Tiểu Luận Cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học được giới khoa học biết tới từ năm 1956 trong tiếng anh gọi là Biosensor. Từ sự tìm tòi quan sát sự tồn tại và thích ghi của các sinh vật xung quanh các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển ra cảm biến sinh học. Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp để biến các đại lượng không điện (các vật liệu sinh học) thành các đại lượng điện và có thể đo được. Trải qua thời gian dài hình thành và phát triển cảm biến sinh học càng ngày càng trở lên hiện tinh vi ,hiện đại với nhiều ứng dụng trong cuộc sống như: Môi trường ,y tế và nuôi trồng.......... Trong những năm gần đây cảm biến nói chung cũng như cảm biên sinh học là một môn học bắt buộc của sinh viên nghành vật lý kỹ thuật,những kỹ sư vật lý tương lai. Cảm biến sinh học cũng là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên đại học ,cao học và kỹ sư thuộc nhiều nghành khoa học kỹ thuật khác. Vì vậy hy vọng với bài tiểu luận ngắn này có thể giúp mọi người hiểu thêm về cảm biến sinh học.

Trang 1 Đề tài :cảm biến y sinh(sinh học) Lời nói đầu Cảm biến sinh học được giới khoa học biết tới từ năm 1956 trong tiếng anh gọi là Biosensor. Từ sự tìm tòi quan sát sự tồn tại và thích ghi của các sinh vật xung quanh các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển ra cảm biến sinh học. Các nhà khoa học đã tìm ra phương pháp để biến các đại lượng không điện (các vật liệu sinh học) thành các đại lượng điện và có thể đo được. Trải qua thời gian dài hình thành và phát triển cảm biến sinh học càng ngày càng trở lên hiện tinh vi ,hiện đại với nhiều ứng dụng trong cuộc sống như:Môi trường ,y tế và nuôi trồng Trong những năm gần đây cảm biến nói chung cũng như cảm biên sinh học là một môn học bắt buộc của sinh viên nghành vật lý kỹ thuật,những kỹ sư vật lý tương lai. Cảm biến sinh học cũng là lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng của sinh viên đại học ,cao học và kỹ sư thuộc nhiều nghành khoa học kỹ thuật khác. Vì vậy hy vọng với bài tiểu luận ngắn này có thể giúp mọi người hiểu thêm về cảm biến sinh học. I. Giới thiệu cảm biến Sinh Học a. Định nghĩa cảm biến sinh học Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry): Cảm biến sinh học là thiết bị để kiểm tra, xác định trạng thái các phần tử sinh học dựa trên sự tương tác giữa các phân tử cần phân tích với các phân tử sinh học (enzyme, chuỗi DNA, kháng thể, ). b. Lịch sử hình thành và phát triển của cảm biến sinh học Giáo sư Leyland D.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme transducers as membrane enclosed sandwiches”. Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Trang 2 Hinh 1 :Mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra. Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+. Trang 3 Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn. Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến sinh học. Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm biến sinh học trong đời sống. Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm dưới da. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, cảm biến sinh học cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc, hứa hẹn đưa ra những vi thiết bị nhằm xác định nhanh, chính xác các loại vi khuẩn, virut gây bệnh. Các thiết bị này cũng có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nM) với độ tin cậy cao. II. Cấu tạo cơ bản của cảm biến sinh học Cảm biến sinh học gồm ba bộ phận chính sau : 1. Đầu thu sinh học: Nó có tác dụng bắt cặp, phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích, tác nhân cố định giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực. 2. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: bộ phận này giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được. Có các dạng chuyển đổi: - Chuyển đổi điện hóa. - Chuyển đổi quang. - Chuyển đổi nhiệt. - Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện piezoelectric. - Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ . 3. Bộ phận xử lý giúp đọc tín hiệu ra: Bộ phận này có tác dụng chuyển các tín hiệu không điện thành các tín hiệu điện có thể xử lý. Trang 4 Hình 2.Cấu tạo cảm biến sinh học  Màng vật liệu sinh học.  Bộ dao động thạch anh.  Điện cực.  Bộ phận ghi nhận tín hiệu. Trang 5  Hình 3. Sơ đồ hiển thị các thành phần chính của một cảm biến sinh học. Các biocatalyst (a) chuyển đổi chất nền cho sản phẩm. Phản ứng này được xác định bởi các bộ chuyển đổi (b) được chuyển thành tín hiệu điện. Sản lượng từ đầu dò được khuếch đại (c), chế biến (d) và hiển thị (e). Các phần quan trọng của cảm biến sinh học là các bộ chuyển đổi (hiển thị như là "đen" ô trong hình 5) mà làm cho việc sử dụng một thay đổi về thể chất đi kèm với phản ứng. 1. Sản lượng nhiệt (hoặc hấp thụ) của các phản ứng (calorimetric cảm biến sinh học). 2. Thay đổi trong việc phân phối các khoản phí gây ra một tiềm năng điện được sản xuất (potentiometric cảm biến sinh học). 3. Chuyển động của các điện tử sản xuất trong phản ứng oxi hóa khử (amperometric cảm biến sinh học). 4. Sản lượng trong phản ứng ánh sáng hoặc hấp thụ ánh sáng khác biệt giữa các chất phản ứng và các sản phẩm (quang cảm ứng sinh học). 5. Tác dụng do khối lượng của các chất phản ứng hoặc sản phẩm. III. Nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học a. Nguyên lý chung : Các vật liệu sinh học như : vi khuẩn, tế bào, enzim, kháng thể, DNA, … gây ra một trong các thay đổi :  Phản ứng trên bề mặt điện cực.  Thay đổi PH.  Thay đổi nhiệt độ.  Thay đổi tính chất truyền qua của ánh sáng.  Thay đổi khối lượng màng. Những sự thay đổi này được nhận biết tương ứng bằng các điện cực đếm elcectron, điện cực đo độ PH bằng chất bán dẫn, các cặp nhiệt, bộ đếm electron hoặc bộ dao động thạch anh. Các thay đổi này được chuyển thành tín hiệu điện từ đó cho ta thông tin về các vật liệu sinh học.Mối quan hệ giữa nhận biết sinh học và phương pháp chuyển đổi được mô tả rõ trong bảng 1. Trang 6 Loại nhận biết Hệ quả nhận biết Các phương pháp chuyển đổi và cảm biến Hệ thống enzim Loại miễn dịch Thay đổi nồng độ sản phẩm Thay đổi cơ chế oxi hóa khử Thay đổi điện dẫn Nhiệt của phản ứng Hiệu quả và hình dạng Thay đổi hình dạng kích thước Thay đổi khối lượng Thay đổi các tính dẫn điện Cảm biến dòng điện,điện cực dòng điện Cảm biến điện thế điên cưc thế,ENFET Đo điện trở Biến trở nhiệt Thay đổi các tín hiệu quang Cảm biến y sinh điện áp Cảm biến miễn dịch điên dung và do trở kháng Bảng 1: Quan hệ giữa nhận biết sinh học và phương pháp chuyển đổi. Hình 4: Nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học b. Sơ đồ nguyên lý Trang 7 Hình 5 :sơ đồ nguyên lý làm việc đơn giản của cảm biến sinh học Cảm biến hoạt động theo nguyên tắc nhập các vật liệu sinh học được phép đi qua màng tế bào để các lựa chọn có thể được thực hiện và các phân tử gây nhiễu được giữ lại ở bên ngoài màng. Mẫu này sau đó tương tác với các cảm biến sinh học và hình thức một sản phẩm, mà có thể là một điện phí, nhiệt, khí đốt, hóa học thích hợp.Sản phẩm này sau đó đi qua màng tế bào khác và đạt đến bộ chuyển đổi, chuyển đổi các tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu điện có thể được tiếp tục khuyếch đại và có thể là đọc trên bảng điều khiển kỹ thuật số hoặc có thể được ghi trên máy ghi âm. Trang 8 a – analyte d - cố định bề mặt g - khuếch đại và điều khiển b – interferent e-tín hiệu chuyển đổi h-đầu ra của analyte đo c - sinh học phân tử cố định f-bộ chuyển đổi Điều này cho phép đo nồng độ của chất nền mà không cần chế biến, như vậy tránh được tiêu thụ của mẫu. Một số chi tiết của các yếu tố sinh học, cảm biến, và đầu dò được sử dụng trong cảm biến sinh học được tóm tắt trong bảng Hình 7. 