Phòng xét nghiệm sinh hoá trên đầu một sợi quang

Các cảm biến lab-on-fiber (phòng xét nghiệm trên sợi quang) có thể giám sát môi trường và tìm kiếm bệnh tật bên trong cơ thể chúng ta.

Hãy nhớ lại lần thử máu cuối cùng của bạn xem. Có thể bạn đã được kiểm tra cholesterol, nhiễm trùng, bệnh tim mạch, đột quỵ, tuyến giáp, hay bệnh loãng xương. Một công việc dễ dàng có phải không? Y tá chỉ việc lấy máu của bạn và chuyển mẫu máu đến phòng xét nghiệm. Thực ra thì ở đằng sau sân khấu, công việc phức tạp hơn thế. Công nghệ xét nghiệm ngày nay cần đến những căn phòng chứa đầy các chất hoá học được bảo quản ở nhiệt độ ổn định, các máy phân tích trị giá hàng trăm ngàn đô-la, và các kỹ thuật viên đã được huấn luyện để sử dụng chúng. Đó là lý do tại sao ta phải chờ đợi nhiều ngày, hay thậm chí một hay hai tuần, để lấy kết quả. Rồi còn tuỳ vào loại xét nghiệm được thực hiện, rất có thể bạn phải chi tới hàng trăm đô-la.

Những phí tổn như vậy là một lý do chính làm cho chi phí chăm sóc sức khoẻ đang tăng lên ở mọi nơi trên thế giới. Ở những vùng nông thôn hay những nước đang phát triển, tình hình còn tệ hơn nhiều chứ không đơn giản chỉ là sự bất tiện nữa. Bệnh nhân có thể phải di chuyển nhiều giờ hay nhiều ngày để đến được phòng khám và thường không quay trở lại để nhận kết quả. Nhiều người không đủ tiền để làm các xét nghiệm kiểm tra các bệnh nguy hiểm đến tính mạng như sốt rét và lao.

Để giải quyết những vấn đề này, chúng ta cần những thiết bị xét nghiệm tốt hơn. Chúng cần phải rẻ hơn và dễ vận chuyển hơn để có thể mang tới những phòng khám xa xôi, cho các bác sĩ ở các làng mạc, đến những vùng chiến sự, khu vực xảy ra thảm hoạ, và cả nhà của bệnh nhân. Chúng phải dễ sử dụng hơn để các y tá, nhân viên bệnh viện, binh lính, và ngay cả bản thân các bệnh nhân cũng có thể thực hiện các xét nghiệm sau khi đã được huấn luyện sơ qua. Cuối cùng, các thiết bị này phải có khả năng cung cấp kết quả nhanh chóng và đáng tin cậy để bệnh nhân khỏi phải chờ đợi hay lo lắng.

Thử tưởng tượng có một phòng xét nghiệm được gói gọn trong một cái hộp cỡ bằng cái máy tính bảng. Phòng xét nghiệm này có một thiết bị để hiển thị kết quả xét nghiệm và được gắn một loạt đầu đo có kích thước siêu nhỏ để phát hiện các phân tử bên trong một mẫu chất lỏng như máu hay nước bọt. Một đầu đo có thể được dùng để chẩn đoán một trong nhiều bệnh lý và tình trạng sức khoẻ khác nhau và có thể thay thế được với giá chỉ vài xu.

Ý tưởng này không phải là hoàn toàn viển vông. Chìa khoá để đạt được điều đó sẽ là các sợi quang—ít nhiều tương tự như những sợi quang đang lan toả khắp địa cầu và chuyển tải vô số dòng dữ liệu và hội thoại với tốc độ không gì sánh kịp. Đường kính cực nhỏ, chi phí rẻ bèo, và khả năng mang thông tin cực lớn làm cho những sợi quang này trở thành nền tảng lý tưởng để chế tạo các cảm biến hoá học chất lượng cao với giá thành thấp.

Chúng tôi gọi công nghệ này là một “phòng xét nghiệm trên sợi quang” (lab-on-fiber). Không chỉ là một giải pháp thay thế với chi phí hợp lý cho một phòng xét nghiệm truyền thống, nó còn có thể thực hiện được những tác vụ bất khả thi vào lúc này. Chẳng hạn như nó có thể len lỏi bên trong các máy móc công nghiệp để kiểm tra chất lượng và tìm kiếm những chỗ rò rỉ. Nó có thể giám sát các luồng nước và các hệ thống chất thải, khảo sát các đại dương, hay cảnh báo chống chiến tranh hoá học. Một ngày nào đó, có thể trong vòng mười năm tới, nó có thể được đưa vào bên trong con người để tìm kiếm bệnh tật hay nghiên cứu quá trình chuyển hoá thuốc bên trong cơ thể.

