Cảm biến sinh học: Định nghĩa, phân loại và ứng dụng

Cảm biến sinh học (Biosensor) đã đánh dấu một thành tựu quan trọng trong cuộc chiến chống đại dịch COVID-19 khi được ứng dụng vào trong dụng cụ giúp phát hiện bệnh và giám sát sức khỏe người bệnh trong thời gian nhiễm vi-rút. Bên cạnh đó, đây còn là một ứng dụng hữu ích trong rất nhiều ngành nghề và lĩnh vực khác. Cùng Techie tìm hiểu.

Cảm biến sinh học là gì?

Cảm biến sinh học (Biosensor) là một loại cảm biến được sử dụng để thu thập thông tin về các hoạt động hoặc tín hiệu liên quan đến sinh học, cơ thể con người hoặc động vật. Các loại cảm biến này thường liên quan đến việc đo, theo dõi và phân tích dữ liệu về các yếu tố sinh học như nhịp tim, nhiệt độ cơ thể, hoặc các chỉ số sinh học khác.

Công nghệ sinh học này giúp phát hiện ra những thay đổi trong các tác nhân sinh học (enzyme, mô, vi sinh vật, tế bào, axit…) và chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện. Ví dụ như đo lường nhịp tim, nồng độ oxy trong máu, phát hiện vi khuẩn, vi rút…

Đặc điểm của cảm biến sinh học

Các đặc điểm của loại cảm biến này là tính chọn lọc, khả năng tái tạo, độ ổn định, độ nhạy và độ tuyến tính được phân tích cụ thể như sau:

• Tính năng quan trọng nhất của loại cảm biến này là tính chọn lọc và khả năng của cơ quan thụ cảm sinh học để phát hiện một chất cụ thể trong một mẫu dù có chứa nhiều chất khác, như các chất gây ô nhiễm và phụ gia.
• Khả năng tái tạo là khả năng tạo ra các phản ứng giống hệt nhau cho một hệ thống thí nghiệm được nhân đôi.
• Tính ổn định là mức độ nhạy cảm với các vấn đề xung quanh và trong hệ thống cảm biến sinh học.
• Lượng chất phân tích tối thiểu được thiết bị cảm nhận để xác định độ nhạy hoặc giới hạn phát hiện của nó.
• Độ tuyến tính cho thấy độ chính xác của phản ứng đo được đối với đường thẳng.

Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

Sự kết hợp giữa các yếu tố sinh học và đầu dò sẽ chuyển đổi vật liệu sinh học thành tín hiệu điện tương ứng. Tùy thuộc vào loại enzyme đầu ra của bộ chuyển đổi sẽ là dòng điện hoặc điện áp.

Nếu đầu ra là dòng điện thì dòng điện này phải được chuyển đổi thành điện áp tương đương (sử dụng bộ chuyển đổi dòng điện sang điện áp dựa trên Op-Amp) trước khi tiếp tục. Bởi, tín hiệu điện áp đầu ra thường có biên độ rất thấp và được chồng lên tín hiệu nhiễu tần số cao nên tín hiệu cần được khuếch đại và sau đó được truyền qua Bộ lọc RC thông thấp.

Quá trình khuếch đại và lọc tín hiệu này là công việc của bộ xử lý tín hiệu hoặc bộ điều hòa tín hiệu. Đầu ra của bộ xử lý tín hiệu là tín hiệu tương tự tương đương với đại lượng sinh học được đo. Tín hiệu tương tự có thể được hiển thị trực tiếp trên màn hình LCD, chuyển đổi thành tín hiệu số vì rất dễ phân tích, xử lý hoặc lưu trữ tín hiệu số.

Các loại cảm biến sinh học

Tùy thuộc vào cơ chế truyền tải, cảm biến sinh học được phân loại như sau:

• Biosensor cộng hưởng: Những cảm biến này sử dụng bộ chuyển đổi sóng âm kết hợp với bộ cảm biến sinh học. Sự tương tác giữa chất phân tích và cơ quan cảm nhận sinh học làm thay đổi khối lượng của cơ quan cảm nhận sinh học. Do đó, tần số cộng hưởng của bộ chuyển đổi âm thanh cũng thay đổi, tần số này sau đó được đánh giá và người dùng cuối có thể hiểu được giá trị này.
• Biosensor quang học: Những loại cảm biến này bao gồm một tấm wafer silicon mà các phân tử protein được gắn vào thông qua liên kết cộng hóa trị. Tấm wafer tiếp xúc với tia UV khiến kháng thể không hoạt động. Sau đó, tấm wafer được cắt nhỏ và đặt vào chất phân tích, điều này khuyến khích hình thành cách tử khuếch tán tạo ra tín hiệu có thể đo và khuếch đại.
• Biosensor nhiệt: Trong các cảm biến này, các enzyme cố định được kết hợp với máy dò nhiệt độ. Phản ứng nhiệt được bắt đầu khi chất phân tích được tạo ra để tương tác với enzyme. Do đó, nồng độ của chất phân tích có thể được đánh giá bằng phép đo phản ứng nhiệt.
• Biosensor điện hóa: Hoạt động này liên quan đến việc tạo ra các ion bởi các sự kiện hóa học khác nhau làm thay đổi tính chất điện của dung dịch phân tích. Nồng độ của chất phân tích sau đó được đo theo sự thay đổi này.

Các ứng dụng của cảm biến sinh học

Ngành y tế

Cảm biến sinh học thường được ứng dụng cho mục đích chẩn đoán trong ngành y tế: phát hiện mầm bệnh, các chất chuyển hóa độc hại, theo dõi lượng glucose trong cơ thể con người, kiểm tra cholesterol, đo vitamin, axit folic và biotin…. và đặc biệt là phát hiện tế bào ung thư.

Kiểm soát môi trường

Một trong những ứng dụng chính của công nghệ này là trong lĩnh vực giám sát ô nhiễm môi trường, đặc biệt là ô nhiễm nước. Cảm biến sinh học với các bộ phận cảm biến nitrat và phốt phát đang trở nên phổ biến để chống lại các chất ô nhiễm trong nước.

Công nghiệp thực phẩm

Lên men là một hoạt động chủ yếu trong ngành công nghiệp sản xuất sữa, rượu và các sản phẩm tương tự khác. Nuôi cấy vi khuẩn và tế bào quy mô lớn được duy trì cho mục đích này. Để giảm thiểu chi phí sản xuất và quá trình lên men không có rủi ro, điều cần thiết là phải giám sát các quy trình phức tạp nhưng tốn kém này. Nó được thiết kế để theo dõi và đo lường quá trình tạo ra sản phẩm lên men.

Nông nghiệp

Trong lĩnh vực nông nghiệp loại công nghệ sinh học này thường được sử dụng để phát hiện thuốc trừ sâu.

Ngoài ra còn giúp đo lường các thông số sinh học của đất, như độ ẩm, nồng độ chất dinh dưỡng, pH, và sự hiện diện của vi sinh vật có hại. Thông tin này giúp người nông dân cải thiện quản lý đất đai và sử dụng phân bón hiệu quả hơn.

Kết luận

Từ việc chăm sóc sức khỏe cá nhân đến giám sát môi trường, cảm biến sinh học đã đóng góp một phần không thể thiếu trong việc cải thiện chất lượng cuộc sống. Hiện nay, các nhà nghiên cứu đang lật mở những khía cạnh tiềm năng của lĩnh vực này, hứa hẹn nhiều sự thay đổi tiến bộ trong đời sống và sức khỏe con người.

>> Xem thêm: Giải đáp tất tần tật về công nghệ nhận dạng khuôn mặt