Chương 1 - Giới thiệu Biosensor-đã gộp.pdf

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC GV. TSĐoàn GV.TS ĐoànNgọc NgọcTrà TràMy My Bộ môn Môn Công Công nghệ sinh sinh học –- Khoa Hoá  TS. Đoàn Ngọc...

CHƯƠNG I GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC GV. TSĐoàn GV.TS ĐoànNgọc NgọcTrà TràMy My Bộ môn Môn Công Công nghệ sinh sinh học –- Khoa Hoá  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học LLO – CDR Chương I 1 2 3 Hiểu được được các Khái niệm và các cột mốc, Mô tả nguyên lý đặc điểm và yêu cầu các định nghĩa chung của hoạt động của của một cảm biến của Cảm biến sinh học cảm biến sinh học sinh học 2  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học NỘI DUNG CHƯƠNG I I. Khái niệm chung II. Lịch sử phát triển III.Nguyên lý hoạt động IV.Đặc điểm và yêu cầu V. Ứng dụng VI.Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 3  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Khái niệm ❑Sensor (Cảm biến) Là một thiết bị, mô-đun, máy hoặc hệ thống dùng để nhận biết hoặc phát hiện các sự thay đổi vật lý (ánh sáng, nhiệt, dòng điện…) sau đó chuyển đổi thành tín hiệu đọc được và gửi thông tin đến các thiết bị điện tử khác, thường là bộ xử lý máy tính để theo dõi và xử lý khi có vấn đề. 4  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Khái niệm ❑Biosensor (Cảm biến sinh học) Là thiết bị cảm ứng đo các phản ứng sinh học hoặc hoá học bằng cách tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích. 5  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Khái niệm ❑Cảm biến sinh học được sử dụng trong rất nhiều trong Y học : ✓Theo dõi bệnh ✓Phát hiện thuốc ✓Phát hiện vi sinh vật gây bệnh ✓Phát hiện các dấu hiệu gây bệnh ✓Dịch cơ thể (máu, nước tiểu, nước bọt, mồ hôi) 6  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Cảm biến sinh học Ưu điểm : Tiện lợi, nhanh chóng, chính xác. Nhược điểm : Không thể theo dõi liên tục, phải chích máu, nguy cơ nhiễm trùng, giấy test dùng một lần và HSD ngắn. Blood glucose biosensor (Invasif blood glucose detection) Non-Invasif Glucose biosensor 7  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Wearable high specificity speed portabolity. Non invasive chemical analysis sweat tears Saliva Advantages minimal risk of harm or infection more user-friendly. Kim, Jayoung; Campbell, Alan S.; de Ávila, Berta Esteban-Fernández; Wang, Joseph (2019). Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 8  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Epidermal biosensor for real-time monitoring of sweat chemistry a. Glucose, lactat, natri, kali và To b. Theo dõi tiểu đường (graphene) c. Glucose d. Lactate và ECG (hoá học-điện) e. Lấy mẫu mồ hôi & phân tích điện thoại thông mình f. Đo Cl, Na, Zn với đầu dò huỳnh quang g. IL-6 và cortisol h. Piezoelectric biosensor i. Phát hiện Tyrosinase (cancer biomarker) Kim, Jayoung; Campbell, Alan S.; de Ávila, Berta Esteban-Fernández; Wang, Joseph (2019). Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. 9  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Tear-based biosensor Kim, Jayoung; Campbell, Alan S.; de Ávila, Berta Esteban-Fernández; Wang, Joseph (2019). Wearable biosensors for healthcare monitoring. Nature Biotechnology. a. Phát hiện glucose (Google và Novartis) c,d. Nền tảng tích hợp trong suốt ko cản trở tầm nhìn b. Hệ thống cảm biến tích hợp e. Cảm biến điện hoá Noviosensor 10  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Saliva-based biosensor a. Phát hiện acid uric b. Cảm biến glucose tích hợp dụng cụ bảo vệ răng c. Cảm biến phát hiện đường, rượu, độ mặn, độ pH và nhiệt độ d. Cảm biến Na điện hoá không dây Kim, Jayoung; Campbell, Alan S.; de Ávila, Berta Esteban-Fernández; Wang, Joseph (2019). Wearable biosensors for healthcare monitoring. 11 Nature Biotechnology.  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học II. Lịch sử phát triển ❑1906 : [acid trong chất lỏng] // [Electric potential] (M. Cremer) ❑1909 : Khái niệm pH (Søren Peder Lauritz Sørensen) ❑1922 : Điện cực đo pH (W.S. Hughes) ❑1956 : Cảm biến sinh học đầu tiên để phát hiện oxy (Leland C.Clark) ❑1962 : Cảm biến sinh học điện thế phát hiện glucose (Leland C.Clark) Leland C.Clark (1918-2005) 12  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học II. Lịch sử phát triển 13  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học II. Lịch sử phát triển 2005-2015 : 84.000 báo cáo về chủ để cảm biến sinh học 14  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học III. Nguyên lý hoạt động Là một thiết bị dùng để nhận biết hoặc phát hiện các phản ứng sinh học sau đó chuyển đổi thành tín hiệu đọc được và gửi thông tin đến các thiết bị điện tử khác, thường là bộ xử lý máy tính để theo dõi và xử lý khi có vấn đề. Tín hiệu tiêu chuẩn hoá 4-20mA 3-15psig (0,2 – 1 barg) ADC (Analog to Digital Conversion) DAC (Digital to Analog Conversion) 15  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học (1) Bioreceptor ❑Cơ quan cảm thụ sinh học/Bộ nhận biết sinh học/ Đầu dò ❑Yếu tố đầu tiên đóng vai trò chủ chốt của Biosensor ❑Thụ thể (Receptor) có thể nhận biết đặc hiệu các chất phân tích bằng nhận dạng sinh học (biorecognition). ❑Nhận dạng sinh học tạo ra sự thay đổi tín hiệu vật lý ánh sáng nhiệt pH điện tích khối lượng 16  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các tương tác của nhận biết sinh học Các dạng tương tác nhận biết sinh học trong cảm biến sinh học bao gồm những gì? Piroozmand, Firoozeh & Mohammadipanah, Fatemeh & Faridbod, Farnoush. (2020). Emerging biosensors in detection of natural products. Synthetic and systems biotechnology. 5. 293-303. 10.1016/j.synbio.2020.08.002. 17  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác của enzyme và substrat Các liên kết không cộng hoá trị (non-covalent interaction) Liên kết hydro (Hydrogen bonding) Liên kết ion (Ionic interaction) Liên kết kỵ nước (Hydrophobic interaction) Tương tác vanderwalls (Vanderwalls interaction) 18  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác của DNA-protein Các liên kết không cộng hoá trị (non-covalent interaction) Electrostatic interactions (salt bridges) Hydrogen bonding Hydrophobic interactions 19  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác của DNA-DNA Các liên kết không cộng hoá trị (covalent interaction) Hydrogen bonding 20  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác kháng nguyên – kháng thể Các liên kết không cộng hoá trị (covalent interaction) Hydrogen bonding Ionic bond Hydrophobic interaction Vanderwaals interaction 21  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học (2) Transudcer ❑Chuyển đổi các tín hiệu vật lý thành tín hiệu điện đo lường được (tín hiệu hoá) ❑Tín hiệu điện ↑ ↑ lượng tương tác giữa chất phân tích và thụ thể sinh học 22  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV. Đặc điểm và yêu cầu của cảm biến sinh học 1. Độ chọn lọc (Selectivity = Specificity) 2. Độ lặp lại (Reproductibility) 3. Độ ổn định (Stability) 4. Độ nhạy cảm (Sensitivity) 5. Độ tuyến tính (Linearity) 23  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV.1 Độ chọn lọc (Selectivity) ❑Đặc hiệu (Specificity) ❑Đặc điểm quan trọng nhất của cảm biến sinh học ❑Khả năng của bioreceptor phát hiện chất phân tích cụ thể trong mẫu có chứa các tạp chất và chất gây ô nhiễm khác. ❑Tỷ lệ của tín hiệu đầu ra của chất phân tích và chất gây nhiễu cùng nồng độ. ❑Yếu tố chính cân nhắc khi lựa chọn bioreceptor để chế tạo biosensor. 