1 interferen không được phép đi qua màng. 2 Màng bảo vệ bên ngoài. 3 Anlyte. 4 Sản phẩm(qua nội màng). 5 Bộ phận chuyển đổi. 6 Bộ khuếch đại. 7 Tín hiệu. 8 Xử lý tín hiệu. 9 Readout kỹ thuật số. 10 Ghi âm. 11 Chất nền(ânlyte). 12 Enzyem kháng thể cell. 13 (sesning phần). 14 Nội màng. 15 Micro-điện tử. Trang 9 IV. Phân loại cảm biến sinh học. a.Phân loại theo cơ chế chuyển đổi 1.Chuyển đổi điện hoá: Bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế(potentiometric),dòng điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric). 2. Chuyển đổi quang: Là chuyển đổi hoạt động dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio– luminiscence;chemi–luminiscence 3. Chuyển đổi nhiệt: Hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong các phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các phản ứng. Tuy nhiên, dạng chuyển đổi này có tính chọn lọc thấp. 4. Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric): Chuyển đổi hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi dạng này có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơ động cao, có thể sử dụng đo đạc s 5. Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ : Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rất mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector. Thanh mỏng này được chế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ cũng làm cho thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector sẽ bị thay đổi so với trường hợp không có lực tác dụng lên thanh. Căn cứ vào sự thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên thanh b.phân loại theo đầu thu sinh học 1. Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu phổ biến nhất. Đó là các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose, . Trang 10 Đầu thu enzyme 2. Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng này có đặc điểm là tính chọn lọc rất cao đồng thời các liên kết được tạo thành khá mạnh. 3. Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó cách ly. Đầu thu sử dụng protein 4. Đầu thu làm từ các axit nucleic: Các axit nucleic như ADN, ARN có thể sử dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền. [...]... năng làm việc của các cảm biến sinh học Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai Đầu thu kết hợp 6 Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ các phân tử, nguyên tử mà nó còn có thể được làm từ các tế bào Một số tế bào biến đổi gen của vi khuẩn đã được sử dụng làm đầu thu sinh học Khi có mặt các phân... nhiều nghiên cứu, ứng dụng Có thể kể ra một số cảm biến dạng này như cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh,nhận dạng các đặc trưng sinh học của con người Trang 11 VI.Một số máy sử dụng công nghệ cảm biến y sinh a .Cảm biến sinh học phát hiện nhanh bệnh than, bệnh đậu mùa & một số bệnh khác (TBYS) – Các nhà nghiên cứu ở MIT Lincoln Lab đã phát triển một loại cảm biến rất nhạy, có thể phát hiện ra một số... thiệu về cảm biến sinh học …………………………………………… 1 II Cấu tạo cảm biến sinh học ………………………………………………… 2 III Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học ……………………………………5 IV Phân loại cảm