Hệ vi phân tích y-sinh thông minh tích h ợp vi lưu và OLED-OPD PGS. TS Nguyễn Năng Định (Trường Đại học Công nghệ, ĐHQG Hà Nội Chẩn đoán nhanh các tác nhân gây bệnh, trong đó có truyền nhiễm luôn là yêu c ầu quan trọng đặt ra trong nhiều lĩnh vực, từ chẩn đoán lâm sàng, kiểm soát an toàn thực phẩm đến phát hiện các tác nhân vũ khí sinh học v.v… Có nhiều phương pháp để phát hiện các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm. Phương pháp phổ biến nhất vẫn hay d ùng từ lâu là phương pháp nuôi cấy trên môi trường đặc hiệu. Việc dùng phương pháp này có thể mất vài ngày tới vài tuần, tuỳ vào lo ại vi sinh vật muốn phát hiện. Cũng có khi vi sinh vật gây bệnh có tồn tại trong mẫu nhưng không thể phát hiện được bằng phương pháp nuôi cấy thông thường do điều kiện nuôi cấy như nhiệt độ, thành phần môi trường v.v . không ph ù hợp. Ước tính khoảng 1 -10% số vi sinh vật trong mẫu thu thập là có thể nuôi cấy được. Như vậy rất có thể vi sinh vật gây bệnh nằm trong số 90-99% số vi sinh vật không phát hiện được bằng phương pháp nuôi c ấy thông thường. Hiện nay nhiều vi sinh vật gây bệnh được phát hiện bằng phương pháp không phụ thuộc nuôi cấy đó là các phương pháp sinh học phân tử. Phát hiện vi sinh vật gây bệnh bằng các phương pháp sinh học phân tử giúp phát hiện nhanh hơn giúp rút ngắn rất nhiều thời gian so với phương pháp nuôi cấy truyền thống và đặc biệt là nhạy hơn. Theo phương pháp sinh học phân tử, chỉ cần một hay vài micrô lit ADN tổng số tách chiết từ mẫu cần phát hiện vi sinh vật gây bệnh, với phương pháp khuếch đại ADN (phản ứng PCR) sử dụng mồi (primer) đặc hiệu là có thể phát hiện được vi sinh vật gây bệnh. Hình 1. Các bộ phận của hệ SBMD Tuy nhiên, đôi khi nồng độ gen đặc hiệu cho vi sinh vật gây bệnh trong mẫu quá thấp để có thể phát hiện sau PCR, sản phẩm khuếch đại gen sau đó được sử dụng cho thí nghiệm lai ADN với các probe đặc hiệu thì cũng có thể cho phép phát hiện được các gen này. Thời gian phát hiện các vi sinh vật gây bệnh nhờ lai ADN khác nhau tuỳ thuộc vào các phương pháp phát hiện và x ử lý kết quả ở công đoạn cuối cùng. Với các phương pháp sinh học phân tử thường d ùng hiện nay để phát hiện vi sinh vật gây bệnh thì thời gian phát hiện cũng phải mất ít nhất vài giờ. Để rút ngắn thời gian phân tích, một số hãng thiết bị trên thế giới đã phát triển một số loại máy kết hợp nhiều công đoạn của quá trình phát hiện vi sinh vật gây bệnh bao gồm: chuẩn bị ADN từ mẫu thu thập, PCR, lai AND, phân tích kết quả. Do vậy thời gian phát hiện ngắn hơn so với thực hiện từng bước riêng lẻ, có thể chưa đến 2 giờ đồng hồ. Có thể lấy ví dụ, đó là hệ thống GeneXpert của Cepheid, hệ thống RAZOR của Idaho Technology hay hệ thống Liat™ Analyzer của Iquum. Tuy các phương pháp sinh học phân tử hiện nay đang được sử dụng ở hầu hết các phòng thí nghiệm trên thế giới đã có những tiến bộ quan trọng cho phép phát hiện nhiều vi sinh vật gây bệnh với thời gian rút ngắn đáng kể so với phương pháp nuôi cấy truyền thống, một nhược điểm còn tồn tại của các phương pháp sinh học phân tử l à các thiết bị sử dụng thường đắt tiền, cồng kềnh. Vì vậy nhu cầu luôn được đặt ra là phải phát