Chẩn đoán bằng ánh sáng

Một lab-on-fiber sử dụng các tần số cận hồng ngoại để đo chính xác nồng độ của các chất hoá học hay phân tử sinh học trong một dung dịch. Thiết bị này hoạt động như sau:

Ánh sáng laser được chiếu vào LÕI (core) của sợi cáp quang.
Một GƯƠNG NGHIÊNG (tilted grating) phản xạ những bước sóng cộng hưởng ra khỏi lõi của sợi quang. Những bước sóng cộng hưởng này phụ thuộc vào đặc tính của gương và bề mặt của sợi quang.
Khi các PHÂN TỬ MỤC TIÊU (target molecules) bám vào các chất thu nhận (receptors) trên bề mặt của sợi quang, chúng thay đổi bước sóng và cường độ của các tần số cộng hưởng.
Một GƯƠNG PHẲNG BẰNG VÀNG nằm ở đầu của sợi quang phản xạ ánh sáng còn lại trong lõi ngược về đầu bên kia, nơi được nối với một máy phân tích phổ (spectrometer).
MÁY PHÂN TÍCH PHỔ (không trình bày trong hình) phát hiện các thay đổi trong ánh sáng phản xạ và từ đó tính được mật độ của các phân tử mục tiêu.

(Minh hoạ: James Archer/anatomyblue.)

Các nhà nghiên cứu bắt đầu tìm cách chế tạo các phòng xét nghiệm di động với giá rẻ từ cuối những năm 1960. Vào thời đó, các kỹ sư đã tìm ra cách để đưa hàng ngàn—rồi tới hàng tỷ—transistor lên trên một con chíp cỡ bằng cái móng tay. Điều này mở đường cho sự ra đời của các bộ vi xử lý mạnh mẽ và các bộ nhớ có tốc độ nhanh và mật độ dày đặc. Đồng thời với sự phát triển của các hệ thống vi cơ điện tử (microelectromechanical systems – MEMS), các nhà nghiên cứu về y sinh cũng bắt đầu dùng những công nghệ này để xây dựng các mảng cảm biến hoá học nhỏ gọn trên một con chíp silicon.

Những hệ thống như vậy, được gọi là “phòng thí nghiệm trên một con chip” (lab on a chip), có nhiều kiểu thiết kế và độ phức tạp khác nhau. Một cấu trúc điển hình bao gồm các bơm và van tí hon để dẫn một lượng nhỏ mẫu chất lỏng—một giọt máu, chẳng hạn—qua những kênh dẫn tí hon đến các điểm đo đạc khác nhau. Tại những nơi này, các phân tử mục tiêu bên trong máu—chẳng hạn như đường glucose hay các kháng thể vi-rút—phản ứng với các hoá chất khác trên con chíp và làm thay đổi điện áp trên các điện cực hay dòng điện chạy qua các dây dẫn. Con chíp khuếch đại những tín hiệu này, số hoá và phân tích chúng, rồi sau đó gửi kết quả qua các dây dẫn hay kênh không dây tới một màn hình cầm tay. Toàn bộ quá trình kéo dài không quá 20 phút.

Các cảm biến lab-on-a-chip rất thích hợp cho các phòng khám ở khu vực nông thôn hay ở tại giường bệnh. Nhưng khả năng mở rộng việc sử dụng chúng sang các tác vụ khác đã bị chững lại từ lâu do những trở ngại có vẻ như không thể nào giải quyết được. Ví dụ, trong môi trường ẩm ướt—như bên trong cơ thể hay ở ngoài trời—các dây dẫn bằng kim loại của con chíp sẽ dễ dàng bị ăn mòn hay ngắn mạch và làm cho cảm biến không còn đáng tin cậy nữa. Nhiều con chíp còn chứa các vật liệu như arsenic là những chất độc đối với con người. Tuy vậy, hạn chế lớn nhất của chúng là kích thước. Những bộ xử lý, nguồn điện, và bộ phát ngày nay chiếm một kích thước khoảng vài cen-ti-mét vuông—quá lớn để đưa vào trong các mạch máu.

