường khó kiểm soát và phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ dung dịch, thời gian, hóa chất, phương pháp và ngay cả tay nghề của người làm thực nghiệm (nếu gắn thủ công).

Các nhà khoa học tại nhiều nơi đã nỗ lực tìm cách cải thiện quy trình gắn đầu bắt sinh học phức tạp này. Gần đây, nhờ có sự phát triển của công nghệ vi lưu (microfluidics) cho phép chế tạo hệ thống các kênh dẫn siêu nhỏ cho phép điều khiển và thao tác chính xác việc đưa dòng chất lỏng như mẫu phân tích hoặc hóa chất lên bề mặt điện cực. Một hệ thống vi lưu còn được gọi là phòng thí nghiệm siêu nhỏ tích hợp trên một con chip (lab-on-a-chip), được phát triển có khả năng đưa vào cơ thể người. Tuy vậy, khó khăn cần khắc phục là hệ thống vi lưu này sử dụng vi bơm (micropump) nên vận hành tinh vi, dễ bị tắc, có thể hình thành các bóng khí trên bề mặt điện cực ảnh hưởng đến việc cố định các đầu bắt sinh học - hay gọi là các vi mẫu.

Để giải quyết vấn đề nêu trên, từ năm 2017, các nhà nghiên cứu của Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội (SEP-HUST) đã hợp tác với một lab nghiên cứu tại trường Đại học Yamanashi (Nhật Bản) để thiết kế một chip vi dòng kết hợp quay ly tâm gồm các khoang chứa, cơ cấu đỡ, bộ phận truyền động, cơ cấu gắn vi mẫu nhằm giải quyết vấn đề giảm lượng chất lãng phí khi gắn vi mẫu.

“Ban đầu khi làm việc với cảm biến QCM, chúng tôi phải sử dụng lượng dung dịch rất lớn từ 500 đến 1000 µL. Ngay cả khi dùng chip vi dòng kết hợp với vi bơm thì vẫn tốn lượng dung dịch ở chân dẫn và trong xi lanh, vẫn tạo ra bóng khí trong buồng phản ứng cũng như bề mặt điện cực. Bởi vậy, chúng tôi nghĩ đến việc dùng lực li tâm để kéo dung dịch đi vào kênh dẫn đến buồng phản ứng mà không cần dùng đến bơm xi lanh. Chúng tôi đã thiết kế hai hoại chip vi dòng ly tâm, có tên là Overflow và Siphon, tích hợp linh kiện QCM và giảm được lượng dung dịch mẫu chỉ còn 8-10µL mà vẫn đảm bảo chất lượng cảm biến” - PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên - Viện Vật lý Kỹ thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, đồng tác giả của nghiên cứu, chia sẻ.

Nhóm nghiên cứu cũng đã phát triển được phương pháp gắn vi mẫu lên cảm biến sinh học bằng kênh vi dẫn và lực ly tâm, cho phép gắn đồng thời nhiều loại vi mẫu trong cùng một thao tác.

Thông thường, để gắn được vi mẫu lên bề mặt điện cực cảm biến cần ít nhất 5 bước, phải làm tuần tự xong bước này mới tới bước kia. Nhưng nếu dùng lực li tâm và thiết kế chiều dài kênh dẫn dài ngắn khác nhau, tính toán tốc độ và thời gian quay phù hợp mà các chất có thể được kéo vào tuần tự, dần dần, liên tục vào buồng phản ứng, giảm thời gian chế tạo và loại bỏ hoàn toàn sai phạm khi thao tác bằng tay. Các tác giả cho biết mặc dù thiết bị mẫu hiện tại chỉ thiết kế 1 đến 2 đầu vào (inlets) để gắn mẫu, nhưng từ thiết kế này hệ thống cho phép đặt được ít nhất 4 buồng phản ứng trên mỗi đĩa quay, mỗi buồng có thể cấp khoảng 5 đầu vào.

Dụng cụ và phương pháp này ưu tiên áp dụng với cảm biến sinh học sử dụng linh kiện QCM và cũng đã phát triển thành công trên hệ thống vi điện cực mực in các bon, tuy nhiên có thể dùng cho cảm biến sinh học bất kì để thực hiện phản ứng hóa sinh. Mẫu sinh học có thể dùng mẫu bất kì DNA, Aptamer, Protein, Enzyme, kháng thể. Kết quả nghiên cứu đã được Cục Sở hữu trí tuệ cấp bằng Độc quyền sáng chế số 1-0021439 ngày 01 tháng 07 năm 2019.

Phong Du

(Bài viết được phối hợp thực hiện bởi Cục Sở hữu trí tuệ và Báo Khoa học và Phát triển)