Các nhà khoa học ở Anh và Tây Ban Nha vừa phát triển một bộ vi cảm biến sinh học mới tạo ra tín hiệu mạnh hơn khi các phân tử mục tiêu của nó có hàm lượng thấp. Bộ cảm biến có khả năng phát hiện đáng tin cậy những phân tử có hàm lượng thấp hơn nhiều bậc độ lớn so với hàm lượng có thể phát hiện ra bởi những phép thử chẩn đoán dùng trong các bệnh viện hiện nay, và có thể giúp nhận ra các chứng bệnh ở giai đoạn sớm nhất của chúng, như thế trong nhiều trường hợp sẽ dễ điều trị và chăm sóc hơn.
Các bộ cảm biến thông thường tạo ra tín hiệu tỉ lệ với hàm lượng của các phân tử mục tiêu, cho nên ở những hàm lượng thấp chúng mất đi độ nhạy và dễ bị nhiễu bởi những phân tử khác. Với những dấu hiệu gây bệnh như các kháng nguyên ung thư, khả năng phân biệt rạch ròi giữa một kết quả zero và một kết quả nhỏ là hết sức quan trọng.
Bộ cảm biến mới, phát triển bởi Molly Stevens và các đồng sự tại trường Imperial College London và trường Đại học Vigo, Tây Ban Nha, có khả năng phát hiện ra những hàm lượng ít nhất thấp hơn 10 lần so với những phép thử cực nhạy hiện có. “Với nhiều loại bệnh, việc sử dụng công nghệ hiện nay tìm kiếm những dấu hiệu sớm có thể ví như việc mò kim dưới đáy biển,” Stevens nói. “Phép thử nghiệm mới của chúng tôi thật sự có thể tìm ra chiếc kim đó.”
Khi hàm lượng GOx rất thấp, các ngôi sao nano bằng vàng bị bao quanh bởi một lớp bạc (trái). Tuy nhiên ở hàm lượng GOx cao, lớp bạc đó không hình thành (phải). (Ảnh: Nature Materials)
Những ngôi sao nano đáng yêu
Các nhà khoa học tạo ra những bộ cảm biến của họ từ những ngôi sao nhỏ xíu bằng vàng (hay ngôi sao nano) bề ngang chừng 50 nm (1 nm bằng một phần tỉ của một mét). Những cấu trúc này có những plasmon mặt, chúng là những dao động kết hợp của các electron dẫn trên bề mặt vàng. Gắn những bề mặt vàng của họ là enzyme glucose oxidase (GOx), chất có tác dụng là chất xúc tác sinh học làm giảm các ion bạc có trong dung dịch. Ở hàm lượng thấp của Gox, các nguyên tử bạc lắng bám nên một lớp tráng bạc lớn lên xung quanh mỗi ngôi sao nano (xem hình). Kết quả là gây ra một sự dịch chuyển về phía tần số cao (lệch xanh) của sự cộng hưởng plasmon mặt của ngôi sao nano. Ở hàm lượng cao, bạc kết tinh ở một tốc độ nhanh hơn và có xu hướng kết nhân riêng trong dung dịch, và có sự lệch ít hơn thấy rõ của tần số cộng hưởng.
Tần số cộng hưởng được đo bằng cách chiếu ánh sáng nhìn thấy/hồng ngoại gần lên các ngôi sao nano và tìm tần số nào bị hấp thụ nhiều nhất. Kết quả là việc đo tần số trước và sau khi Gox được đưa vào mang lại một số đo rất nhạy của hàm lượng GOx.
Bước tiếp theo là sử dụng bộ vi cảm biến trên để đo hàm lượng của một phân tử sinh học – trong trường hợp này là một dấu hiệu của bệnh ung thư tuyến tiền liệt gọi là kháng thể đặc trưng tuyến tiền liệt (PSA). Để làm việc này, trước tiên các nhà nghiên cứu tráng lên các ngôi sao vàng một kháng thể tóm PSA ra khỏi dung dịch. Sau đó, một kháng thể thứ hai – gắn với GOx – bám lên PSA trên các bề mặt sao nano. Cuối cùng, sự có mặt của GOx làm kích hoạt bước giảm số phân tử bạc và làm lệch tần số cộng hưởng plasmon mặt, cái này khi đó là đo được.
Sử dụng kĩ thuật này, đội khoa học đã có thể phát hiện ra PSA ở hàm lượng thấp đến 10–18 g/ml. Hàm lượng này loãng hơn một tỉ lần so với giới hạn của phép thử miễn dịch gắn kết enzyme (ELISA) được sử dụng rộng rãi trong các bệnh viện.
“Bộ cảm biến của chúng tôi tạo ra tín hiệu cao nhất ở hàm lượng thấp nhất đó,” Stevens nói, “do đó, sự có mặt của phân tử mục tiêu ở những hàm lượng cực thấp có thể phát hiện được với độ tin cậy cao nhất.”
Bước phát triển tiếp theo
David Fermín, một chuyên gia về cấu trúc nano và điện hóa học tại trường Đại học Bristol ở Anh, cho rằng những kết quả mới trên là “một công trình rất ấn tượng”.
Bước tiếp theo, theo ông, sẽ là một nghiên cứu kĩ hơn xem có thể nhận dạng ra những hàm lượng nhỏ đến mức nào của các chất dấu hiệu sinh bệnh trong sự có mặt của nhiều loại tín hiệu nhiễu. “Các nhà nghiên cứu nói rất ít về nó trong bài báo, nhưng tôi nghĩ nó sẽ là một phương diện rất quan trọng để nghiên cứu. Tôi chắc chắn rằng có thể có một cơ chế hóa học tinh vi nào đó làm cho nó đặc biệt như vậy, nên đây là một phát triển hấp dẫn,” ông nói.
Cho đến nay, các nhà nghiên cứu chỉ mới thử nghiệm chất PSA, nhưng theo Stevens, “Chúng tôi chắc chắn rằng phép thử trên có thể thích hợp để nhận dạng nhiều loại bệnh khác ở giai đoạn sớm của chúng.” Đặc biệt là p24, một protein liên quan đến sự nhiễm HIV, việc phát hiện ra nó có thể giúp chẩn đoán tình trạng nhiễm bệnh và chống lây lan.
Nghiên cứu công bố trên tạp chí Nature Materials.
Alpha Physics – thuvienvatly.com
Nguồn: physicsworld.com