Để vượt qua những trở ngại này, một số nhà nghiên cứu đang tìm cách thay thế các mạch điện tử của con chíp bởi các cấu trúc quang học. Bằng cách sử dụng ánh sáng thay vì dòng điện để theo dõi các phản ứng hoá học, một con chíp quang học có thể làm việc một cách đáng tin cậy bên trong các dung dịch nước, không tạo ra phát xạ điện từ, và ít nguy hiểm hơn đối với các mô.

Ánh sáng còn có một lợi thế quan trọng khác. Mạch điện tử chuyển thông tin đi bằng cách sử dụng chỉ một thông số đo đạc được là biên độ của dòng điện hay điện áp. Tương tự như vậy, các mạch quang học cũng mã hoá dữ liệu bằng cách thay đổi cường độ, hay biên độ, của một sóng ánh sáng. Nhưng ánh sáng còn có thể được phân chia thành nhiều bước sóng, hay màu, để tạo thành nhiều kênh liên lạc. Khả năng gộp dữ liệu này làm tăng dung lượng thông tin của mạch lên đáng kể. Điều này có thể làm cho các cảm biến lab-on-a-chip kiểu quang học có độ nhạy lớn hơn độ nhạy của các cảm biến điện tử nhiều lần.

Mặc dù sở hữu nhiều tính chất đáng mong ước, các lab-on-a-chip kiểu quang học vẫn còn đối mặt với nhiều thử thách đáng kể. Giống như các con chíp điện tử, các hệ thống quang vẫn còn quá lớn để đưa vào bên trong cơ thể. Và ít nhất là ở một khía cạnh khác, vấn đề còn thậm chí tệ hơn. Sóng ánh sáng không thể truyền được qua các khoảng trống nhỏ hơn nhiều so với bước sóng của nó. Vậy nên các con chíp quang học sử dụng ánh sáng cận hồng ngoại có bước sóng khoảng 1 micro-mét lại lớn hơn nhiều so với các chíp điện tử anh em vốn có các chi tiết nhỏ hơn 30 nano-mét.

Chế tạo các cảm biến lab-on-a-chip kiểu quang học còn tốn kém hơn do chúng sử dụng các thấu kính và gương phẳng sắp xếp một cách phức tạp để gom ánh sáng và dẫn chúng đến các điểm phát hiện hoá chất. Chẳng hạn như các chíp quang học chế tạo trên các tấm nền silicon, được dùng trong các thiết bị viễn thông, có giá lên đến vài trăm đô-la một con. Trong khi đó, ta có thể mua một con chíp điện tử với chỉ vài xu.

Vậy làm thế nào mà chúng tôi có thể khai thác những tính chất tuyệt vời của ánh sáng mà không vướng phải những trở ngại nói trên? Chúng tôi xây dựng phòng xét nghiệm không phải trên một con chíp silicon quang học mà trên một sợi quang bằng thuỷ tinh.

Kể từ khi sợi quang trở nên rẻ và phổ biến vào những năm 1980, các nhà nghiên cứu đã thử mọi cách để xây dựng các cảm biến cho một lab-on-fiber. Giờ đây, nhiều nhóm nghiên cứu trên khắp thế giới đã có những vật liệu và phương pháp sản suất tốt nhất để tạo ra những hệ thống mạnh mẽ với giá thành rẻ và trên quy mô lớn.

Ví dụ như nhóm của tôi ở Carleton University (Ottawa, Canada) và các cộng sự của chúng tôi, bao gồm các kỹ sư ở Université de Mons (Bỉ) và Jinan University (Trung Quốc), đang phát triển một lab-on-fiber rất đơn giản để sản xuất nhưng vẫn có khả năng cung cấp các phép đo chính xác. Chúng tôi bắt đầu quá trình sản xuất với một sợi quang viễn thông bình thường, thứ gần như rẻ không.

