Bỏ qua điều hướng

Thiết bị cảm biến mới giúp đo nồng độ kim loại nặng trong máu người

Thiết bị cảm biến mới giúp đo nồng độ kim loại nặng trong máu người
Nguồn ảnh: KhoaHoc.tv

Các nhà nghiên cứu làm việc tại Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ đã phát triển một bộ cảm biến cung cấp thông tin phản hồi nhanh chóng liên quan đến sự hiện diện và nồng độ của kim loại nặng, đặc biệt là mangan ở người. Cảm biến này đạt tiêu chuẩn thân thiện với môi trường và với trẻ em lần đầu tiên sẽ đư...

Các nhà nghiên cứu làm việc tại Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ đã phát triển một bộ cảm biến cung cấp thông tin phản hồi nhanh chóng liên quan đến sự hiện diện và nồng độ của kim loại nặng, đặc biệt là mangan ở người. Cảm biến này đạt tiêu chuẩn thân thiện với môi trường và với trẻ em lần đầu tiên sẽ được thử nghiệm ở Marietta, tiểu bang Ohio, Hoa Kỳ.

Kết quả của nghiên cứu này đã được đăng tải trên tạp chí Biomedical Microdevices, số ra tháng 8 năm 2011.

Được miêu tả trong bài viết là sự phát triển của một cảm biến với chi phí thấp giúp phát hiện kim loại nặng một cách nhanh chóng hơn so với công nghệ đang được sử dụng hiện nay, thường có sẵn trong các tùy chọn chăm sóc sức khỏe. Hãy hình dung rằng công nghệ cảm biến mới sẽ được sử dụng trong các thiết bị chăm sóc y tế, cung cấp thông tin phản hồi cần thiết về mức độ kim loại nặng chỉ trong khoảng 10 phút.

Các nhà nghiên cứu hy vọng là thiết bị cảm biến mới này sẽ được sử dụng trên quy mô lớn trong trong các thiết lập lâm sàng, nghề nghiệp và nghiên cứu quy mô lớn, chẳng hạn như trong thử nghiệm dinh dưỡng ở trẻ em.

Cảm biến mới thân thiện với môi trường ở chỗ điện cực của nó được làm bằng bismuth thay vì bằng thủy ngân, với trẻ em chỉ cần 2 giọt máu để thử nghiệm so với các mẫu xét nghiệm tiêu biểu đòi hỏi phải có đủ 5 ml máu.

Theo lời giải thích của Ian Papautsky một trong các nhà nghiên cứu, làm việc tại Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ: "Các phương pháp thông thường để đo nồng độ mangan trong máu hiện nay đòi hỏi phải có khoảng 5 ml máu toàn phần được gửi đến phòng thí nghiệm, và trả kết quả trong 48 giờ. Bạn muốn một câu trả lời nhiều hơn, một cách nhanh chóng về mức độ tiếp xúc, đặc biệt là ở khu vực nông thôn, khu vực có nguy cơ cao, nơi bị hạn chế trong việc tiếp cận với phòng thí nghiệm kim loại nặng. Thiết bị cảm biến của chúng tôi sẽ chỉ cần khoảng 2 giọt máu và sẽ cung cấp kết quả trong khoảng 10 phút. Đây là thiết bị cơ động và có thể sử dụng ở bất cứ nơi nào."

Ngoài Papautsky, UC phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính, đồng tác giả của nghiên cứu này gồm có Erin Haynes, phó giáo sư kỹ thuật môi trường; William Heineman, giáo sư hóa học; Preetha Jothimuthu, tiến sĩ thực tập về kỹ thuật điện và máy tính; Tiến sĩ thực tập Robert Wilson chuyên ngành hóa học và sinh viên Josi Herren chuyên ngành kỹ thuật nghiên cứu y sinh học.

Một động lực để phát triển cảm biến này là một dự án đang diễn ra Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ được thực hiện bởi Erin Haynes, người đang nghiên cứu tình trạng ô nhiễm không khí và những ảnh hưởng của mangan đến sức khỏe con người ở Marietta, tiểu bang Ohio. Kim loại nặng Mangan được phát thải ra trong khu vực này bởi vì đây là quê hương của nhà máy mangan duy nhất ở Hoa Kỳ và Canada. Kết quả sơ bộ của tình trạng ô nhiễm không khí (MAPS) được các nhà khoa học ở Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ đo được ở thung lũng Mid-Ohio sẽ cho thấy nồng độ mangan trong các cư dân Marietta khi so sánh với những người sống ở các thành phố khác.

Thiết bị cảm biến mới vận hành như thế nào? Thiết bị cảm biến mới sử dụng công nghệ gọi là dương cực stripping voltammetry liên kết chặt chẽ ba điện cực : một điện cực làm việc, một điện cực tham chiếu và một điện cực phụ trợ.

Một thách thức quan trọng cho các cảm biến này là việc phát hiện ra kim loại điện âm như mangan. Khó phát hiện là bởi vì thủy phân, sự phân tách của một phân tử thành hai phần bằng cách bổ sung thêm một phân tử nước, tại điện cực phụ trợ, làm giới hạn khả năng của một cảm biến để phát hiện một kim loại điện âm.

Để giải quyết thách thức này, nhóm nghiên cứu tại Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ đã phát triển điện cực làm việc bằng bismuth màng mỏng thay vì thủy ngân thông thường hoặc điện cực carbon. Việc thực hiện thuận lợi của các điện cực làm việc bismuth kết hợp với thiên nhiên không có hại cho môi trường, nghĩa là thiết bị cảm biến mới sẽ đặc biệt hấp dẫn trong thiết lập một phòng thí nghiệm trên một chip dùng một lần.

Ngoài ra, nhóm nghiên cứu UC cũng tối ưu hóa bố trí cảm biến và bề mặt điện cực làm việc để tiếp tục làm giảm ảnh hưởng của thủy phân, tăng độ tin cậy và độ nhạy trong việc phát hiện kim loại nặng. Việc bố trí bộ cảm biến mới tốt hơn cho phép các hoạt động, trong đó bao gồm lấy mẫu máu tách ra các kim loại nặng sau đó đo lường mức độ kim loại nặng.

Kết quả cuối cùng là phòng thí nghiệm trên một chip đầu tiên có thể thống nhất xác định mức độ hiện diện của kim loại nặng như mangan ở người. Các cảm biến mới cũng đồng thời thể hiện độ tin cậy cao hơn qua nhiều ngày sử dụng, với các giờ hoạt động liên tục. Với sự phát triển hơn nữa. Chip thậm chí có thể được chuyển đổi thành một cơ chế tự kiểm tra, chẳng hạn như sàng lọc đường cho bệnh nhân tiểu đường.