triển những phương pháp chẩn đoán nhanh, chính xác, thiết bị gọn nhẹ, dễ mang đi. Việc nghiên cứu phát triển biochip có thể đáp ứng được những yêu cầu trên. Sự xuất hiện của biochip đánh dấu bước phát triển vượt bậc trong công nghệ nano, l à kết quả của sự kết hợp giữa các lĩnh vực vật lý, hoá học, sinh học và công nghệ thông tin. Biochip có thể được hiểu là các vi mạch sinh học dùng để phát hiện các tế bào, các loại vi sinh vật (bao gồm cả virút), các phân tử protein, axit nucleic và các phân tử nhỏ. Biochip dùng để phát hiện vi sinh vật gây bệnh gồm các loại: “Lab-on-a-chip” (LOC) và Microarray (MAR). Trong 2 lo ại trên thì MAR có cấu trúc và nguyên tắc hoạt động đơn giản hơn, chỉ cần gắn các phân tử ADN, protein hay tế bào lên bề mặt chip với vai trò là probe thì có th ể phát hiện ra các tác nhân gây bệnh dựa trên nguyên tắc kết cặp đặc hiệu. Với loại chip này thì qúa trình phân tích dữ liệu xảy ra OFF chip, cần các thiết bị phân tích bên ngoài và cần tiến hành ở phòng thí nghiệm cố định. Trong khi đó nguyên tắc hoạt động của Lab-on-a-chip phức tạp hơn bởi tất cả các phản ứng đều xảy ra ngay trên chip nhưng nó là cả một phòng thí nghi ệm thu nhỏ. Ví dụ, để phát hiện một vi sinh vật mang gen gây bệnh nào đó thì tất cả các bước từ tách ADN, phản ứng khuếch đại ADN, lai ADN đều diễn ra trên chip. Qúa trình phân tích dữ liệu xảy ra ON chip. Thiết bị để phân tích nhỏ gọn, dễ dàng mang theo khắp nơi. Do vậy, “ Hệ thống vi phân tích y-sinh học thông minh cho chẩn đoán bệnh” (Smart Bio-Medical Microanalysis System for point-of-care diagnostics, gọi tắt là SBMD) là công c ụ phân tích vô cùng hiện đại và hiệu quả cho y sinh học và môi trường. Sơ đồ cấu tạo của hệ SBMD được mô tả trên hình 1. Hình 2. Sơ đồ cấu tạo OLED đa lớp và chức năng của mỗi lớp Hình 3. Hình ảnh hệ vi lưu kích thước nhỏ. SBMD cấu tạo gồm các thành phần chính là: - 1. Ngu ồn kích thích thích photon phát ra từ điôt phát quang hữu cơ (OLED). - 2. Phân c ực trên và dưới. - 3. Mạch vi lưu (Microfluidic); - 4. Đầu thu tín hiệu photo-điôt hữu cơ (OPD). Trên thực tế, các thành phần này được chế tạo gắn liền liên tiếp lên nhau, 3 mm và b ề rộng vào khoảng 1vì thế bề dày của SBMD chỉ vào khoảng 2 cm (kích thước của phiến plastic hoặc thuỷ tinh hữu cơ) . Để chế tạo hệ SBMD được ho àn hảo, trước hết người ta phải chế tạo từng bộ phận riêng rẽ, sau đó mới lặp lại các quy trình chuẩn cho từng thành phần kể trên, gắn liên lên nhau. 1. Nguồn kích thích OLED Bản thân OLED là một linh kiện phát quang đa lớp polymer. Ưu điểm của OLED so với các nguồn sáng khác, thí dụ là LED vô cơ, thể hiện ở chỗ diện tích phát sáng rộng và đều khắp trong một đơn vị diện tích (thí dụ 100 m2). Hơn nữa, có thể sử dụng chính điện cực (thường l à anôt) của OLED để chế tạo bộ phân cực và mạch vi lưu, do đó rất thích hợp cho việc phân bố các “ô” phát sáng dọc theo mạch vi lưu. Nhờ đó mà việc vi phân tích chất lỏng chảy qua hệ vi lưu (thí dụ máu hoặc dịch của bệnh nhân, …) được tiến hành m ột cách chính xác. Trên hình 2 là sơ đồ cấu tạo của OLED phẳng đa lớp. Đế có thể là thuỷ tinh, thuỷ tinh hữu cơ hoặc plastic. Ánh sáng phát ra từ lớp phát quang hữu cơ/polymer đi qua anốt và đế trong suốt (thường là điện cực trong suốt Indium Thin Oxide – ITO phủ trên thủy tinh) ra ngoài. Diện tích phát quang được khống chế nhờ kĩ thuật khắc ITO v à mặt phủ trên lớp phát quang trước khi chế tạo catôt. Trong trường hợp làm màn hình cho máy di động hoặc TV, diện tích phát quang có thể để rất rộng. Trong kĩ thuật vi lưu diện tích phát quang được khống chất tuỳ thuộc kích thước của mạch vi lưu, có thể chỉ một vài macrômet rộng và vài ch ục micromet chiều dài. 2. Phân cực. Bộ phân cực dọc và ngang có tác d ụng tách biệt phổ phát xạ và phổ kích thích 3. Mạch vi lưu Mạch vi lưu hay hệ thống vi lưu được chế tạo nhờ sử dụng công nghệ vi chế tạo, qua đó tạo n ên các kênh d ẫn, buồng phản ứng, vi bơm, vi van… nhằm điều khiển các chất lỏng với thể tích vô cùng nhỏ. Các hệ thống vi lưu đang được ứng dụng mạnh mẽ Hình 4. Các lĩnh vực ứng dụng của hệ vi lưu trong nhiều lĩnh vực như y sinh, hóa, môi trường… Hình ảnh một hệ vi lưu được minh hoạ tr ên hình 3. Còn trên hình 4 là các l ĩnh vực ứng dụng của hệ vi lưu. Có thể thấy các lĩnh vực ứng dụng chính của hệ vi lưu là:  Phân tích tế bào * Phân tích gen protein * T ổng hợp hóa học * Chuyển hóa năng lượng * Điều chế và dẫn thuốc Tất cả các lĩnh vực trên đều có thể tiến hành nhanh nhờ Hệ thống vi phân tích y-sinh học thông minh - “Lab-on-a-chip”. 4. Bộ thu bằng photo-điôt (OPD) Sơ đồ cấu tạo của bộ thu OPD được minh hoạ trên hình 5. Phần phóng đại từ một ô vuông nhỏ là để l àm rõ chi tiết của OPD, trong đó có các pha đôno, axepto và biên phân cách của chúng tạo ra chuyển tiếp p-n. Các lớp tạo nên OLED tương tự như trong OLED. Nguyên lí hoạt động thì ngược lại với OLED: ánh sáng tác động lên chất hoạt tính sinh ra hạt tải, từ đó có dòng điện chạy ra ngoài (dòng photo-điôt). OPD có độ nhạy cao cho nên chỉ cần tín hiệu photon yếu tác động lên chất hoạt tính là có thể thu được tín hiệu d òng. Hình 5. Sơ đồ cấu tạo của đầu thu OPD Cuối cùng, chúng ta có một hệ vi phân tích và sơ đồ khối và nguyên lí làm vi ệc của hệ như minh hoạ trên hình 6. H ệ SBMD là sự tích hợp của nhiều ngành công nghệ cao như công nghệ nanô, nanô sinh học, vi điện tử, tự động hoá và công nghệ thông tin. Sử dụng hệ vi phân tích SBMD đem lại hiệu quả cao trong việc phân tích y sinh và môi trường, nghi ên cứu cấu trúc tế bào, DNA, protein trong việc phát hiện bệnh cũng như chế tạo thuốc, điều khiển kiểm soát quá trình ho ạt động của các chất lỏng trong kích thước nhỏ đến micromet. Với các vi mạch chức năng nhỏ gọn vừa tiêu thụ ít năng lượng vừa có khả năng xử lý phân tích kết quả nhanh, chính xác. Sự tích hợp của những yếu tố trên tạo nên một hệ thông vi phân tích trên chíp (Lab on a chip). Hình 6. Ảnh chụp hệ SBMD -Hệ vi phân tích thông minh tích hợp vi lưu và OLED – OPD (a) cùng sơ đồ khối và nguyên lí làm việc của hệ SBMD (b). . bộ phân cực và mạch vi lưu, do đó rất thích hợp cho vi c phân bố các “ô” phát sáng dọc theo mạch vi lưu. Nhờ đó mà vi c vi phân tích chất lỏng chảy qua hệ. Hình 6. Ảnh chụp hệ SBMD -Hệ vi phân tích thông minh tích hợp vi lưu và OLED – OPD (a) cùng sơ đồ khối và nguyên lí làm vi c của hệ SBMD (b).