Sợi thuỷ tinh quang học mảnh như sợi tóc này có một lõi bên trong và một lớp đệm bên ngoài, tất cả được bọc bên trong một lớp vỏ bảo vệ bằng pô-ly-me. Trong khi lớp đệm được làm từ silica nguyên chất thì lõi được pha thêm một lượng rất nhỏ gemanium ôxit để làm tăng chiết suất, một chỉ số cho biết tốc độ của ánh sáng bên trong vật liệu, của lõi. Nếu ánh sáng truyền bên trong lõi đập vào lớp đệm với một góc đến nhỏ hơn một giá trị ngưỡng thì sự khác biệt về chiết suất giữa hai lớp vật liệu sẽ làm cho ánh sáng bị dội ngược về bên trong lõi—một tính chất được gọi là sự phản xạ toàn phần. Theo cách này, ánh sáng có thể phản xạ liên tục bên trong một sợi quang để truyền đi xa nhiều ki-lô-mét. Khả năng truyền ánh sáng trên một khoảng cách xa với rất ít suy hao sẽ cho phép ta luồn các sợi quang vào trong hệ thống cung cấp nước, đưa chúng xuống đáy biển, hay kéo chúng đi khắp bệnh viện.

Đặt đầu đo ở đâu?
Một trong những cách tốt nhất để tạo ra lab-on-fiber là chế tạo các bộ phát hiện hoá chất, hay đầu đo, trên mặt ngoài của một sợi quang [xem minh hoạ ở hình “Chẩn đoán bằng ánh sáng”]. Nhưng đó không phải là cách duy nhất. Dưới đây là hai cách thay thế có tiềm năng nhất:

Trên đỉnh đầu

Các cấu trúc cỡ nano bằng vàng được tạo ra trên đỉnh đầu của một sợi quang bình thường để phản xạ ánh sáng ngược về phía bộ phát hiện nằm ở đầu bên kia. Khi các phân tử mục tiêu bám vào các chất thu nhận nằm trên lớp phủ này, chúng sẽ làm cho lớp phủ dày hơn và làm thay đổi tính chất của ánh sáng bị phản xạ. Andrea Cusano ở Đại Học Sannio (University of Sannio, Italy) là một trong những người nghiên cứu giải pháp này.

Bên trong sợi quang

Các nhà nghiên cứu bắt đầu với một “sợi quang có cấu trúc micro,” có thể dẫn ánh sáng bằng những ống chứa không khí (air tunnels) nằm quanh một lõi rỗng hoặc lõi thuỷ tinh đặc. Sau khi lấp đầy lõi hay các lỗ trống khác bằng mẫu thử khí hay chất lỏng, các nhà nghiên cứu xác định tính chất hoá học của nó bằng cách phân tích phổ của ánh sáng thoát ra khỏi đầu của sợi quang. Các nhà nghiên cứu theo đuổi giải pháp này gồm có Philip Russell ở Viện nghiên cứu về Khoa học Ánh sáng Max Planck (Max Planck Institute for the Science of Light) ở Đức và Ole Bang ở Đại Học Kỹ Thuật Đan Mạch (Technical University of Denmark).

Để biến sợi quang có tính trơ của chúng tôi thành một cảm biến hoá học, trước tiên chúng tôi phải chọn nơi đặt các điểm đo đạc. Một số nhóm nghiên cứu đang xem xét các thiết kế với đầu đo được đặt ở đầu của sợi quang hay bên trong những ống không khí nhỏ xíu nằm trong lớp đệm của một loại sợi quang thử nghiệm được gọi là “sợi quang có cấu trúc micro” (microstructured optical fiber) [xem hình “Đặt đầu đo ở đâu?”]. Tuy nhiên, chúng tôi nhận ra rằng cách đơn giản nhất—và do đó cũng là rẻ nhất—là dùng một đoạn, dài cỡ từ 1 đến 10mm, bề mặt bên ngoài của một sợi quang.

Chúng tôi phủ lên đầu đo này một hợp chất hoá học, được gọi là thuốc thử, sẽ phản ứng với loại phân tử mục tiêu mà chúng tôi định đo đạc, chẳng hạn như các enzim máu hay các phụ gia thực phẩm. Có rất nhiều hợp chất có thể dùng làm thuốc thử và rất nhiều cách để gắn chúng lên một sợi quang. Một trong những phương pháp hứa hẹn nhất mà chúng tôi đang phát triển được tiến hành theo hai bước. Đầu tiên chúng tôi phủ lên bề mặt của đầu đo một lớp kim loại mỏng sử dụng các kỹ thuật thông thường như sputtering, bay hơi (evaporation), hay mạ không dùng điện (electroless plating). Sau đó chúng tôi nhúng đầu đọc vào một thiết bị “salt bath” chứa đầy các phân tử tổng hợp được gọi là “aptamer”. Aptamer kết hợp với lớp phủ trên bề mặt và tạo thành thuốc thử.

