General of Biosensor ©2019. Vu Tien Lam. All Rights Reserved.

1. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
BIOSENSOR
(CẢM BIẾN SINH HỌC)
Giảng viên: PGS.TS. Đặng Đức Vượng
Sinh viên thực hiện:
Vũ Tiến Lâm - 20162335
Hà Nội, 2019

2. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Nội dung
1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA CBSH
2. CẤU TẠO CHUNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC
3. PHÂN LOẠI CẢM BIẾN SINH HỌC
4. TIÊU CHUẨN ĐÁNH GIÁ CBSH
5. ỨNG DỤNG CỦA CBSH
2

3. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Cảm biến sinh học là gì?
“Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân
tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh
học kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi”
3

4. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tổng quan về cảm biến sinh học
Sơ đồ cấu tạo chung của cảm biến sinh học
4
Tiếp nhận Truyền tải Xử lý tín hiệu
Biosensor Hiển thị
Đầu thu SH
Chuyển đổi
tín hiệu
Xử lý & đọc
tín hiệu
Phân tử cần phát hiện
Mẫu sinh học

5. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tổng quan về cảm biến sinh học
5
Đầu thu sinh học Bộ phận chuyển
đổi tín hiệu
Kháng thể/
kháng nguyên
Enzyme
Axit nucleic (AND)
Tế bào
MIP
Quang học
Điện hóa
Dựa trên khối lượng
Dựa trên nhiệt độ
chiết áp
đo cường độ
dẫn điện
Điện & Từ
Tính chất điện môi
Tính chất thấm
Điện áp hoặc dòng
điện
Huỳnh quang
Giao thoa
Hấp thụ

6. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
▪ Kháng thể:
Là các phân tử sinh học thể hiện khả năng liên kết rất cụ thể
đối với cấu trúc cụ thể (kháng nguyên).
▪ Kháng nguyên:
Là phân tử kích thích đáp ứng miễn dịch của cơ thể, đặc biệt
là sản xuất kháng thể.
6

7. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
7
Kháng nguyên
mong muốn
Liên kết kháng nguyên với
kháng thể
Phần tử sinh học
Phần tử cảm biến
Mạch xử lý
Kết quả
Kháng thể cố định
Sơ đồ nguyên lý:

8. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
▪ Enzyme:
Enzyme là một phân tử protein lớn hoạt động như một chất xúc tác trong các phản ứng
hóa học. Enzyme thường được chọn làm chất khử sinh học dựa trên khả năng liên kết
cụ thể cũng như hoạt động xúc tác của chúng
8

9. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
9
Enzyme cố định
Phần tử sinh học
Phần tử cảm biến
Mạch xử lý
Kết quả
Sơ đồ nguyên lý:

10. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
▪ Cấu trúc DNA:
DNA là phân tử mang thông tin di truyền dưới
dạng bộ ba mã di truyền quy định mọi hoạt
động sống (sinh trưởng, sinh sản, phát triển
v.v) của các sinh vật và hầu hết virus.
Bốn loại nucleobase chứa nitơ: Cytosine
(C), Guanine (G), Adenine (A), Thymine (T)
10

11. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
Lai tạo cặp axit nucleic
http://cswww.essex.ac.uk 11
ssDNA (Probe)
(Target Sequence)
(Hybridization)
(Stable dsDNA)

12. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
12
Sợi DNA cố định
Phần tử sinh học
Phần tử cảm biến
Mạch xử lý
Kết quả
Sợi DNA cần phát hiện
Lai tạo
Sơ đồ nguyên lý:

13. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
▪ Tế bào sống
13
Nuôi dưỡng
Sản phẩm
Tế
bào

14. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
14
Phần tử sinh học
Phần tử cảm biến
Mạch xử lý
Kết quả
Bắt cặp
Tế bào cố định
Nuôi dưỡng
Sơ đồ nguyên lý:

15. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
▪ Polyme in chìm phân tử (MIP)
15
Nguyên tắc

16. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
16
Sơ đồ nguyên lý:

17. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Đầu thu sinh học
17
Phần tử sinh học
Phần tử cảm biến
Mạch xử lý
Kết quả
Phân tử cần phát hiện
Sơ đồ nguyên lý:

18. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tác nhân cố định
▪ Tác nhân cố định là phần quan trọng có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên
trên đế, là bộ phận trung gian có tác dụng gắn kết các thành phần sinh học với các
thành phần vô cơ.
▪ Phương pháp vật lý:
Bioreceptor (Kháng thể, Enzyme, Tế bào, Thể) + dung dịch polymer → trùng hợp
▪ Phương pháp hấp phụ:
Tương tác hấp phụ như liên kết ion, phân cực hoặc hydro và tương tác kỵ nước.
18
Ma trận polymer
Thụ thể
sinh học
Thụ thể sinh học
Ma trận polyme
Bẫy trong quá trình trùng hợp

19. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tác nhân cố định
▪ Liên kết cộng hóa trị
Hình thành liên kết cộng hóa trị ổn định giữa các nhóm chức của các thành phần sinh
học và bộ chuyển đổi
▪ Liên kết chéo
Bắc cầu giữa các nhóm chức trên màng ngoài của thụ thể bằng thuốc thử đa chức năng
đến đầu dò. Các tế bào có thể được gắn trực tiếp lên bề mặt điện cực hoặc trên màng
hỗ trợ có thể tháo rời, có thể được đặt trên bề mặt đầu dò.
19
Ma trận polymer

20. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Biosensor
TRANSDUCERS
Bộ phận chuyển đổi
tín hiệu
20
Bộ phận chuyển
đổi tín hiệu
Quang học
Điện hóa
Dựa trên khối lượng
Dựa trên nhiệt độ
chiết áp
đo cường độ
dẫn điện
Điện & Từ
Tính chất điện môi
Tính chất thấm
Điện áp hoặc dòng
điện
Huỳnh quang
Giao thoa
Hấp thụ

21. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang học:
Chụp phân tích và phát hiện ràng buộc bằng thẻ quang hoặc hiện tượng quang nhạy
cảm ràng buộc
▪ Hấp thụ:
21
I1/I0 = e−αlc
l là chiều dài vượt qua
C là nồng độ của vật liệu hấp thụ
α là hệ số hấp thụ

22. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang học - Hấp thụ
Một thiết bị để xác định bệnh nhân có hàm lượng oxy trong máu: Phổ hấp thụ (α) của
hemoglobin (Hb) và oxyhaemoglobin (HbO2) khác nhau, điều này cho phép đo tỷ lệ của
cả hai nồng độ trong máu bằng cách đo độ hấp thụ ánh sáng của hai bước sóng khác
nhau, ví dụ: 660nm và 805nm.
22

23. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang học - Hấp thụ
Huỳnh quang là sự hấp thụ photon ở một bước sóng và
phát xạ tức thời của nó ở bước sóng dài hơn.
Một số phân tử phát huỳnh quang tự nhiên và các phân
tử khác như DNA có thể được sửa đổi để phát hiện
huỳnh quang bằng cách gắn các thuốc nhuộm huỳnh
quang đặc biệt.
23
Một hệ thống quang học
để đo huỳnh quang

24. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang học - Hấp thụ
24
Một thiết bị đo huỳnh quang
Ánh sáng
kích thích Florescence
detector
Ống dẫn sóng
Cách tử
Kháng nguyên gắn
thuốc nhuộm florophor
Evanescent-field.

25. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang học - Hấp thụ
25
Photodiode được cấy ở dưới cùng
của buồng và màng CdS bao phủ
photodiode
Sợi quang dùng để truyền năng
lượng kích thích
Cảm biến nhiệt độ và
máy sưởi
Si
Si
Pyrex
Pyrex
Mô hình photodiode để giảm ánh
sáng trực tiếp

26. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang-chỉ số khúc xạ
26
Giao thoa kế Mach-Zehnder

27. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp quang-chỉ số khúc xạ
Bước sóng phản xạ (λB), được gọi là bước sóng Bragg, được xác định bởi
Cảm biến sinh học dựa trên ống dẫn sóng quang
27

28. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện hóa
Nguyên tắc cơ bản của lớp cảm biến sinh học này là nhiều phản ứng hóa học tạo ra
hoặc tiêu thụ các ion hoặc electron, từ đó gây ra một số thay đổi về tính chất điện của
dung dịch có thể được cảm nhận và sử dụng làm thông số đo
28

29. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện hóa-ampe kế
29
cảm biến sinh học glucose

30. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện hóa-ampe kế
30
cảm biến sinh học glucose

31. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện hóa-chiết áp
31
Sơ đồ nguyên lý của một cảm biến glucose dòng chảy dựa trên enzyme tích hợp.

32. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
32
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện hóa-chiết áp

33. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện
Chụp chất phân tích và phát hiện các thay đổi trong thông số điện của mẫu
33
Miễn dịch ở các điện cực Au có kích thước cực nhỏ dựa trên sự thay đổi độ dẫn
giữa các dải Au khi liên kết các hạt nano Au

34. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện
34
Cảm biến điện dung bằng điện môi MIP
Biến thể của

35. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
35
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp điện
F= 20KHz, AC amplitude of 40 mV
peak to peak

36. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
36
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp dựa trên khối lượng
Nguyên tắc là thay đổi tần số của phần tử rung. khi khối lượng tăng do liên kết hóa chất,
tần số dao động của thiết bị thay đổi và kết quả thay đổi có thể được đo bằng điện và
được sử dụng để xác định khối lượng bổ sung.
Phát hiện bởi cantilevers

37. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
37
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp dựa trên khối lượng
Thay đổi tần số cộng hưởng: kháng thể AcV1 (màu xanh lá cây) và các
hạt baculovirus (màu đỏ).

38. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
38
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp dựa trên khối lượng
(b) Giảm tần số cộng hưởng khi mật độ bên
trong kênh nhúng tăng
(c) Điều chỉnh tần số bằng chuyển động của
hạt đơn
(a) Một bộ cộng hưởng cần cơ học có chứa
một kênh vi lỏng nhúng.

39. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
39
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp dựa trên khối lượng
Công nghệ microcantilever: a) với protein cố
định cho một loại vi khuẩn cụ thể b) uốn cong
sau khi hấp thụ vi khuẩn vào protein

40. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
40
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
▪ Phương pháp dựa trên khối lượng

41. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Bộ phận chuyển đổi tín hiệu
41
Một biểu đồ ba chiều của
microcalorim đề xuất với các kênh
microfluidic tích hợp.
▪ Phương pháp nhiệt độ

42. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Lịch sử về cảm biến sinh học
1916: Báo cáo đầu tiên về có định protein: hấp phụ invertase trên than hoạt tính
1922: Điện cực pH thủy tinh đầu tiên
1956: Clark công bố bài báo của mình về điện cực oxy
1962: Mô tả đầu tiên về cảm biến sinh học: điện cực enzyme amperometric cho glucose
(Clark)
1969: Guilbault và Montalvo - Bộ cảm biến sinh trắc học đầu tiên: urease bất động trên
điện cực amoniac để phát hiện urê
1970: Bergveld - Transitor hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFE)
1975: Lubbers và Opitz mô tả một cảm biến sợi quang với chỉ thị cố định để đo carbon
dioxide hoặc oxy
1975: Bộ cảm biến sinh học thương mại đầu tiên (Yellow Springs Dụng cụ cảm biến sinh
học glucose)
1975: Cảm biến sinh học dựa trên vi khuẩn đầu tiên, miễn dịch đầu tiên
1980: Cảm biến pH sợi quang đầu tiên cho khí máu vào cơ thể (Peterson)
1982: Bộ cảm biến sinh học dựa trên sợi quang đầu tiên cho glucose
1983: Miễn dịch cộng hưởng plasmon cộng hưởng bề mặt (SPR)
1984: Bộ cảm biến sinh học trung gian đầu tiên: ferrocene được sử dụng với glucose
oxyase để phát hiện glucose
42

43. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Lịch sử về cảm biến sinh học
1987: Cảm biến sinh học glucose trong máu do MediSense ExacTech khởi xướng
1990: Cảm biến sinh học dựa trên SPR bởi Pharmac BIACore
1992: Máy lọc máu cầm tay của i-STAT
1996: Ra mắt Glucocard
1998: Khởi động cảm biến sinh học đường huyết của LifeScan FastTake
1998: Roche Chẩn đoán bởi Merger Roche và Boehringer mannheim
Hiện nay: Chấm lượng tử, hạt nano, dây nano, ống nano, v.v.
43

44. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học
1. Khoảng tuyến tính: Giá trị hàm lượng lớn nhất của chất phân tích mà tín hiệu phân
tích còn tuân theo phương trình tuyến tính bậc nhất.
2. Độ nhạy: Tính đáp ứng của cảm biến khi thay đổi nồng độ chất phân tích hay khả
năng phát hiện sự thay đổi tín hiệu khi có sự thay đổi nhỏ nhất về nồng độ chất phân
tích.
3. Độ chọn lọc: Mức độ ảnh hưởng của các chất nền tới phép xác định chất phân tích.
4. Thời gian đáp ứng: Khoảng thời gian cần thiết để dòng của hệ đo đạt được 90% giá
trị của dòng cân bằng.
44

45. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Quy mô thị trường của Biosensors
▪ 7,3 tỷ đô la trong năm 2003
▪ 10,2 tỷ đô la trong năm 2007 với tốc độ tăng trưởng khoảng 10,4%.
45

46. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Ứng dụng
▪ Theo dõi đường huyết
Được sử dụng bởi bệnh nhân tiểu đường để đo nồng độ glucose
trong máu
Giúp bệnh nhân xác định liều insulin
Sử dụng điện hóa để phát hiện
46
Mẫu máu

47. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Ứng dụng
▪ Lap on a chip
Thiết bị có kích thước siêu nhỏ được sử dụng để thao tác và phân tích
- Tế bào
- Protein
- DNA
- Biểu hiện gen
- Phản ứng hoá học
47
Ưu điểm
✓Giảm sự cần thiết phải có một số thiết bị
✓Sử dụng cỡ mẫu nhỏ
✓Kết quả nhanh chóng
✓Được sử dụng cho các phản ứng hóa học
và trộn chất lỏng

48. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Kết luận
Biosensors là thiết bị phân tích mẫu sinh học về cấu trúc,
chức năng và chẩn đoán
Có thể phát hiện áp suất, nhiệt độ và thay đổi hóa học
Được ứng dụng rộng rãi trong lý – sinh học bao gồm máy đo
đường huyết, lab-on-a-chip và máy đo nhịp tim,...
48

49. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
Tài liệu tham khảo
1. K McKimmie. “What’s a Biosensor, Anyway?”, Indiana Business Magazine, 2005, 49,
1:18-23.
2. N Zimmerman. “Chemical Sensors Market Still Dominating Sensors”, Materials
Management in Health Care, 2006, 2, 54.
3. K Odenthal, J Gooding. “An introduction to electrochemical DNA biosensors”, Analyst,
2007, 132, 603–610.
4. S V Lemeshko, T Powdrill, Y Belosludtsev, M Hogan, “Oligonucleotides form a duplex
with non-helical properties on a positively charged surface”, Nucleic Acids Res., 2001,
29, 3051–3058.
5. F Ricci, R Lai, A Heeger, K Plaxco, J Sumner. “Effect of Molecular Crowding on the
Response of an Electrochemical DNA Sensor”, Langmuir, 2007, 23, 6827-6834.
6. M Heller. “DNA Microarray Technology”, Annual Review of Biomedical Engineering,
2002, 4, 129-153.
7. E Boon, D Ceres, T Drummond, M Hill, J Barton, “Mutation Detection by DNA
electrocatalysis at DNA-modified electrodes”, Nat. Biotechnol. 2000, 18, 1096-1100.
8. S Timur, U Anik, D Odaci, L Gorton, “Development of a microbial biosensor based on
carbon nanotube (CNT) modified electrodes”, Electrochemistry Communications, 2007,
9, 1810-1815.
9. K Besteman, J Lee, F Wiertz, H Heering, C Dekker. “Enzyme-Coated Carbon Nanotubes
as
10. Single-Molecule Biosensors”, Nano Letters, 2003, 3, 6: 727-730.
49

50. VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
VIỆN VẬT LÝ KỸ THUẬT
50