Các nhà nghiên cứu thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã tạo được quy trình chế tạo đầu thu nhân tạo dành cho cảm biến sinh học từ khuôn polyme, cho phép thay thế các cảm biến sử dụng phân tử tự nhiên đắt tiền.
Nhóm nghiên cứu đã phát triển được một quy trình sản xuất đầu thu nhân tạo dành cho cảm biến sinh học dựa trên công nghệ polyme in phân tử (Molecularly Imprinted Polymers - MIP) nhằm tạo ra các “khuôn” vừa khớp với hình dạng, kích thước và các nhóm chức của chất cần nhận biết. Tại một số vị trí của “khuôn” có đính các liên kết có tính chọn lọc tương tự như đầu thu sinh học tự nhiên như kháng nguyên, kháng thể hoặc enzyme. Thiết kế này có thể ứng dụng chế tạo cảm biến sinh học sử dụng các lĩnh vực khác nhau trong đời sống như trong kiểm tra an toàn thực phẩm hay chẩn đoán bệnh sớm.
Đầu thu nhân tạo MIP có ưu điểm là tạo ra các khoang bổ trợ có ái lực liên kết mạnh hơn so với các cảm biến miễn dịch sử dụng phân tử tự nhiên, đồng thời lớp polyme bên trong cho phép sử dụng ở các môi trường khắc nghiệt về pH, nhiệt độ hoặc áp suất. Thiết kế của đầu thu cũng cho phép sử dụng được trong nhiều tháng với yêu cầu bảo quản đơn giản hơn so với sử dụng cảm biến có chất sinh học tự nhiên mà không làm giảm hiệu quả sử dụng.
Giải thích về cơ chế của đầu thu nhân tạo này, PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên, Trưởng nhóm nghiên cứu thuộc Viện Vật lý Kỹ thuật, trường ĐH Bách khoa Hà Nội, cho biết: “Quy trình này sử dụng cơ chế bắt chước (mimic) các đối tượng cần đo đạc giúp giảm được rất nhiều chi phí mua kháng nguyên tự nhiên cho các cảm biến sinh học mà vẫn có thể tạo ra hàng ngàn bản sao sử dụng được lâu dài.” Do vậy, quy trình này có thể giúp quá trình xét nghiệm các loại bệnh tật, thực phẩm và môi trường trở nên rẻ hơn, dễ dàng và phổ biến hơn.
Vì nhiều ưu điểm kể trên, trên thế giới, công nghệ MIP đang nổi lên như một ứng cử viên thay thế đáng tin cậy cho các đối tượng sinh học. Tuy nhiên, việc ứng dụng MIP trong cảm biến sinh học vẫn còn một số hạn chế về mặt kỹ thuật khiến chưa thể thương mại hóa rộng rãi.
Một mặt, khả năng tương thích của các mẫu tự nhiên không bền với các điều kiện tạo ra MIP. Mặt khác, vẫn còn khó khăn trong việc phân bổ các khuôn in đồng nhất để khắc phục tình trạng nhiều phân tử bị quấn rối hoặc cùng bám vào một chỗ làm giảm khả năng tương tác đặc hiệu, hay quá trình polyme hóa ngẫu nhiên có thể làm xê dịch phân bổ các khuôn in trong mạng polyme.
Đồng thời, do được in trên nền polyme ít dẫn điện nên MIP không có đặc tính xúc tác, do vậy phải có các phương pháp để kích hoạt tín hiệu điện giữa MIP và phân tử khuôn mẫu. Thêm vào đó, do các khuôn mẫu là phân tử có cấu trúc phức tạp nên MIP tạo ra cũng có dạng đa lớp. Đây là một khó khăn cho quá trình trích xuất mẫu hoàn toàn, bởi nếu các mẫu bị kẹt lại và giải phóng dần dần trong các lần sử dụng MIP khác, bản thân chúng có thể tương tác với các phân tử đích, gây ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến khi phân tích.
Nhóm nghiên cứu đã cố gắng khắc phục những khó khăn trên. Họ tạo ra quy trình cho phép chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP trên nền điện cực mực in carbon (SPCE) được phủ một lớp hạt nano vàng (AuNPs) phân tán trên bề mặt.
Để giảm chi phí phù hợp với điều kiện Việt Nam, các nhà nghiên cứu đã phải nghĩ đến việc sử dụng điện cực in carbon thay vì sử dụng điện cực kim loại, dùng các hạt nano vàng thay vì phủ một lớp vàng mỏng. Tuy vậy, PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên chia sẻ: “Làm việc với vật liệu rẻ tiền như vậy sẽ đòi hỏi kĩ thuật rất khó”.
Một trong những điểm nổi bật nhất của nghiên cứu là thành công trong việc phủ đều được hạt nano vàng lên điện cực carbon vốn dẫn điện kém và khoanh vùng các điểm để các đầu thu sinh học bám lên đó có thể phân tán đồng nhất. Bề mặt phủ nano vàng lên tới 80%. PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên đã từng được mời đến nhiều hội thảo quốc tế quan trọng để chia sẻ về phương pháp này.
Trong phòng thí nghiệm, nhóm nghiên cứu đã chế tạo thử nghiệm một số dạng đầu thu MIP phát hiện kháng sinh nhóm Quinolinone Norfloxacin (NOR), kháng nguyên Enrofloxacin và enzyme HRP - chất nhận biết H2O2. Các cảm biến có thể tái sử dụng tới 5 lần và chi phí chế tạo khoảng 4-7 USD/chiếc.
Nghiên cứu này khởi động từ năm 2016 và đã được Cục Sở hữu trí tuệ (Bộ KH&CN) cấp bằng độc quyền sáng chế số 1-0022078 công bố ngày 25/10/2019. Trường Đại học Bách khoa Hà Nội cho biết đang tìm kiếm đối tác quan tâm đến công nghệ này để chuyển giao tài sản trí tuệ.
Các thành viên nhóm nghiên cứu đầu thu nhân tạo MIP. Từ trái qua Nguyễn Quốc Hảo (thứ 1), Hoàng Trung Anh (thứ 2), Trương Thị Ngọc Liên (thứ 3) và Nguyễn Vũ Quỳnh (thứ 6) | Nguồn: HUST
Quy trình chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP | Nguồn: HUST
(Bài viết được phối hợp thực hiện bởi Cục Sở hữu trí tuệ và Báo Khoa học và Phát triển)