Các công ty cung cấp hoá chất có thể tạo ra rất nhiều loại aptamer để kết hợp với các phân tử mục tiêu khác nhau, bao gồm các loại protein, chất độc, và cả vi khuẩn. Vậy nên ta có thể tạo ra các đầu đo trên sợi quang để kiểm tra hầu như bất cứ loại hoá chất hay sinh chất nào. Chúng tôi có thể thay đổi chức năng của một đầu đo đã qua sử dụng bằng cách rửa sạch các aptamer ban đầu trong một chất hoá học rồi phủ các aptamer mới lên.

Sau khi sợi quang của chúng tôi đã có khả năng bắt giữ các phân tử, chúng tôi cần một phương pháp để đếm chúng. Để thực hiện điều này, chúng tôi dùng ánh sáng. Chúng tôi nối một nguồn sáng siêu nhỏ, chẳng hạn như một đi-ốt laser, vào một đầu của sợi quang. Sợi quang sẽ dẫn ánh sáng đi trong lõi của mình đến đầu đo hoá chất. Chúng tôi phủ lên đầu bên kia của sợi quang một lớp vàng làm gương phản chiếu để chúng tôi có thể phân tích ánh sáng phản xạ từ đó bằng một máy phân tích phổ.

Nhưng sự phản xạ đồng đều này sẽ không cho chúng tôi biết bất cứ điều gì về những thay đổi xảy ra trên đầu đo, chẳng hạn như các phân tử bám vào các aptamer. Để chúng tôi có thể quan sát được những sự kiện này, ánh sáng phải tương tác với bề mặt bên ngoài của đầu đo, nơi có các aptamer. Do vậy bằng cách nào đó chúng tôi phải làm cho ánh sáng truyền ra bên ngoài lõi của sợi quang.

Trong nhiều giải pháp trước kia có giải pháp là bỏ đi một phần lớp đệm của sợi quang, bằng cách mài mòn hoặc dùng hoá chất, để ánh sáng tiếp xúc với môi trường bên ngoài. Nhưng những thay đổi như vậy làm cho sợi quang yếu đi và khó mà thực hiện chính xác được, điều này làm tăng chi phí chế tạo của đầu đo.

Thay vào đó, chúng tôi tạo ra các gương nghiêng bên trong lõi của đầu đo. Về cơ bản nó là một cấu trúc cố định được tạo thành bằng cách chiếu ánh sáng laser cực tím với cường độ cao vào sợi quang trong một vài phút trước khi thêm lớp phủ kim loại và thuốc thử. Trước tiên chúng tôi hoà tan lớp nhựa xung quanh đầu đo, làm cho nó trở nên trong suốt đối với ánh sáng cực tím. Chúng tôi chiếu ánh sáng cực tím xuyên qua một đĩa bằng kính có rãnh, gọi là một mặt nạ pha (phase mask), để tách nó thành hai tia. Sau đó chúng tôi đặt sợi quang phía sau mặt nạ, nơi những tia này giao thoa với nhau và tạo thành một kiểu chiếu sáng tuần hoàn: những khoảng bị chiếu sáng mạnh xen kẽ với những khoảng không bị chiếu sáng. Việc chiếu sáng bẻ gãy một vài liên kết điện tử bên trong lõi sợi quang, làm tăng chiết suất của nó theo hình dạng giống như dạng giao thoa của ánh sáng, kiểu như một tấm hình được tạo ra từ một tấm phim. Mỗi nơi mà chiết suất của lõi tăng lên được gọi là một vân (fringe) và khi kết hợp với nhau chúng tạo thành gương.

Những vân khác nhau hoạt động giống như các gương phẳng không hoàn hảo: mỗi vân phản xạ một phần nhỏ ánh sáng đi trong đầu đo. Nếu chúng tôi tạo các grating có các vân nằm thẳng đứng bên trong lõi, chúng sẽ phản xạ ánh sáng ngược lại phía nguồn. Nhưng nhớ rằng chúng tôi muốn grating hướng ánh sáng xuyên qua lớp đệm để đến mặt bên ngoài của sợi quang. Do vậy chúng tôi chỉ việc làm nghiêng sợi quang khi nó đang được chiếu ánh sáng cực tím, và tạo thành một grating nghiêng.