24  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV.2. Tính lặp lại (Reproductibility) ❑Khả năng tạo ra các kết quả giống nhau của một phép đo. ❑Thước đo độ lệch trong các kết quả thực hiện trong 1 khoảng thời gian ❑Đặc trưng cho độ chính xác (precision) và chuẩn xác (accuracy) của bioreceptor và transducer. ❑Tính lặp lại cao = Độ tin cậy cao 25  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV.3. Độ ổn định (Stability) ❑Mức độ nhạy cảm với các yếu tố nhiễu bên ngoài và xung quanh hệ thống cảm biến ✓sai lệch trong tín hiệu đầu ra ✓ảnh hưởng độ chính xác và độ tin cậy của CBSH ❑Các yếu tố nhiễu ✓Độ khuyếch tán của chất nền và điều kiện hoạt động (thành phần đệm, độ pH) ✓Nhiệt độ ✓Ái lực của thụ thể sinh học ✓Suy thoái của bioreceptor theo thời gian ❑Quan trọng trong các cảm biến sinh học yêu cầu thời gian ủ lâu hoặc theo dõi liên tục. 26  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV.4 Độ nhạy (Sensitivity) ❑Lượng chất phân tích tối thiểu (tín hiệu đầu vào) cần thiết để tạo tín hiệu đầu ra – Limits of detection ❑Các cảm biến sinh học sử dụng trong giám sát y tế và môi trường cần có độ nhạy cao (ng/ml – fg/ml) ✓Xác định nồng độ kháng nguyên đặc hiêu của tuyến tiền liêt đến 4 ng/ml → sinht thiết ❑Phụ thuộc độ lệch chuẩn của phép đo. 27  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV.5. Độ tuyến tính (Linearity) ❑Phạm vi tuyến tính = phạm vi nồng độ chất phân tích trong đó phản ứng của cảm biến thay đổi tuyến tính. ❑ Biểu thức : y=mc ✓c : nồng độ chât phân tích ✓y : tín hiệu đầu ra ✓m : độ nhạy ❑Độ chính xác của phản ứng được đo. ❑Limit of detection (LOD) ❑Limit of quantification (LOQ) 28  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IV. Đặc điểm và yêu cầu của cảm biến sinh học 1. Độ chọn lọc (Selectivity = Specificity) 2. Độ lặp lại (Reproductibility) 3. Độ ổn định (Stability) 4. Độ nhạy cảm (Sensitivity) 5. Độ tuyến tính (Linearity) 6. Thời gian phản hồi ngắn 7. Nhỏ gọn (Portable) 8. Đeo được (Wearable) 9. Đo thời gian thực (Real-time analysis) 10.Không xâm lấn (Non invasif) 29  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học V. Ứng dụng ❑Mục đích chính : Phát hiện các phân tử sinh học ❑Phạm vi ứng dụng rộng → mục đích cải thiện chất lượng cuộc sống. ✓Kiểm soát môi trường : ô nhiễm nước (nitrate, phosphate) ✓Y tế : Phát hiện bệnh (mầm bệnh và tế bào ung thư), các chất chuyển hoá độc hại, theo dõi glucose, cholesterol, đo lượng vitamin, acid folic… ✓An toàn thực phẩm : kiểm soát phát triển vi sinh vật trong quá trình lên men thực phẩm. ✓Nông nghiệp : mức độ thuốc trừ sâu, nồng độ chất dinh dưỡng, pH và vi sinh vật có hại trong đất. 30  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Nanosensor ❑Ưu điểm ✓Tỷ lệ bề mặt trên thể tích của vùng hoạt động cảm biến tăng lên → Liên kết ko đặc hiệu giảm → Tăng hiệu quả liên kết với phân tử mục tiêu. ✓Tỷ lệ tín hiệu nhiễu thấp ✓Thể tích mẫu nhỏ hơn → Chi phí xét nghiệm thấp ✓Cảm biến điện hoá nano : diện tích điện cực giảm → động học truyền electron tăng ❑Vật liệu nano (Nanomaterials) → Bề mặt tiếp xúc lớn → LOD