biến sinh học ……………………………………………… 9 V Ứng dụng cảm biến sinh học 11 VI Một số máy sử dụng cảm biến y sinh .12 Mục lục 16 Trang 15 ... của mình Kết luận: Cảm biến là một thiết bị sử dụng các vật liệu sinh học vào các thiết bị công nghệ tạo ra các sản phẩm thông minh có nhiều ứng dụng trong đời sống Vì vậy trong tương lai rất cần nghiên cứu và phát triển để nó thêm tinh vi và hiện đại Trang 14 Mục lục Lời nói đầu……………………………………………………………………… 1 I Giới thiệu về cảm biến sinh học …………………………………………… 1 II Cấu tạo cảm biến sinh học …………………………………………………... ứng dụng của cảm biến y sinh - Ứng dụng trong lĩnh vực y tế và chăm sóc sức khoẻ: Đây là lĩnhvực có nhiều cải tiến cũng như nhiều ứng dụng nhất Chúng ta cóthể kể ra rất nhiều loại cảm biến như cảm biến nồng độ oxi, glucosetrong máu, cảm biến huyết áp, … Các cảm biến dạng này được chếtạo theo hướng càng ngày càng nhỏ gọn, rẻ và dễ sử dụng - Ứng dụng trong công nghệ môi trường: Đó là các cảm biến dạng“mũi... Environmental Releases),có những đặc tính vượt trội so với các cảm biến khác, James Harper thuộc nhóm Công nghệ phân tử và Cảm biến sinh học của Lincoln Lab cho biết Những cảm biến mới đây cần tới ít nhất 20 phút để phát hiện các vi khuẩn có hại hay các virus trong không khí, nhưng với PANTHER, có thể phát hiện và nhận dạng trong vòng chưa tới 3 phút b .Cảm biến đo Glucose bằng sóng vi ba dùng cho việc kiểm tra... đầu ngón tay c .Cảm biến sử dụng ống nano hạt cacbon để cảnh báo hen Trang 13 (TBYS) - Những nhà khoa học của trường đại học Pittsburgh đã nghiên cứu phát triển một hệ thống cảm biến mới dùng để phát hiện, cảnh báo và ngăn ngừa bệnh hen Với loại cảm biến mới này, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thiết bị thành công thiết bị theo dõi tình trạng bệnh hen Đứng đầu nhóm nghiên cứu là giáo sư hóa học Alexander... cho họ Nhưng giờ đây, các nhà nghiên cứu của trường đại học Baylor đã phát triển một cảm biến điện từ mà có thể cung cấp cho những bệnh nhân tiểu đường kiểm tra được mức Glucose trong máu bằng phương pháp không xâm lấn, giúp họ không cảm thấy lo ngại Với kết quả nghiên cứu mới này cho thấy cảm biến này thực sự có hiệu quả Trang 12 "Chúng tôi cảm thấy rất phấn khởi và lạc quan" – Bác sĩ Randall Jean,... đo lượng Glucose, bệnh nhân phải nhét ngón tay cái của họ vào lại cảm biến, các nhà nghiên cứu của Baylor đã đưa ra những kết quả thực nghiệm cho thấy rằng cảm biến đó chính xác Những nhà nghiên cứu đã lấy mẫu của gần 20 người và so sánh những mẫu đó với những kết quả đo bằng các phương pháp khác hiện có Các nhà nghiên cứu Baylor Là cảm biến khẳng định đây là phương pháp đo không xâm lấn mới rất có tiềm... một cảm biến có khả năng phản ứng trong vòng vài phút với oxit nitric, đây là loại khí thường thấy trong hơi thở của người bị bệnh hen Những thông tin nghiên cứu đã được họ công bố vào ngày 22 tháng 8 trên nhật báo trực tuyến "Nanotechnology" Giáo sư cũng cho biết sẽ giới thiệu nghiên cứu của nhóm trong cuộc gặp gỡ lần thứ 234 cộng đồng các quốc gia hóa học từ ngày 19–23 tháng tới tại Boston Cảm biến . thiệu về cảm biến sinh học …………………………………………… 1 II. Cấu tạo cảm biến sinh học ………………………………………………… 2 III. Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học ……………………………………5 IV. Phân loại cảm biến sinh học ………………………………………………. sandwiches”. Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Trang 2 Hinh 1 :Mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện. Cấu tạo cơ bản của cảm biến sinh học Cảm biến sinh học gồm ba bộ phận chính sau : 1. Đầu thu sinh học: Nó có tác dụng bắt cặp, phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích,