“Giải pháp tạo khuôn phân
tử cho cảm biến sinh học” là sản phẩm của PGS.TS Trương Thị Ngọc Liên cùng nhóm
công tác viên đến từ Viện Vật lý Kỹ
thuật 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.
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.
Quy
trình chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo MIP
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%. 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)
Phòng thông tin KH&CN