Tổng Quan Về ứng Dụng Cảm Biến Sinh Học Trong Lĩnh Vực Môi Trường

Giới thiệu

Môi trường và các vấn đề liên quan đến môi trường ngày càng được quan tâm nhiều hơn từ khi con người trở nên có ý thức về BĐKH cũng như các ảnh hưởng tiêu cực đến đời sống, sức khỏe và sự phát triển ổn định của toàn thể nhân loại. Do đó, việc quản lý, giám sát chất lượng môi trường nhằm tuân thủ luật pháp cũng như chính sách của từng quốc gia đang ngày được siết chặt hơn, nâng cao hơn về mặt tiêu chuẩn. Một trong những công cụ để giám sát và phát hiện các cấu tử ô nhiễm trong môi trường là các cảm biến sinh học (CBSH). Thuật ngữ CBSH xuất hiện vào khoảng những năm 1960 [1] và ngày càng trở nên phổ biến nhờ vào khả năng ứng dụng rộng rãi của chúng trong các lĩnh vực như y sinh, dược phẩm, công nghệ thực phẩm và trong đó lĩnh vực môi trường cũng không là một ngoại lệ [2]. Mục tiêu chính của việc quan trắc môi trường là làm giảm thiểu tác động tiêu cực của các tác nhân gây ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường xung quanh.

Cảm biến sinh học

Hình 1. Các thành phần cơ bản của bộ CBSH

Cảm biến sinh học là một thiết bị sinh học bao gồm một đầu dò sinh học, bộ phận chuyển đổi và một bộ phận khuếch đại tín hiệu (Hình 1). Thiết bị này cho phép chuyển đổi các tín hiệu sinh học về dạng tín hiệu điện, điện-hóa, quang học, trọng lực hoặc âm thanh [3] Dựa vào cấu tạo đầu dò, có thể chia CBSH thành ba loại như sau: CBSH dựa trên enzyme (xúc tác), CBSH dựa trên nucleic acid (DNA, RNA,…) và CBSH dựa trên tế bào (vi sinh vật hoặc một phần mô,…) [4].

Trong lĩnh vực môi trường, các đầu dò sinh học được ứng dụng trong việc giám sát thuốc trừ sâu, mầm bệnh, độc chất, các yếu tố tiềm ẩn độc chất, các hóa chất gây rối loạn nội tiết và các hợp chất môi trường khác [5].

Cảm biến sinh học dựa trên tế bào

Trong vòng hơn 20 năm qua, CBSH dựa trên tế bào thể hiện tiềm năng và ứng dụng to lớn của chúng, đặc biệt là trong lĩnh vực phát hiện ô nhiễm môi trường. Trong môi trường biển, các độc chất chủ yếu được gây ra bởi tảo, chẳng hạn như saxitoxin (STX) và brevetoxin (PbTX-2), hai chất này được sinh ra từ tảo hai roi ở môi trường biển và có độc tính cao [6]. Để phát hiện hai chất này, người ta cố định tế bào cơ tim lên một đầu dò điện cực phủ nano bạch kim. Khi có sự ghép đôi xảy ra, các điện thế xuyên màng được hình thành và các điện cực ghi lại sự thay đổi điện áp từ đó xuất ra tín hiệu [7]. Junhong Min và cs. (2009) cũng đã chứng minh thành công việc đo được phenol bằng 2 CBSH dựa trên tế bào phát hiện bằng công nghệ SPR (cộng hưởng plasmon bề mặt) và điện từ [8].

Bên cạnh đó, CBSH dựa trên toàn bộ tế bào sử dụng các loài vi sinh vật như vi khuẩn, nấm (nấm men và nấm mốc), tảo, động vật nguyên sinh và vi rút. So với tế bào động vật hoặc thực vật, CBSH toàn tế bào dễ xử lý, đồng thời các tế bào có thể tương tác với nhiều loại chất phân tích, hiển thị phản ứng điện hóa mà đầu dò tiếp nhận [9]. Để phát hiện thuốc trừ sâu pyrethoid, cảm biến quang sinh học dựa trên vi khuẩn Escherichia coli để nhận diện 3-phenoxybenzoic acid (3-PBA) đã được sử dụng với giới hạn phát hiện 3-PBA là 3 ng/mL trong phạm vi tuyến tính từ 1-2 ng/mL [10]. CBSH toàn tế bào được nhận định là khá đơn giản, chi phí thấp, do đó có tiềm năng để được phát triển hơn trong việc phát hiện ONMT.

Cảm biến sinh học dựa trên enzyme

Enzyme được biết đến như chất xúc tác sinh học phổ biến, giúp tăng tốc độ của các phản ứng sinh học. CBSH dựa trên enzyme gồm các thụ thể enzyme hoạt động dựa trên hoạt tính xúc tác và khả năng liên kết của các enzyme để phát hiện các chất cần phân tích - các chất này có thể được phát hiện trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua một chất chỉ thị [11].

Các CBSH dựa trên enzyme được phát triển để phát hiện thuốc trừ sâu hữu cơ, trong đó tiêu biểu là CBSH dựa trên enzyme acetylcholinesterase (AChE) và CBSH dựa trên enzyme thủy phân methyl parathion hydrolase (MPH). Đối với cảm biến MPH, vật liệu nano từ tính là Au-Fe3O4 được dùng để ổn định MPH nhờ vào lực tương tác tĩnh điện; CBSH MPH cho tốc độ phản ứng nhanh, độ chọn lọc để phát hiện metyl parathion cao, với khoảng tuyến tính từ 0,5 đến 1000 ng/mL và giới hạn phát hiện 0,1 ng/mL [12]. Trong khi đó, CBSH AchE được phát triển trên từng lớp bao gồm chitosan, các hạt nano vàng và lớp nafion; trong điều kiện tối ưu, cảm biến này phát hiện metyl parathion trong khoảng tuyến tính từ 1,0×10#8 đến 1,0×10#14 g/mL với giới hạn phát hiện là 5,0×10#15 g/mL [13].

Phần lớn các CBSH dựa trên enzyme thường đi kèm với bộ phận chuyển đổi điện hóa. CBSH dựa trên enzyme cho độ nhạy cao, có thể phát hiện các chất ô nhiễm ở nồng độ rất thấp; tuy nhiên cũng chính vì vậy mà việc ổn định enzyme lên đầu dò sinh học khá phức tạp và tốn kém [11][14].

Cảm biến sinh học dựa trên nucleic acid

CBSH dựa trên các acid nucleic hay còn gọi là cảm biến gen ngày càng được phát triển nhờ vào các đặc tính hóa lý ổn định cũng như khả năng chọn lọc các chủng vi sinh vật cao [15]. Tương tự như cấu trúc của một CBSH trình bày ở Hình 1, CBSH dựa trên các nucleic acid sẽ bao gồm một đầu dò có gắn kết DNA, RNA hoặc PNA (một peptide nucleic acid mô phỏng DNA do con người tổng hợp nên), một bộ phận chuyển đổi và một bộ phận khuếch đại tín hiệu.

Để phát hiện một số tác nhân gây bệnh, cụ thể ở đây là Legionella pneumophila, người ta sử dụng kết hợp đoạn rRNA 16s của chủng này và công nghệ cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) và thu nhận được kết quả trong vòng 3 giờ, tiết kiệm được khá nhiều thời gian so với các phương pháp phát hiện L. pneumophila hiện tại là PCR và ELISA [16]. Ngoài dùng để phát hiện các vi sinh vật gây bệnh, các CBSH nucleic acid còn dùng để phát hiện các chất gây độc như Hg2+[5].

Tuy nhiên, DNA có độ bền không cao trong các môi trường thí nghiệm, điều này dẫn đến các đầu dò có khả năng dễ bị hư hỏng và cho kết quả sai lệch trong các thí nghiệm [17]. Thay vì vậy, việc sử dụng PNA-một peptide nucleic acid mô phỏng DNA do con người tổng hợp nên cho một kết quả khả quan hơn nhờ vào khả năng chọn lọc trình tự và ái lực cao, ngoài ra chúng bền hơn DNA trong các điều kiện thí nghiệm [18]. Hiện nay, PNA được dùng khá phổ biến trong các microarray và CBSH.

Bàn luận

Các ứng dụng của CBSH trong lĩnh vực môi trường ngày càng được mở rộng nhờ vào các đặc tính giám sát tại chỗ, độ chính xác cao và tiết kiệm thời gian cũng như các phương tiện hóa chất. Các CBSH dựa trên tế bào, enzyme, cũng như cảm biến dựa trên nucleic acid hiện tại đã và đang không ngừng cải thiện nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng trong phát hiện ô nhiễm môi trường. Các cảm biến này giúp con người trong việc giám sát môi trường ở những điều kiện khắc nghiệt và hạn chế trong việc lấy mẫu, các cấu tử ô nhiễm độc hại. Dựa trên tốc độ phát triển này, kỉ nguyên mới cho các robot CBSH sẽ mở ra vào một ngày không xa.

Lời cảm ơn

Nghiên cứu được tài trợ bởi Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia - Hồ Chí Minh trong khuôn khổ Đề tài mã số To-MTTN-2020-22.

Tài liệu tham khảo

1. Kavita V, "DNA Biosensors-A Review," vol. 7, no. 2;

2. Mascini M, "Affinity electrochemical biosensors for pollution control," vol. 73, pp. 23-30, January 2001;

3. Varnakavi. Naresh and Nohyun Lee, "A Review on Biosensors and Recent Development of," MDPI, vol. 21, 5 February 2021;

4. Parikha Mehrotra, "Biosensors and their applications - A review," 2015;

5. Celine I. L. Justino, Armando C. Duarte and Teresa A. P. Rocha-Santos, "Recent Progress in Biosensors for Environmental Monitoring: A Review," vol. 17, 15 December 2017;

6. Ahmed Al-Sabi, Jeff McArthur, Vitaly Ostroumov and Robert J. French, "Marine Toxins That Target Voltage-gated Sodium Channels," Marine Drugs, vol. 4, no. 3, pp. 157-192, April 2006;

7. Qin Wang, Jiaru Fang, Duanxi Cao, Hongbo Li, Kaiqi Su, Ning Hu and Ping Wang, "An improved functional assay for rapid detection of marine toxins,," Biosensors and Bioelectronics, vol. 72, pp. 10-17, 15 October 2015;

8. Junhong Min, Cheol-Heon Yea, Waleed Ahmed El-Said and Jeong-Woo Choi, "The Application of Cell Based Biosensor and Biochip for Environmental Monitoring," Atmospheric and Biological Environmental Monitoring, pp. 261-273, 2009;

9. Eliora Z Ron and Judith Rishpon, "Electrochemical cell-based sensors," Whole Cell Sensing Systems, pp. 77-84, January 2010;

10. Pinpunya Riangrungroj, CandaceSpier Bever, BruceD.Hammock and Karen M. Polizzi, "A label-free optical whole-cell Escherichia coli biosensor for the detection of pyrethroid insecticide exposure," natureresearch, 2019;

11. DAVID W.G. MORRISON, MEHMET R.DOKMECI, UTKAN DEMIRCI and ALI KHADEMHOSSEINI, "Clinical Applications of Micro- and Nanoscale Biosensors," Biomedical Nanostructures, 2007;

12. Yuting Zhao, Weiying Zhang, Yuehe Lin and Dan Du, "The vital function of Au-nanoparticles for hydrolase biosensor design and its application in detection of methyl parathion," Nanoscale, 21 November 2012;

13. Yan Deng, Keke Liu, Yuan Liu and Hongming Dong, "An Novel Acetylcholinesterase Biosensor Based on Nano-Porous Pseudo Carbon Paste Electrode Modified with Gold Nanoparticles for Detection of Methyl Parathion," Journal of Nanoscience and Nanotechnology, vol. 16, 2016;

14. Baha nde, Fatma Akpinar, Murat Uygun and Mihrican Muti, "High stability potentiometric urea biosensor based on enzyme attached," Microchemical Journal , 2021;

15. F.R.R. Teles and L.P. Fonseca, "Trends in DNA biosensors," Talanta, vol. 77, no. 2, pp. 606-623, December 2008;

16. Amir M. Foudeh, Hana Trigui, Nilmini Mendis, Sebastien P. Faucher, Teodor Veres and Maryam Tabrizian, "Rapid and specific SPRi detection of L. pneumophila in complex environmental water samples," Anal Bioanal Chem, May 2015;

17. Jacques Saarbach, Pramod M Sabale and Nicolas Winssinger, "Peptide nucleic acid (PNA) and its applications in chemical biology, diagnostics, and therapeutics," vol. 52, pp. 112-124, 2019;

18. Wonyong Koh, "Peptide Nucleic Acid (PNA) and Its Applications".

NGUYỄN HỒNG YẾN NHI; TRỊNH THỊ BÍCH HUYỀN; TÔN THIỆN PHƯƠNG; ĐẶNG VŨ BÍCH HẠNH

Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh

TRẦN THỊ BÍCH PHƯỢNG

Trường Đại học Tài Nguyên và Môi Trường TP. Hồ Chí Minh

HỒ HỮU LỘC

Viện công nghệ châu Á - Asian Institute of Technology (AIT), Thái Lan