Thiết bị giúp giảm lãng phí khi xét nghiệm vi lượng hóa sinh

Ngày nay, cảm biến sinh học (biosensor) đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành nghề, từ y tế, môi trường, công nghệ sinh học đến tương tác người-máy. Trên cảm biến sinh học có các ‘đầu bắt sinh học’ để dò tìm chất thông qua tương tác đặc hiệu, ví dụ: kháng thể bắt cặp đặc hiệu với kháng nguyên để chỉ điểm ra vị trí khối u ung thư, enzyme glucose oxidase phản ứng với đường glucose trong máu tạo ra H2O2 đặc trưng để xét nghiệm tiểu đường…

Tuy nhiên, các đầu bắt sinh học này thường có giá thành cao, đòi hỏi điều kiện bảo quản khắt khe và dễ bị mất hoạt tính sinh học khi sử dụng các chất hóa học để cố định trên bề mặt điện cực. Thông thường, để gắn đầu bắt sinh học lên bề mặt cảm biến có diện tích 1cm², cần 1-5ml dung dịch chứa đầu bắt (reagent solution), trong đó 80-90% lượng chất lỏng này thường bị rửa trôi đi bởi các đầu bắt không liên kết được hoặc liên kết yếu với bề mặt điện cực.

Để hạn chế lãng phí trên, từ năm 2017, các nhà nghiên cứu của Viện Vật lý Kỹ thuật, trường ĐH Bách khoa Hà Nội (SEP-HUST) đã hợp tác với phòng thử ngiệm nghiên cứu tại trường Đại học Yamanashi (Nhật Bản) để thiết kế một thiết bị sử dụng vi dòng kết hợp quay ly tâm nhằm giải quyết vấn đề giảm lượng chất lãng phí khi gắn các đầu bắt sinh học lên bề mặt cảm biến.

Công nghệ vi dòng (microfluidics) – một công nghệ mới nổi trên thế giới nhưng hứa hẹn sự đột phá trong một loạt lĩnh vực - có khả năng tạo ra các hệ thống (chip) kênh dẫn chất lỏng siêu nhỏ, cho phép điều khiển và thao tác chính xác quá trình đưa chất lỏng chứa mẫu phân tích lên bề mặt điện cực. Tuy nhiên, khó khăn trong chip vi vòng truyền thống là việc sử dụng vi bơm tinh vi có thể bị tắc hoặc hình thành các bóng khí trên bề mặt điện cực, gây ảnh hưởng đến việc cố định các đầu bắt sinh học. Nhóm nghiên cứu đã thay thế bằng một phương pháp vật lí đơn giản nhưng hữu hiệu: lực li tâm.

“Theo cách thông thường phải sử dụng lượng dung dịch rất lớn từ 500-1000 microliter. Chúng tôi nghĩ đến việc dùng lực li tâm để kéo dung dịch vào kênh dẫn đến buồng phản ứng, không cần dùng đến bơm xi lanh. Kết quả đã giảm được lượng dung dịch mẫu chỉ còn 8-10 microliter mà vẫn đảm bảo chất lượng cảm biến”, PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên, Viện Vật lý Kỹ thuật, trường ĐH Bách khoa Hà Nội, đồng tác giả của nghiên cứu, chia sẻ.

Thêm vào đó, do lực “bơm” chất lỏng là lực li tâm nên có thể tổ hợp nhiều linh kiện cảm biến trên cùng một thiết bị mà không làm tăng mức độ phức tạp của hệ và tăng được độ lặp lại của quy trình chế tạo cảm biến, đồng thời loại bỏ hoàn toàn sai phạm khi thao tác bằng tay. Các tác giả cho biết mặc dù thiết bị mẫu hiện tại chỉ thiết kế 1-2 đầu vào (inlets) để gắn mẫu, nhưng từ thiết kế này hệ thống cho phép đặt được ít nhất 4 buồng phản ứng trên mỗi đĩa quay, mỗi buồng có thể cấp khoảng 5 đầu vào.

Hiệu quả của thiết bị vi dòng dùng lực li tâm này đã được kiểm chứng bằng cách so sánh 3 cách gắn mẫu sinh học lên cảm biến: Gắn thủ công bằng ống hút Pipet, gắn bằng phương pháp vi dòng dùng vi bơm và gắn bằng thiết bị vi dòng lắp vào máy ly tâm. Kết quả cho thấy phương pháp thứ ba chỉ sử dụng 1/20 lượng mẫu cần thiết và bằng 1/100 so với lượng dùng nếu làm thủ công; thời gian mỗi lượt gắn dưới 0,2 phút (so với 20-28 phút theo cách thông thường).

Chia sẻ lý do vì sao nảy ra ý tưởng này, nhóm nghiên cứu cho biết khi làm nghiên cứu trong một dự án của Bỉ, họ phải đối mặt với vấn đề chi phí hóa chất rất cao. Các nhà khoa học nước ngoài không bị bó buộc nhiều về tài chính nên họ ít khi phải cân nhắc đến các thiết bị cải tiến. Nhưng trong điều kiện hạn chế trong nước, các thành viên phải tìm cách để tiết kiệm hóa chất, tận dụng chất làm nhiều lần và đo được nhiều mẫu hơn.

Điều này càng có ý nghĩa trong thời kì khuyến khích những mô hình kinh tế tuần hoàn để giảm thiểu áp lực lên nguồn tài nguyên đang ngày càng khan hiếm, đồng thời giảm nguy cơ ô nhiễm môi trường do hóa chất.

Thiết bị và phương pháp gắn mẫu này đã được Cục Sở hữu Trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng sáng chế độc quyền số 21439 vào tháng 8/2019 và trường Đại học Bách khoa đang tìm kiếm đối tác để chuyển giao tài sản trí tuệ này. Nói về tiềm năng nhân rộng, TS. Liên cho biết thiết bị có thể dùng trên các máy quay li tâm cỡ nhỏ sẵn có trong nhiều phòng thí nghiệm hiện nay. Mặc dù ưu tiên áp dụng với cảm biến sinh học sử dụng linh kiện QCM, thiết bị vẫn có thể dùng cho cảm biến sinh học bất kì. Tất cả mẫu sinh học như DNA, Aptamer, Protein, Enzyme, kháng thể đều có thể dùng trong hệ thống này. Kết cấu đơn giản và có khả năng “đóng gói” rẻ tiền của thiết kế được coi là ưu điểm khi cạnh tranh thị trường.

Nguồn: Khoa học & Phát triển