Cảm biến phát hiện nồng độ đường trong máu

Cảm biến siêu nhạy

Các nhà khoa học của Phòng thí nghiệm Vật liệu Từ và Y sinh, Khoa Khoa học và Công nghệ vật liệu với Trung tâm nghiên cứu vật liệu cấu trúc nano phân tử trực thuộc Đại học Quốc gia TPHCM vừa nghiên cứu thành công cảm biến siêu nhạy phát hiện glucose trong máu.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên sự nhạy cảm của công suất quang đối với chiết xuất dung dịch chất phân tích, từ đó tính toán ra sự thay đổi về nồng độ chất phân tích. Việc kết hợp và ứng dụng hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ của các hạt vật liệu nano bạc giúp tăng độ nhạy cho cảm biến.

TS Trần Thị Như Hoa, thành viên nhóm nghiên cứu, cho biết, glucose là một chất hữu cơ quan trọng có trong hầu hết các sinh vật. Nồng độ của nó ảnh hưởng rất nhiều đến chức năng của các bộ phận trong cơ thể sinh vật.

Đặc biệt trong y sinh học, lượng đường trong máu phản ánh nhiều khía cạnh của tình trạng sức khỏe. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác những thay đổi của nồng độ glucose cho phép chẩn đoán và điều trị bệnh dễ dàng hơn.

Bệnh tiểu đường (đái tháo đường) là một ví dụ điển hình mang đến nhiều biến chứng và hậu quả nghiêm trọng, ảnh hưởng đến sức khỏe nếu không được phát hiện sớm. Do đó, việc theo dõi nồng độ glucose có tầm quan trọng đặc biệt trong y sinh học.

Nhóm nghiên cứu đã phát triển bộ cảm biến sinh học không nhãn sử dụng nền vật liệu nano bạc (Ag) để ước tính nồng độ của dung dịch glycerol. Việc phát hiện sự thay đổi nồng độ glucose trong máu, nước tiểu, thức ăn giúp phát hiện sớm, điều trị và có chế độ dinh dưỡng phù hợp đối với các bệnh liên quan, đặc biệt là bệnh tiểu đường.

Kiểm tra lượng đường trong máu cũng rất cần thiết đối với các bệnh liên quan đến tuyến tụy như bệnh xơ nang. Mức đường huyết trong cơ thể nằm trong khoảng 80 – 120 mg/dL và nó sẽ tăng lên 250 mg/dL sau bữa ăn.

Vì vậy, cảm biến đường huyết phải có vùng phát hiện tối thiểu là 20 – 500 mg/dL (1 – 30 mM). Nó bao gồm các giai đoạn mà bệnh nhân có thể gặp phải khi đường huyết tăng hoặc giảm và độ phân giải của nó dưới 1 mg/dL, hoặc 50 µM.

Thay thế các kit test nhanh

Hệ thống cảm biến quang học sợi quang kết hợp với các hạt nano bạc với kích thước 90 nm cho phép theo dõi nồng độ glucose một cách liên tục trong thời gian thực thông qua sự thay đổi chiết xuất của dung dịch.

Độ nhạy của cảm biến ban đầu được xác định là 4 μM. Ưu điểm nhất là sử dụng hệ vật liệu đơn giản với hệ thống quang học có kích thước nhỏ gọn, độ phản hồi nhanh có tiềm năng thay thế các hệ thống kiểm tra hiện nay và các kit test nhanh.

Ý tưởng này dựa trên nền vật liệu có tính chất cộng hưởng plasmon bề mặt định xứ với các hạt nano kim loại quý như Au, Ag… cộng với hiện tượng phản xạ toàn phần xảy ra trong lõi SiO2 của sợi quang học đa mode.

Với việc thay thế các thiết bị chẩn đoán bệnh đái tháo đường hiện nay thì cảm biến này cho hiệu quả cao, thời gian phát hiện ngắn và chi phí tương đối thấp.

Nhóm nghiên cứu về hệ thống chip cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt cục bộ chế độ truyền (LSPR) trên nền các hạt nano bạc để xác định nồng độ glucose cho các bệnh nhân đái tháo đường. Việc sử dụng sợi quang đa chế độ trong cảm biến quang học giúp tăng độ nhạy và độ chính xác của cảm biến quang học đã được chứng minh.

Ngoài ra, các hạt nano bạc (Ag) có độ ổn định cao về hình dạng và kích thước đã được tổng hợp thành công bằng một phương pháp đơn giản nhưng hiệu quả cao sử dụng chất khử ethylene glycol để khử ion Ag+ trong bạc nitrat ở nhiệt độ cao với sự có mặt của chất ổn định polyvinylpyrrolidone (PVP).

Các kết quả phân tích cho thấy, độ tinh khiết, độ ổn định và tính chất của các Ag NPs được tạo ra. Điều này mở ra nhiều hướng phát triển trong các lĩnh vực y học, môi trường, công nghệ thực phẩm...

Các hạt nano bạc được phủ trên lõi sợi quang (1cm) tạo ra một lớp đơn lớp đồng nhất với mật độ cao. Sau đó, nồng độ glucose từ thấp đến cao được đưa qua kênh dẫn vi lỏng đến chỗ cảm biến và tín hiệu sẽ được ghi nhận.

Sự thay đổi tín hiệu là do sự thay đổi trong các điều kiện LSPR khi các nồng độ glucose khác nhau được đưa vào. Giới hạn phát hiện đối với glucose trong công trình này được tính là 4 µM (cao hơn 116 lần so với cảm biến sợi quang SPR với một lớp màng nhạy cảm với glucose).

Với kích thước nhỏ gọn, cơ chế đơn giản, độ nhạy và độ chính xác cao hệ thống cảm biến mở ra tiềm năng ứng dụng lớn thay thế các hệ thống sinh hóa máu đang được sử dụng hiện tại. Hệ cảm biến có thời gian phản hồi nhanh chóng, hệ thống đơn giản linh động cao, độ nhạy lên đến 4 μM.

Trong thời gian tới, nhóm nghiên cứu thực hiện thêm trên nền các vật liệu nano kim loại khác kết hợp với các hệ vật liệu khác (vật liệu khung cơ kim MOF, vật liệu oxit kim loại, vật liệu đa lớp nano kim loại…) để tăng tính tăng cường cộng hưởng plasmon cho cảm biến.

Và mong được đầu tư để phát triển thành bộ sản phẩm, hệ thống hoàn chỉnh để đưa vào thực hiện tại các bệnh viện hay cảm biến phục vụ tận nơi cho mọi người ở các vùng sâu, vùng xa.