Tổng quan về Điện cực đo sinh học

ĐIỆN CỰC ĐO NHIỆT (Calorimetric biosensor)

Điện cực enzym – cặp nhiệt

Do tính chất của cặp nhiệt và lớp tiếp xúc enzym-cặp nhiệt có tính truyền nhiệt cao cho phép không phải kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ của môi trường xung quanh, do đó có thể thu nhỏ kích thước của thiết bị để có thể cấy vào dưới da đo trực tiếp nồng độ các chất trong máu. Trong đó R1: điện trở của nhiệt điện trở so sánh, R2: điện trở của nhiệt điện trở đo, T1: nhiệt độ của mẫu sau khi qua bộ phận gia nhiệt, T2: nhiệt độ của mẫu sau khi qua cột enzym, B: Hằng số nhiệt độ của nhiệt điện trở.

ĐIỆN CỰC ĐO QUANG (Optical Biosensor)

ĐIỆN CỰC ĐIỆN ÁP (Piezoelectric biosensor)

(I): Điện cực sinh học dùng ở đây thay thế cho hệ thống giám định màu truyền thống. a) Ống được phủ kháng nguyên cố định. Một lượng dư phức kết enzym-kháng thể được đặt vào trong ống và xảy ra sự gắn kết;. b) sau một thời gian thích hợp, những phân tử nào không được gắn kết sẽ bị rửa troâi;. c) dung dịch chứa kháng nguyên phân tích được đưa vào ống, phụ thuộc vào nồng độ kháng thể mà xảy ra sự gắn kết và loại một số phức kết enzym-kháng thể. (II): Điện cực sinh học này dựa vào giám định trực tiếp các kháng nguyên gắn bề mặt được phủ kháng thể. a) điện cực sinh học được phủ kháng thể (cố định), đặc hiệu với kháng nguyên phân tích. Bộ chuyển đổi được ngâm trong dung dịch chứa một hỗn hợp gồm một lượng đã biết phức kết enzym-kháng nguyên và nồng độ chưa biết kháng nguyeân phaân tích;. b) sau một thời gian thích hợp, kháng nguyên và phức kết enzym-kháng thể được gắn với kháng thể;. c) những phân tử nào không được gắn với kháng thể bị rửa trôi và loại bỏ.

ĐIỆN CỰC VI SINH VẬT (microbial biosensor)

Người ta thường dùng điện cực này để xác định chỉ số BOD (Biochemical Oxygen Demand – nhu cầu Oxy sinh hóa) ( là lượng Oxy do vi sinh vật tiêu thụ để oxy hóa sinh học các chất hữu cơ trong bóng tối ở điều kiện chuẩn về nhiệt độ và thời gian). Nguyên lý hoạt động của điện cực đo BOD: Oxy khuếch tán từ dung dịch bão hòa không khí qua màng thẩm tích đi vào màng có chứa các tế bào vi sinh vật rồi qua màng teflon và cuối cùng chúng bị khử trên bề mặt catod Pt của điện cực oxy. Kết quả là võùn tốc hụ hấp tăng dần cũn nồng độ oxy hòa tan giảm dần, dẫn đến dòng giảm dần cho tới khi đạt đến trạng thái ổn định mới và người ta gọi dòng điện này là dòng đỉnh (pick current).

Sự khác nhau giữa dòng cơ bản và dòng đỉnh được gọi là dòng ra (output), tín hiệu của dòng ra tỷ lệ thuận với nồng độ của các chất hữu cơ bị phân hủy sinh học của mẫu đo.

PHƯƠNG PHÁP CHẾ TẠO BIOSENSOR

• CHỌN LỰA BỘ THỤ CẢM SINH HỌC (Bioreceptor)
• SỰ CỐ ĐỊNH THÀNH PHẦN SINH HỌC LÊN BỘ BIẾN NĂNG
• Cố định Vi sinh vật

Chẳng hạn như vi thể gan có hệ thống enzym monooxidase với cytochrome P 450 xúc tác cho phản ứng oxy hoá nhiều acid béo, hormone steroids… Các cơ quan tế bào được gắn trực tiếp lên bộ biến năng đo dòng điện trong thiết bị Biosensor. • Nếu nó được dùng trong invivo thì cần phải giảm kích thước tối thiểu và đòi hỏi hình dạng của nó phải phù hợp để không phá huỷ mô thực vật-động vật, đồng thời cũng có khả năng loại bỏ độc tố, kim loại hoặc các thành phần đa phân tử ra khỏi bộ biến năng. Guibault và Shu đã chế tạo một điện cực enzym nhạy cảm với ure bằng cách trải một dung dịch huyền phù của enzym urease lên bề mặt của điện cực có màng nilon và bao bọc khít hoàn toàn bằng màng thẩm thấu, sau đó điện cực enzym này được rửa sạch với nước và sẵn sàng để sử dụng.

Thời gian đáp ứng nhanh của Biosensor này có thể đạt được nếu như gắn các mô này trong bột than dạng paste nhằm tạo ra sự tiếp xúc lớn hơn giữa chất xúc tác sinh học và thành phần cảm ứng: Cắt những lát mô và nhồi vào trong hồ vữa, sau đó trộn với dầu khoáng và bột than chì để tạo hỗn hợp nhão và cuối cùng trải đều lên đầu điện cực. Receptor là râu nhỏ của loài cua xanh Callinectes sapidus có sợi thần kinh được sử dụng như bộ biến năng để truyền dẫn xung động thần kinh gây ra bởi khứu giác hay vị giác, chúng được cố định trực tiếp vào điện cực dò Pt của điện cực đo điện thế. Sử dụng receptor acetylcholine có thể xác định acetylcholine bằng cách dò trở kháng đặc trưng so với các bộ truyền thần kinh khác, receptor này được gắn enzym acetylcholinesterase nhạy cảm với hợp chất phosphor hữu cơ và carbamate, receptor được cố định lên bộ biến năng thích hợp bằng cách ngâm đầu nhạy cảm của điện cực vào trong dung dịch liposome chứa receptor.

ĐIỆN CỰC ENZYM

NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG

Phương trình (3) và (4) cho biết nồng độ của cơ chất và sản phẩm ở bề mặt bộ biến năng phụ thuộc vào hằng số Michaelis Km, vận tốc phản ứng cực đại Vm của lớp màng enzym, bề dày của lớp màng và hệ số khuếch tán DS, DP. Nồng độ cơ chất và nồng độ sản phẩm trong một đơn vị thể tích dung dịch là Km, thời gian khuếch tán của cơ chất qua bề dày của lớp màng là e2/DS. Chất ức chế (chất kìm hãm) enzym là những hợp chất hóa học có hình dạng và cấu trúc tương tự như cơ chất, sẽ làm chậm quá trình phản ứng enzym.

Chất kìm hãm này chỉ ảnh hưởng đến giá trị σ (giảm) thông qua Vm, do đó vùng tuyến tính và vùng động học bậc 0 ở mỗi giá trị r là khác nhau.

CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN SỰ TRẢ LỜI CỦA ĐIỆN CỰC ENZYM

Khi nồng độ cơ chất cao, tốc độ biến đổi cơ chất nhanh, do đó phản ứng chỉ xảy ra ở một phần của màng enzym. Xung quanh vùng này, enzym có hoạt tính khác so với hoạt tính enzym cố định, nồng độ sản phẩm tiến tới giá trị [P]e và giá trị này bằng với [S]0 trong mẫu. Do đó không có sự ảnh hưởng của chất ức chế trong vùng này nên có thể loại bỏ ảnh hưởng của chất kìm hãm bằng việc dùng nồng độ enzym cao trong màng.

Cho nên cần sử dụng các enzym có tính đặc hiệu cao với cơ chất cũng như tinh khiết khi cố định lên màng enzym.

ỨNG DỤNG CỦA BIOSENSOR

Điện cực sẽ xác định nồng độ kháng thể tự do (không tạo phức với mycotoxin). Dựa vào đồ thị mycotoxin chuẩn có thể định lượng được mycotoxin có trong mẫu cần phân tích. ỨNG DỤNG TRONG MÔI TRƯỜNG. Nhóm thứ nhất : các chất được định lượng là cơ chất của phản ứng enzym. Nhóm thứ hai: các chất được định lượng là các chất kìm hãm hoạt tính xúc tác của enzym. Ví dụ, các hợp chất cơ phospho và cacbonat. Nhóm thứ ba: nồng độ các ion kim loại dược phát hiện nhờ vào việc chúng liên kết với phần “apoenzym” do đó phục hồi hoạt tính của enzym. a) Định lượng ion kim loại nặng. Các enzym thuộc nhóm metalloenzym cần có các ion kim loại tham gia vào trung tâm hoạt động để duy trì được hoạt tính xúc tác của enzym, do đ1o khi các ion kim loại này bị tách ra khỏi enzym ( ví dụ, do tác dụng của tác nhân tạo phức) thì sẽ làm mất hoạt tính xúc tác của enzym.hoạt tính xúc tác của enzymcó thể phục hồi khi cho enzym tiếp xúc với môi trường chứa ion kim loại thì ion kim loại sẽ thu hút lại vào trung tâm hoạt động của enzym. Việc xỏc định các chất độc này được thực hiện bằng sắc ký lỏng cao áp (HPLC) hoặc sắc ký khối phổ (GC/MS) nhưng thiết bị đắt tiền, phương pháp phức tạp và trình độ kỹ thuật cao. Sử dụng điện cực có gắn enzym cholinesterase dựa vào đặc điểm các chất độc này sẽ kìm hãm enzym này đem lại nhiều thuận lợi trong phân tích. Quá trình phản ứng thủy phân cholin nhờ cholinesterase như sau:. Acetyltiocholin Acetate Tiocholin. Phản ứng oxy hóa tạo thành H+, trên cơ sở đó có thể dùng điện cực pH hay dùng phản ứng oxy hóa tiocholin tại điện cực Pt để xác định hoạt độ enzym. e) Kỹ thuật ELISA trong xác định dư lượng thuốc trừ sâu.

Biosensor đo nồng độ glucose hiện nay có mặt trên thị trường hoạt động theo nguyên tắc như điện cực đo dòng điện, điện cực đo quang nhưng đều dựa trên phản ứng xúc tác oxy hóa với sự có mặt của GOD (glucooxydase). Trong đó đáng chú ý là loại thiết bị cầm tay với loại chip chế tạo trên cơ sở của điện cực chọn lọc ion và điện cực đo dòng điện, kích thước nhỏ, dễ mang theo, tiện sử dụng. b) Đo nồng độ ure.