thấp ✓Gaphene : dạng tinh khiết carbon sx thành một tấm dày nguyên tử ✓Graphene oxide ✓Ông nanocarbon (carbon nanotubes) 31  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Challenges in biosensing research ❑Khó khăn trong việc chuyển đổi nghiên cứu học thuật thành các nguyên mẫu khả thi về mặt thương mại theo ngành ❑Vấn đề pháp lý phức tạp trong các ứng dụng lâm sàng ❑Ít nghiên cứu có nền tảng về công nghệ cảm biến sinh học hoặc thu hút các nhà nghiên cứu từ các ngành khoa học và kỹ thuật khác nhau để làm việc cùng nhau. ❑Các cơ quan tài trợ và chính trị. 32  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Challenges in biosensing research ❑Đòi hỏi sự tương tác của nhiều ngành khác nhau và dựa trên những khía cạnh rất riêng biệt : ✓nghiên cứu tương tác của các thành phần nhận dạng sinh học với các chất phân tích phân tử sinh học ✓cố định các phân tử sinh học trên bề mặt rắn ✓phát triển hóa học bề mặt chống bám bẩn ✓thiết kế và chế tạo thiết bị ✓tích hợp sinh học với các thiết bị, vi lưu, điện tử trên chip ✓đóng gói ✓kỹ thuật lấy mẫu… 33  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự ánLOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Challenges in biosensing research ❑Sự phát triển nhanh chóng trong lĩnh vực cảm biến sinh học trong những thập kỷ qua, cả ở cấp độ nghiên cứu và phát triển sản phẩm, chủ yếu là do: ✓(i) sự phát triển trong công nghệ thu nhỏ và chế tạo vi mô; ✓(ii) việc sử dụng các phân tử nhận dạng sinh học mới; ✓(iii) vật liệu nano và thiết bị có cấu trúc nano mới; ✓(iv) sự tương tác tốt hơn giữa các nhà khoa học về sự sống và các nhà khoa học kỹ thuật/vật lý. 34  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học VI. Tình hình nghiên cứu CBSH ở Việt Nam ❑Thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học trong nước → nhiều đề tài/dự án được thực hiện và đạt được nhiều kết quả triển vọng. ❑Việc biến các thành tựu khoa học này thành những sản phẩm để đưa ra thị trường còn hạn chế. ❑Một số kết quả nghiên cứu liên quan : ✓Đại học Khoa học tự nhiên – Đại học Quốc gia HN : Cảm biến sinh học điện hoá để phát hiện glucsoé bằng cách sử dụng nano oxide kẽm. ✓Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam : Nghiên cứu vật liệu nano carbone trong CBSH phát hiện du lượng thuốc bảo vệ thực vật trong nông sản. ✓Trung câm Nghiên cứu triển khi hợp tác Trung tâm nghiên cứu và đào taọ thiết kế vi mạch (DHQGHCM) : Chế tạo linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (QCM) ứng dụng trong CBSH. 35  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Take home message ❑Cảm biến sinh học là thiết bị cảm ứng đo các phản ứng sinh học hoặc hoá học bằng cách tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích. ❑Leland C.Clark được xem là cha đẻ của cảm biến sinh học dùng để phát hiện O2 và sau đó là glucose trong máu. ❑Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ✓3 bước : nhận dạng, chuyển đổi, xử lý và hiển thị ❑Các đặc điểm và yêu cầu cần có của 1 cảm biến sinh học : độ đặc hiệu cao, độ nhạy cao, độ tuyến tính cao, tính lặp và độ ổn định cao. ❑Ứng dụng rộng rãi, phổ biến và ngày càng được quan tâm, phát triển ❑Nanosensor 36  CHƯƠNG II PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SINH HỌC GV. TSĐoàn GV.TS ĐoànNgọc NgọcTrà TràMy My Bộ môn Môn Công Công nghệ sinh sinh học –- Khoa Hoá  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học LLO – CDR Bài học 1 2 Phân loại các cảm biến Mô tả nguyên lý hoạt động của cảm sinh học biến sinh học khác nhau 2  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Là thiết bị cảm ứng đo các phản ứng sinh học hoặc hoá học bằng cách tạo ra tín hiệu tỷ lệ thuận với nồng độ chất phân tích. 3  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học NỘI DUNG CHƯƠNG II I. Phân loại theo cơ quan thụ cảm sinh học (Bioreceptor) II. Phân loại theo bộ chuyển đổi (Transducer) 4  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các phương pháp phát hiện virus ❑Phát hiện virus SARS-CoV-2 ❑Nhiều hạn chế : ✓ Độ chính xác và độ nhạy thấp hơn ✓ Sự cần thiết của việc chuẩn bị và tinh chế mẫu ✓ Mất thời gian ✓ Chi phí thiết bị, phụ kiện và bảo trì cao hơn ✓ Tính sẵn có trên quy mô lớn ✓ Hoạt động phức tạp của các thiết bị ✓ Đòi hỏi đội ngũ nhân viên kỹ thuật có trình độ cao ✓ Không phù hợp để phân tích nhanh tại chỗ 5 Samson, R., Navale, G.R. & Dharne, M.S. Biosensors: frontiers in rapid detection of COVID-19. 3 Biotech 10, 385 (2020). https://doi.org/10.1007/s13205-020-02369-0  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự ánLOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Phân loại các cảm biến sinh học theo Bioreceptor Cảm biến sinh học dựa vào tương Cảm biến sinh học dựa vào phản tác ái lực (Affinity Biosensor) ứng xúc tác (Catalytic Sensor) 1. Kháng 2. Acid 3. Aptamer 4. MIP 4. Enzyme 5. Whole cell thể nucleic 6  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học SARS-CoV-2 và các điểm mục tiêu Các xét nghiệm chẩn đoán hiện nay ❑phát hiện bộ gen virus : lai hoá giữa trình tự bổ sung ❑phát hiện protein kháng nguyên : sự tương tác của kháng thể- kháng nguyên. ❑phát hiện kháng thể : sự tương tác của kháng thể- kháng nguyên. Lim, W.Y.; Lan, B.L.; Ramakrishnan, N. Emerging Biosensors to Detect Severe Acute Respiratory Syndrome Coronavirus 2 (SARS-CoV-2): A Review. Biosensors 2021, 11, 434. 7  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.1. Cảm biến sinh học miễn dịch (ImmunoSensor) ❑Bioreceptor = Kháng thể (Antibody) ❑Antibody-based Sensor = Immunosensor ❑Được sử dụng để phát hiện kháng nguyên cụ thể = Xét nghiệm miễn dịch (Immunoassay) 8  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.1. Cảm biến sinh học miễn dịch (ImmunoSensor) ❑Bioreceptor = Kháng thể (Antibody) ❑Được sử dụng để phát hiện kháng nguyên cụ thể = Xét nghiệm miễn dịch (Immunoassay) Paratope Epitope Polyclonal Ab Monoclonal Ab Cross-activity Affinity Avidity 9  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác kháng nguyên – kháng thể Các liên kết không cộng hoá trị (covalent interaction) Hydrogen bonding Ionic bond Hydrophobic interaction Vanderwaals interaction 10  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Immunoassay - ELISA Ưu điểm của Streptavidine – Biotin ??? 11  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Streptavitin – Biotin complex 12  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Streptavitin – Biotin complex Nhược điểm của Streptavidine – Biotin ??? 13  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Lưu ý khi sử dụng ❑Nguồn gốc Biotin : Vitamine B7 (Vitamine H) ❑Tất cả các tế bào sống đều có biotin mặc dù hàm lượng nhỏ nhưng rất quan trọng đối với một số quá trình sinh học bao gồm sự phát triển của tế bào và chu trình axit citric. ❑Sai số trên các mô và chiết xuất giàu biotin. 14  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Immunoassay - ELISPOT 15  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học LFA (Lateral-flow Assay) ❑Xét nghiệm miễn dịch sắc tố dòng chảy bên (Lateral flow immunochromatic asay) ❑Một dạng cảm biến sinh học miễn dịch đơn giản ❑Ví dụ điển hình là gi? Que thử thai (Pregnacy test) 16  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học LFA principle Sample : Liquid (blood or urine) Analyte : hCG (humain chorionic ganodotropin) In inlet : anti-hCG AuNP Line test : anti-target Ag Antibody Line control : anti-Ig Antibody 17  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Immunoglobulin detection Ưu điểm Thời gian cho kết quả : 20min Độ chính xác : 90% Nhược điểm Âm tính với bệnh nhân mới nhiễm Dương tính với bệnh nhân đã nhiễm 18  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.1.1 Immunoglobulin detection Delphine Sterlin et al. IgA dominates the early neutralizing antibody response to SARS-CoV-2.Sci. Transl. Med.13,eabd2223(2021). DOI:10.1126/scitranslmed.abd2223 19  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.1.2 Viral protein dection Hussein, H.A., Kandeil, A., Gomaa, M. et al. Double-antibody-based nano-biosensing system for the onsite monitoring of SARS-CoV-2 variants. Microsyst Nanoeng 9, 105 (2023). https://doi.org/10.1038/s41378-023-00578-0 20  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Một số ứng dụng của Immunosensor ❑Biomarker diseases → Medical/Clinical applications ❑Pathogens (bacteria, virus,….) → Food, Environmental… applications ❑Insecticides residues (Malathion) → Agricilture applications 21  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Biomarkers ❑In blood, urine, sweat, tears… ❑AFP : liver-ovarian-testicular cancer (LOD 0.05 ng/mL) ❑CEA (coloreCarcino-embryonic antigen) : Breast Colorectal and Pancreatic, Liver, Lung, Ovarian, Colon, Bladder ❑IL-6 : Rheumatoid arthritis, SLE (LOD 10 fg/mL) 22  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Bacteria Antigen 23  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Anti-pesticide antibody Pesticide : insecticides, fungicides, bactericides, herbicides or rodenticides OP : AchE (irreversible) Cabamate : AchE (reversible) 24 Pyrethrin : Na+ channels  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Anti-pesticide antibody Pesticide : insecticides, fungicides, bactericides, herbicides or rodenticides OP : AchE (irreversible) Cabamate : AchE (reversible) 25 Pyrethrin : Na+ channels  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.2. Phát hiện Acid nucleic bằng PCR Hạn chế : chuyên gia có trình độ thuốc thử đắt tiền cơ sở vật chất chuyên dụng khả năng tiếp cận thấp thời gian phản hồi lâu 26  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Gen ❑Chứa thông tin để tổng hợp protein. ❑Nucleotide-based sensing (NABSs) = Genosensor ❑Target : Nucleic acid (DNA/RNA) ❑Principle : Hybridization 27  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác của DNA-DNA Các liên kết không cộng hoá trị (covalent interaction) Hydrogen bonding 28  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.2. Genosensor ❑Bioreceptor = ssDNA = capture probe (conjugated with biotin) ❑Ứng dụng : ✓theo dõi các tác nhân truyền nhiễm với độ nhạy cực cao ✓phương pháp chẩn đoán để nhận dạng các vi sinh vật gây bệnh (virus, vi khuẩn, nấm) trong các mẫu lâm sàng. ❑Ưu điểm ✓Độ đặc hiệu cao ✓Độ nhạy cao trong giai đoạn đầu của bệnh nhiễm trùng → ưa chuộng hơn các kỹ thuật khác. 29  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.2. Genosensor Bioreceptor : ssDNA Target : Nucleic acid (DNA/RNA) Principle : Hybridization 30  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Ưu điểm Phát hiện các chuỗi DNA hoặc ssRNA SARS-CoV-2 có độ dài khác nhau LOD thấp 22,2 fM Phát hiện các đột biến điểm trong bộ gen của SARS-CoV-2 có khả năng lây nhiễm cao : Alpha, Beta, Gamma, Delta và Omicron. 31  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Một số ứng dụng của Genosensor ❑Viral infection ✓Plants breeding ▪ Virus affect fruit trees (Plum Pox virus) ✓Food safety ▪ GMO plants ✓Quality control ▪ Foodborn pathogens (Listeria monocytogenes, Vibrio cholera, Escherichia coli…) 32  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Phân loại các cảm biến sinh học theo Bioreceptor Cảm biến sinh học dựa vào tương Cảm biến sinh học dựa vào phản tác ái lực (Affinity Biosensor) ứng xúc tác (Catalytic Sensor) 1. Kháng 2. Acid 3. Aptamer 4. MIP 5. Enzyme 6. Whole cell thể nucleic (Microbial Sensor) Nhược điểm : Natural bioreceptor Khả năng sản xuất thấp Độ ổn định kém Khó nhận biết một số phân tử có kích thước nhỏ 33  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I. Phân loại các cảm biến sinh học theo Bioreceptor Cảm biến sinh học dựa vào tương Cảm biến sinh học dựa vào phản tác ái lực (Affinity Biosensor) ứng xúc tác (Catalytic Sensor) 1. Kháng 2. Acid 3. Aptamer 4. MIP 5. Enzyme 6. Whole cell thể nucleic (Microbial Sensor) Natural bioreceptor Synthetic bioreceptor 34  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.3. Aptamer ❑Aptamer : Ellington, 1990. ❑ssDNA/RNA nhân tạo (20-100nt) ❑Artifical antibody ❑Liên kết với các protein đích trong cấu trúc 3D ✓Các phân tử, protein và các chất phân tích nhỏ và phức tạp ❑Phân lập từ ngân hàng oligonucleotide (1013-1016) thông qua quá trình SELEX (Systematic Evolution of Ligands by Exponential enrichment)  chọn lọc aptamer có tính đặc hiệu cao  Độ đặc hiệu và ái lực của aptamer ∈ cấu trúc 3D mục tiêu  Lựa chọn aptamer trong điều kiện sinh lý tiêu chuẩn Nimjee SM, White RR, Becker RC, Sullenger BA. Aptamers as Therapeutics. Annu Rev Pharmacol Toxicol. 2017 Jan 6;57:61-79. doi: 35 10.1146/annurev-pharmtox-010716-104558. PMID: 28061688; PMCID: PMC6035745.  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học IP-SELEX (Immunoprecipitation SELEX) ❑Thêm bước kết tủa miễn dịch → Thu nhận các complex Aptamer-protein target ở cấu trúc tự nhiên trong điều kiện sinh lý bình thường. ✓Các tế bào ủ với thư viện ssDNA trong đệm và điều kiện phù hơp ✓Phá vỡ tế bào → Protein kết tủa miễn dịch với các hạt phủ kháng thể ✓Rửa → Phức hợp protein-aptamer ✓Rửa → Tách DNA → PCR → vòng lưạ chọn tiếp theo → độ đặc hiệu và ái lực cao ✓Xác định bằng cách giải trình tự ❑Ví dụ : anti-CD8 aptamer 36  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Capture-SELEX ❑Trong SELEX thông thường : cố định mục tiêu ở trên bề mặt rắn ❑Capture SELEX : mục tiêu phân từ nhỏ hoà tan ❑Vd : Nhận biết các dư lượng kháng sinh penicillin, aminoglycoside,… 37  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Cell-SELEX 38  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Animal-SELEX ❑Mục tiêu dương tính : mô hình chuột nhiễm bệnh hoặc bị ung thư ❑Vi du : các aptamer nhận biết các protein đích từ mô não chuột. 