Việc chế tạo Biosensor bao gồm ba bước: • Chọn lựa bộ thụ cảm sinh học • Chọn lựa bộ biến năng
• Cố định thành phần sinh học lên bộ biến năng.
2.1. CHỌN LỰA BỘ THỤ CẢM SINH HỌC (Bioreceptor):
Bộ thụ cảm sinh học đĩng một vai trị là thiết bị nhận dạng sinh học. Khi cĩ mặt chất cần kiểm tra, bộ thụ cảm sinh học phải tạo ra một hiệu ứng hĩa lý cĩ khả năng phát hiện bởi bộ biến năng. Điều này liên quan nhiều quá trình chẳng hạn như sự xúc tác sinh học, sự cặp đơi miễn dịch hay sự nhận cảm hĩa học.
3.1.1. Enzym:
Chất xúc tác sinh học thường được sử dụng là enzym vì cĩ sẵn trên thị trường, chẳng hạn như glucose oxidase (enzym oxy hĩa glucose) và urease (Enzym thủy phân ure). Các enzym này được thu nhận từ nhiều nguồn sinh học khác nhau và được sử dụng một mình hay kết hợp với cofactor của chúng như NAD+ và NADP+.
Sự sử dụng các enzym thương mại cĩ nhiều thuận lợi chẳng hạn như khả năng sản xuất hàng loạt với những đặc điểm, thời gian sống biết trước và sẵn cĩ. Vì vậy các enzym thương mại đĩng một vai trị quan trọng trong các Biosensor hiện đang cĩ mặt trên thị trường. Nhưng bên cạnh đĩ chúng cĩ những bất lợi như ít bền và khi hoạt động cần cĩ cofactor kết hợp, đồng thời một enzym đơn lẻ thì khơng xúc tác hồn tồn cho một chuỗi phản ứng, vì vậy trong biosensor thường kết hợp nhiều enzym với nhau theo một trình tự hợp lý để đảm bảo sự hoạt động tối ưu của Biosensor.
3.1.2. Vi sinh vật:
Cơ thể vi sinh vật cĩ đầy đủ các enzym và cofactor cần thiết trong một mơi trường đã được tối ưu hĩa. Trong mơi trường thích hợp, Vi sinh vật sẽ sản sinh và đền bù bất cứ sự mất mát hoạt tính của Enzym theo thời gian.
Cĩ thể tận dụng các phần mơ thực vật hay mơ động vật làm nguồn nguyên liệu cung cấp enzym vì chúng cĩ khả năng gắn kết cao, cĩ một cấu trúc đủ mạnh để gắn kết trực tiếp lên bộ biến năng mà khơng cần đến kỹ thuật cố định protein.
• Mơ thực vật – động vật :
Thực vật là nguồn enzym hữu dụng cho hĩa học phân tích. Bằng việc sử dụng bộ biến năng thích hợp, cĩ thể chế tạo Biosensor cĩ tính năng ổn định cao vì các enzym vẫn được duy trì hoạt tính trong mơ thực vật. Tương tự như vậy, mơ động vật được xem như là một bộ thụ cảm sinh học hữu dụng cho sự phát hiện chọn lọc L-amiono acid mà khơng bị ảnh hưởng đáng kể bởi D-amino acid. Để tăng khả năng chọn lọc cĩ thể kết hợp một chất kháng khuẩn để tránh sự nhiễm khuẩn, chẳng hạn như thêm 0.02% NaOH vào điện cực glutamine.
• Bộ phận cơ quan :
Các xúc tác sinh học cũng được tìm thấy trong các cơ quan tế bào như lysosome, lục lạp, thể hạt và vi thể vì chúng chứa nhiều hệ thống enzym được dùng trong biosensor. Chẳng hạn như vi thể gan cĩ hệ thống enzym monooxidase với cytochrome P 450 xúc tác cho phản ứng oxy hố nhiều acid béo, hormone steroids… Các cơ quan tế bào được gắn trực tiếp lên bộ biến năng đo dịng điện trong thiết bị Biosensor.
3.1.4. Tác nhân miễn dịch :
Kháng nguyên và kháng thể cũng được sử dụng làm bộ thụ cảm sinh học. Tính chọn lọc của Biosensor được quyết định bởi kháng thể và tính nhạy cảm được quyết định bởi enzym kết hợp. Kháng thể được cố định vào bộ biến năng nhờ vào kỹ thuật Miễn dịch học Enzym (EIA). Hoặc thay enzym bằng chất mang ion đĩng vai trị như chất trung gian của các quá trình điện hĩa miễn dịch. Kháng nguyên thích hợp với kháng thể được kết hợp với chất mang ion tạo ra sự tiếp hợp được phát hiện bởi bộ biến năng điện hĩa.
3.1.5. Bộ thụ cảm hĩa học:
Màng tế bào cũng được sử dụng do khả năng kích thích hĩa học gây ra sự thay đổi cấu tạo. Các tế bào thần kinh cũng được dùng trong phát hiện thuốc, độc tố hay các chất khác.
Bộ biến năng Biosensor
Enzym Tế bào, vi sinh vật miễn dịchTác nhân Mơ thực vật-động vật Bộ thụ cảm hĩa học Tế bào điện Đo dịng điện xxx xx xx x Đo điện thế xxx xx xx x x Bán dẫn (IFET) xx x Đo nhiệt (Thermistor) x x
Đo quang (sợi
quang học) x x
Aùp điện x x
Cơ hĩa học x
Chú thích: x: Đang nghiên cứu cơ bản
xx: Đã nghiên cứu và phát triển những mẫu đầu tiên xxx: Những thiết bị cĩ mặt trên thị trường
Phụ thuộc vào kiểu phản ứng và từng ứng dụng cụ thể của Biosensor mà chọn bộ biến năng phù hợp.
• Nếu nĩ được dùng trong sinh học thì cần phải đáp ứng các tiêu chuẩn tương ứng như khả năng tách protein, lipid hay tế bào.
• Nếu nĩ được dùng trong invivo thì cần phải giảm kích thước tối thiểu và địi hỏi hình dạng của nĩ phải phù hợp để khơng phá huỷ mơ thực vật-động vật, đồng thời cũng cĩ khả năng loại bỏ độc tố, kim loại hoặc các thành phần đa phân tử ra khỏi bộ biến năng.
Vấn đề tác động hĩa học cũng ảnh hưởng đến sự chọn lựa bộ biến năng. Cĩ thể kết hợp enzym urese vào các điện cực pH, pCO2, hay pNH3. Bộ biến năng tốt nhất cho việc xác định ure trong một mẫu sinh học là các điện cực pCO2, pNH3 bởi chúng cĩ một màng thẩm thấu để loại bỏ tất cả những ảnh hưởng của cation và anion.
• Làm cho enzym trong nhiều trường hợp bền hơn. • Tách phức enzym – chất mang ra khỏi mẫu dễ dàng. • Hoạt độ enzym giữ được ổn định trong một thời gian dài. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Tuy nhiên, việc sử dụng enzym cố định cũng cĩ những hạn chế nhất định như: • Sự chuyển khối bị hạn chế.
• Cĩ thể mất hoạt tính khi cố định. • Khơng cĩ hiệu quả đối với cơ chất rắn. • Mất tính thích nghi hình thể.
Nhưng những hạn chế trên là khơng đáng kể so với những lợi ích mà enzym cố định mang lại. Do vậy ngày càng cĩ nhiều nghiên cứu mới cũng như các cơng nghệ mới để cố định enzym.
Người ta thường cố định các thành phần sinh học lên một chất mang rắn bằng nhiều cách. Trong kỹ thuật cố định, cần đảm bảo những yêu cầu nhất định, nhất là khi các điện cực sinh học (biosensor) được đưa vào sử dụng trong thực tế:
• Các cấu tử sinh học phải giữ được hoạt độ khi gắn trên bề mặt biosensor.
• Màng sinh học phải được gắn chặt với bề mặt cảm biến và vẫn giữ được cấu trúc và chức năng.
• Màng sinh học đã được cố định phải ổn định và bền trong một thời gian dài. • Vật liệu sinh học cần cĩ tính đặc trưng riêng đối với từng cấu tử sinh học.
Để cố định các thành phần sinh học trong Biosensor, người ta thường sử dụng các kỹ thuật như hấp thụ vật lý, bao gĩi trong khuơn gel hoặc trong polymer, liên kết đồng hĩa trị với chất mang và liên kết chéo các protein.
3.3.1. Sự cố định Enzym: