- Máy khuấy từ gia nhiệt Van điều chỉnh
GMR SENSOR
Quá trình đo đạc nồng độ các thực thể sinh học bằng phương pháp sử dụng các hạt từ tính nói chung được chia làm hai giai đoạn: đánh dấu thực thể sinh học cần nghiên cứu và xác định hàm lượng của các thực thể đã được đánh dấu. Việc đánh dấu được thực hiện thông qua các phần tử đánh dấu và các hạt nano từ tính nhờ các phản ứng hóa sinh diễn ra bên trong dung dịch giữa các thực thể và hạt từ tính. Trong hệ miễn dịch nói chung, vị trí liên kết đặc biệt trên bề mặt của tế bào hoặc các thực thể sinh học sẽ được các kháng thể hoặc các phân tử khác (như các hooc-môn hay axit folic) dễ dàng tìm thấy. Các kháng thể sẽ liên kết với các kháng nguyên tạo ra một phản ứng sinh hóa đặc hiệu. Đây là cách hiệu quả và chính xác để đánh dấu tế bào và cũng chính là trọng tâm phương pháp ELISA được sử dụng phổ biến nhất hiện nay. Tương tự như vậy, các hạt từ tính được bao phủ bởi các chất hoạt
GMR SENSOR SENSOR H Từ trường E GMR Từ trở Tín hiệu điện b)
95
hóa bề mặt có vai trò giống như các phân tử trong hệ miễn dịch, có thể tạo ra các liên kết với các tế bào hồng cầu, tế bào ung thư phổi, vi khuẩn, virut, tế bào ung thư đường tiết niệu và thể golgi. Việc áp dụng các kháng thể, kháng nguyên thích hợp cho trường hợp thực thể sinh học là các protein hoặc ADN có thể giúp cho các hoạt chất sinh học này tạo ra liên kết vững chắc với các hạt từ tính. Việc này tạo điều kiện cho quá trình đánh dấu bằng hạt từ được thực hiện dễ dàng theo lược đồ miêu tả quá trình đánh dấu trên Hình 4.4.
Hình 4.4. Lược đồ mô tả quá trình đánh dấu sử dụng hạt nano từ tính (trích từ [15]).
d) kháng thể màu xanh dương bám chặt lên bề mặt của sensor được bù với kháng
nguyên màu vàng; e) các kháng nguyên không bù trừ còn lại được rửa sạch, loại bỏ
ra khỏi dung dịch; f) sau khi bù thêm một lượng các kháng thể thu nhận, các kháng
thể thu nhận biotin hóa (màu cam) bù trừ cho kháng nguyên cần quan tâm tạo ra
kiểu liên kết bánh kẹp, các kháng thể không bù trừ còn lại được rửa sạch khỏi dung
dịch; g) một hạt từ tính mang nhãn streptavidin được đưa vào dung dịch và nó liên
kết với kháng thể thu nhận biotin hóa; h) khi các hạt từ có gắn kháng thể thu nhận
phân tán tới bề mặt của sensor, từ trường mà chúng tạo ra được đo đạc bởi sensor GMR nằm phía dưới theo thời gian thực với sự có mặt của một từ trường ngoài đủ nhỏ.
Như vậy, sau khi được đánh dấu, dung dịch cuối cùng chỉ bao gồm các hạt nano từ có gắn các protein/ADN cần đo đạc. Theo phương pháp này, số lượng hạt nano từ đã gắn kết thành công với thực thể sinh học cần đánh dấu
96
bằng với số lượng thực thể sinh học có mặt trong dung dịch (cặp 1-1: hạt nano-protein/ADN). Quá trình đo đạc hàm lượng được thực hiện nhờ phép đo từ trường tạo ra bởi tập thể các hạt từ tính có đính thực thể sinh học. Ở quá trình này, độ nhạy và độ ổn định của sensor từ sinh học (magneto-biosensor) có vai trò then chốt trong việc xác định chính xác hàm lượng protein/ADN cần phân tích có mặt trong dung dịch [15].
Để có thể đo đạc được từ trường tổng cộng B sinh ra bởi tập thể các hạt nano có mặt trong dung dịch, sensor từ được đặt ngay phía dưới đáy bể chứa dung dịch (xem Hình 4.4). Kháng thể xanh dương (tạm gọi là kháng thể bậc 1) gắn trực tiếp trên bề mặt của sensor và tạo liên kết gián tiếp với hạt nano từ thông qua các thực thể bù trừ khác. Theo cấu hình này, có thể nói rằng các hạt nano từ nằm ngay trên bề mặt sensor từ. Điều này giúp cho sensor thu nhận được tín hiệu từ trường cảm ứng một cách hiệu quả nhất.
Theo [8] và [15], quá trình đo đạc hàm lượng hoạt chất sinh học được thực hiện nhờ các sensor từ trường có sử dụng hiệu ứng từ trở khổng lồ (GMR) được mô tả sơ lược như trên Hình 4.5.
Hình 4.5. Cấu trúc đơn giản miêu tả nguyên tắc hoạt động của một bộ cảm biến từ sinh học [15].
97
Trước tiên, các kháng thể xác định (kháng thể bậc 1) được gắn lên bề mặt của một sensor GMR. Sau đó, bề mặt này được nhúng vào mẫu chất lỏng có chứa phần tử đánh dấu đích (hình trám) là các kháng nguyên, làm cho các phần tử này liên kết với các kháng thể bậc 1 cố định trên sensor. Tiếp theo, sensor được nhúng trong một dung dịch chứa kháng thể bậc hai có liên kết với các biotin. Các kháng thể này cũng tạo liên kết xác định với các kháng nguyên đã bị bẫy trước đó và hình thành liên kết ‘bánh kẹp’. Bước tiếp theo là rửa sensor trong dung dịch chứa các hạt nano từ tính đã có gắn các protein avidin (bao phủ bề mặt). Các avidin kết dính với biotin, do đó kết dính với các hạt nano từ, tạo thành một liên kết chặt với tổ hợp kháng thể-phần tử đánh dấu trên bề mặt của sensor. Cuối cùng, sensor được kích hoạt khi được đặt vào một từ trường ngoài đồng nhất nhằm mục đích xác định độ lớn từ độ của tổng hợp các hạt nano từ có đính các protein trên đó. Độ lớn tín hiệu từ độ tỷ lệ với các liên kết chứa hạt nano từ, do đó chỉ ra độ lớn hàm lượng phần tử đánh dấu trên bề mặt sensor.
Sensor GMR trong đo đạc này sử dụng một dãy các phần tử nhạy từ trường có kích thước vài trăm nanomet được kết nối với nhau và sắp xếp dạng mảng 8×8 tạo ra một đầu dò siêu nhạy với từ trường cần đo. Ưu điểm của việc sử dụng loại sensor này là có độ nhạy vượt trội (gấp hàng ngàn lần) so với ở phương pháp ELISA, đồng thời nó cho phép xác định nhiều loại dung dịch sinh hóa khác nhau, mỗi loại một lần, trên cùng một sensor. Tuy nhiên, việc sử dụng công nghệ micro (MEMS) và công nghệ nano (NEMS) trong chế tạo phần tử nhạy từ trường như trên là khó khả thi, thậm chí không thể thực hiện được trong điều kiện Việt Nam hiện nay.
Trên thực tế, có 2 cách sắp xếp cấu hình đo đạc cho hệ sinh học loại này. Cách thứ nhất giống với cấu hình trên Hình 4.5: sensor từ trường đặt
98
trong dung dịch cần đo. Cách thứ hai: sensor đặt ngoài dung dịch cần đo. Sơ đồ đơn giản của hai cấu hình này được trình bày trên Hình 4.6.
Giải pháp đưa ra trong đề tài này là sử dụng một sensor từ trường siêu nhạy tích hợp với hệ sinh học theo một cấu hình gián tiếp: sensor đặt ngoài dung dịch sinh học, như cấu hình trên Hình 4.6a. Với cấu hình này, nhiều hệ hoạt chất sinh học đã được đánh dấu có thể được xác định trong một khoảng thời gian ngắn do không phải thay đổi cách bố trí thí đo đạc; hơn nữa lại có thể chỉ sử dụng một sensor duy nhất. Điều này giúp tiết kiệm thời gian và chi phí so với cấu hình Hình 4.6b). Tuy nhiên, do có một khoảng cách nhất định từ các hạt nano từ đến bề mặt sensor nên từ trường B mà sensor đo được trong cấu hình này sẽ có giá trị nhỏ hơn rất nhiều. Điều này dẫn tới hệ quả là sensor sử dụng cần có độ nhạy cao hơn so với trường hợp đặt sensor trong dung dịch.
Magneto‐biosensor Magneto‐biosensor Đ g n kháng th
ban đ u