Kinh phí cho nghiên cứu này đã được cung cấp bởi Viện Khoa học sức khỏe môi trường quốc gia, Viện quốc gia về an toàn lao động và Chương trình đào tạo thuộc Dự án Nghiên cứu Y tế thí điểm và trường Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Cincinnati, Hoa Kỳ, đã phát triển một bộ cảm biến mới, giúp phát hiện nhanh sự hiện diện và nồng độ kim loại nặng, đặc biệt là mangan, trong máu người. Thiết bị hướng tới chi phí thấp, thân thiện với môi trường, dễ sử dụng, đồng thời có thể cung cấp thông tin cần thiết về mức độ phơi nhiễm chỉ sau khoảng 10 phút. Công nghệ này dự kiến được thử nghiệm lần đầu tại Marietta, tiểu bang Ohio, nơi các nhà khoa học đang quan tâm đặc biệt đến ảnh hưởng của mangan đối với sức khỏe cư dân. Kết quả nghiên cứu được công bố trên tạp chí Biomedical Microdevices, số tháng 8 năm 2011, trong bối cảnh các phương pháp xét nghiệm kim loại nặng hiện nay còn nhiều hạn chế. Với phương pháp thông thường, mẫu máu toàn phần khoảng 5 ml phải được gửi tới phòng thí nghiệm, sau đó người xét nghiệm thường chờ khoảng 48 giờ mới nhận kết quả. Cách làm này gây bất tiện tại những vùng nông thôn hoặc khu vực có nguy cơ phơi nhiễm cao, nơi người dân khó tiếp cận các phòng thí nghiệm chuyên phân tích kim loại nặng. Ngược lại, cảm biến mới chỉ cần khoảng hai giọt máu, đủ tạo ra phép đo nhanh và giảm đáng kể lượng mẫu cần lấy, đặc biệt hữu ích khi xét nghiệm cho trẻ em. Thiết bị còn có tính cơ động, cho phép sử dụng tại nhiều địa điểm khác nhau thay vì buộc mẫu xét nghiệm phải di chuyển đến phòng thí nghiệm chuyên dụng. Ian Papautsky, phó giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Cincinnati, cho biết nhóm nghiên cứu muốn rút ngắn thời gian chờ đợi để đánh giá mức độ tiếp xúc. Theo ông, thông tin nhanh đặc biệt quan trọng ở những nơi hạn chế dịch vụ xét nghiệm, bởi kết quả trong khoảng 10 phút có thể hỗ trợ nhận diện vấn đề sớm hơn. Nhóm nghiên cứu kỳ vọng thiết bị sẽ được triển khai rộng rãi trong môi trường lâm sàng, nơi làm việc và các nghiên cứu quy mô lớn, gồm cả thử nghiệm dinh dưỡng ở trẻ em. Khả năng chỉ cần hai giọt máu cũng mở ra triển vọng sử dụng cảm biến trong những chương trình theo dõi cộng đồng, nơi việc lấy mẫu lớn thường gây khó khăn. Điểm thân thiện với môi trường của thiết bị nằm ở điện cực làm bằng bismuth, vật liệu được sử dụng thay cho thủy ngân trong các thiết kế cảm biến thông thường. Bismuth giúp nhóm nghiên cứu hướng tới một hệ thống ít gây lo ngại hơn về môi trường, đồng thời phù hợp với ý tưởng phòng thí nghiệm trên chip dùng một lần. Ngoài Ian Papautsky, nhóm đồng tác giả còn có Erin Haynes, phó giáo sư kỹ thuật môi trường, cùng William Heineman, giáo sư hóa học. Preetha Jothimuthu và Robert Wilson là các tiến sĩ thực tập thuộc kỹ thuật điện và máy tính beziehungsweise hóa học, còn Josi Herren là sinh viên kỹ thuật nghiên cứu y sinh học. Một động lực quan trọng của dự án đến từ công trình Erin Haynes đang thực hiện, tập trung vào ô nhiễm không khí và ảnh hưởng sức khỏe của mangan tại Marietta. Khu vực này là nơi đặt nhà máy mangan duy nhất ở Hoa Kỳ và Canada, vì vậy mangan phát thải trong vùng trở thành mối quan tâm đặc biệt đối với các nhà nghiên cứu. Dự án MAPS của Đại học Cincinnati đang đo tình trạng ô nhiễm không khí tại thung lũng Mid-Ohio, với các kết quả sơ bộ cho thấy cần theo dõi nồng độ mangan trong cư dân. Những phép so sánh giữa cư dân Marietta và người sống tại các thành phố khác có thể giúp làm rõ sự khác biệt về mức độ phơi nhiễm. Về nguyên lý, cảm biến sử dụng kỹ thuật dương cực stripping voltammetry, kết nối ba bộ phận chính gồm điện cực làm việc, điện cực tham chiếu và điện cực phụ trợ. Thách thức lớn nằm ở việc phát hiện mangan, một kim loại điện âm, bởi hiện tượng thủy phân tại điện cực phụ trợ có thể hạn chế khả năng nhận diện kim loại này. Để khắc phục trở ngại, nhóm Cincinnati phát triển điện cực làm việc bằng màng bismuth mỏng, thay cho điện cực thủy ngân thông thường hoặc điện cực carbon. Việc kết hợp vật liệu bismuth với cách bố trí cảm biến và bề mặt điện cực được tối ưu hóa tạo nền tảng cho thiết bị nhỏ gọn, nhanh, ít mẫu máu, phù hợp nhiều môi trường sử dụng.