39  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Aptasensor ❑Bioreceptor : Aptamer ✓RNA dễ bị phân huỷ → DNA +++ ❑Nhiều ưu điểm : ✓Các bước tổng hợp đơn giản ✓Cấu trúc hoá học DNA ổn định ở nhiệt độ, pH cao → tái sử dụng → chi phí thấp ✓Dễ thay đổi ✓Cấu trúc nhỏ → mật độ bề mặt cao (high surface density) → LOD thấp (nM-pM. 40  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Các lực tương tác của DNA-protein Các liên kết không cộng hoá trị (non-covalent interaction) Electrostatic interactions (salt bridges) Hydrogen bonding Hydrophobic interactions 41  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.3. Aptasensor ❑Phổ biến trong các ứng dụng cảm biến sinh học nhận biết vi khuẩn hoặc sản phẩm vi khuẩn gây bệnh. 42  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Aptasensor phát hiện Staphylococcus aureus Mahin Shahdordizadeh, Seyed Mohammad Taghdisi, Najmeh Ansari, Fatemeh Alebooye Langroodi, Khalil Abnous, Mohammad Ramezani, Aptamer based biosensors 43 for detection of Staphylococcus aureus, Sensors and Actuators B: Chemical, Volume 241, 2017, Pages 619 -635,  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Aptasensor phát hiện Staphylococcus aureus Chen, Wei & Lai, Qingteng & Zhang, Yanke & Liu, Zhengchun. (2022). Recent Advances in Aptasensors For Rapid and Sensitive Detection of Staphylococcus 44 Aureus. Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 10. 889431. 10.3389/fbioe.2022.889431.  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Aptasensor vs Immunosensor 45  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Một số ứng dụng của aptasensor ❑Như Immunosensor ✓Biomarker disease : cancer, metabolic diseases, inflammation ✓Food safety ▪ Bacteria :E.coli, Staphyloccocus Aureaus, HIV ▪ Parasistes : Trypanosoma spp, Leishmania spp. , Plasmodium spp ✓Environmental contaminant ▪ Antibiotics : Chloramphenico, Tetracyclines ▪ Heavy metals : Hg, As, Cu, Pb ▪ Toxines : Bacterial endotoxines, bisphenol A, pesticides ▪ Pathogens 46  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Aptamer target therapy 47 Zhu G, Chen X. Aptamer-based targeted therapy. Adv Drug Deliv Rev. 2018 Sep;134:65-78. doi: 10.1016/j.addr.2018.08.005. Epub 2018 Aug 17. PMID: 30125604; PMCID: PMC6239901.  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học RNA interference (RNAi) ❑Phân loại và cơ chế hoạt động của RNAi ❑Xem video ❑https://www.youtube.com/watch?v=cK-OGB1_ELE 48  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.4 MIP ❑Molecular Imprinted Polymer : Wulff và Sarhan (1972) ❑ Molecular Imprinting : Kỹ thuật nhận dạng vị trí nhân tạo (artificial recognition sites) cho các chất phân tích trên vật liệu polymer 49  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.4 MIP ❑Molecular Imprinted Polymer : Wulff và Sarhan (1972) ❑ Molecular Imprinting : Kỹ thuật nhận dạng vị trí nhân tạo (artificial recognition sites) cho các chất phân tích trên vật liệu polymer 50  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.4 MIP Mazzotta, E., Di Giulio, T. & Malitesta, C. Electrochemical sensing of macromolecules based on molecularly imprinted polymers: challenges, successful strategies, an d opportunities. Anal Bioanal Chem 414, 5165–5200 (2022). https://doi.org/10.1007/s00216-022-03981-0 51  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học I.4. MIP ❑Thay thế kháng thể tự nhiên ❑Ưu điểm : ✓Độ ổn định cao ✓Độ đặc hiệu cao ✓Thời gian tổng hợp ngắn ✓Chi phí thấp 52  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Wearable tattoo biosensor for the analysis of human sweat Ag nanowires (AgNWs) Monitoring lactate in sweat LOD = 0,22uM at concentration ranging from 10-6M to 0,1M. High sensivity, high slectivity 53 TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học 54  TS. Đoàn Ngọc KhoaTràQuảnMy lý Dự án LOGO KHOA Tiến sĩ Nguyễn Văn A Bộ môn Công nghệ sinh học Một số ứng dụng của MIP biosensor 55