Điều quan trọng cần chú ý là grating không phản xạ tất cả ánh sánh ra khỏi lõi. Thay vào đó, nó chỉ phản xạ những bước sóng cộng hưởng, vốn phụ thuộc vào khoảng cách giữa các vân giao thoa và các tính chất khúc xạ của sợi quang. Khi những bước sóng cộng hưởng này rời khỏi lõi chúng sẽ bị phản xạ ở bề mặt của sợi quang và truyền ngược trở lại lớp đệm. Chúng chỉ truyền đi được xa nhất là một vài cm trước khi bị hấp thụ hoàn toàn bởi lớp vỏ bằng nhựa của sợi quang. Do vậy bằng cách phân tích toàn bộ phổ của ánh sáng bị phản xạ bởi lớp kính bằng vàng và quay lại máy phân tích phổ sau khi đi xuyên qua lõi, chúng tôi có thể nhận ra những bước sóng cộng hưởng đã thoát ra khỏi lõi và bao nhiêu phần ánh sáng đã bị mất đi.

Giờ đây chúng tôi đã sẵn sàng để đưa đầu đo vào làm việc. Khi chúng tôi nhúng nó vào một dung dịch thử nghiệm, chẳng hạn như mẫu máu, bất kỳ phân tử mục tiêu nào hiện diện—chẳng hạn như thuốc—sẽ kết hợp với các aptamer trên bề mặt của đầu đo và làm thay đổi cách đầu đo phản xạ và hấp thụ ánh sáng. Sự biến đổi vật lý nhỏ này sẽ thay đổi màu hay cường độ của các tần số cộng hưởng rời khỏi lõi. Sau đó bằng cách phân tích các đặc tính và độ lớn của những thay đổi này, chúng tôi có thể xác định được nồng độ của các phân tử đã phản ứng với đầu đo.

Vậy phòng xét nghiệm trên sợi quang nhỏ bé của chúng tôi có độ nhạy đến đâu? Điều đó phụ thuộc vào vật liệu mà chúng tôi dùng để gắn các aptamer, có nhiệm vụ bắt các phân tử mục tiêu, lên bề mặt của đầu đo. Bạn có thể nhớ lại rằng chúng tôi phủ một lớp kim loại lên sợi quang trước khi gắn các aptamer lên. Đáng chú ý là chúng tôi nhận thấy rằng lớp kim loại này có thể làm tăng độ nhạy của phòng xét nghiệm lên đến hàng chục ngàn lần.

Điều này có liên quan đến một vài nguyên tắc vật lý lạ lẫm. Độ dày lớp phủ của chúng tôi thường nằm trong khoảng 10 đến 100 nano-mét, nghĩa là chỉ bằng khoảng một phần trăm bước sóng của ánh sáng cộng hưởng đập vào nó. Nếu lớp phủ được làm bằng hầu như bất kỳ loại vật liệu nào khác, phần lớn lượng ánh sáng sẽ truyền qua mà không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi trên bề mặt của lớp phủ, chẳng hạn như thay đổi do các phân tử mục tiêu gắn vào các aptamer. Đó là vì những bước sóng này dài hơn nhiều so với độ dày của lớp phủ. Chúng ta có thể nói rằng ánh sáng không nhận ra sự thay đổi về mặt hoá học.

Một lớp phủ tối quan trọng: Các cấu trúc nanocage bằng kim loại [màu nâu] trên bề mặt của một đầu đo sợi quang tạo ra các điểm tập trung năng lượng điện từ [màu vàng] trong ảnh. Lớp này làm tăng độ nhạy của lab-on-fiber lên hàng chục ngàn lần.
Hình: Mitchell Robson và Anatoli Ianoul (Carleton University).

Nhưng lớp phủ kim loại của chúng tôi có các tính chất độc đáo để làm cho ánh sáng tương tác với chúng. Bởi vì kim loại là chất dẫn điện, các điện tử trên bề mặt cùa nó dao động khi tiếp xúc với một trường điện từ, chẳng hạn như trường điện từ tạo ra bởi một sóng ánh sáng. Dưới những điều kiện phù hợp, tuỳ thuộc vào bước sóng và góc đến của ánh sáng và tính chất của vật liệu làm lớp phủ, sự dao động của các điện tử bên trong cấu trúc của kim loại sẽ cộng hưởng với sự dao động của trường điện từ. Những điện tử cộng hưởng này được gọi là các plasmon bề mặt cục bộ. Giống như các dao động âm được khuếch đại bởi không khí bên trong một cây đàn ghi-ta, các plasmon hấp thu năng lượng từ trường điện từ do sóng ánh sáng tạo ra và tạo ra những vùng tập trung năng lượng điện từ có thể mở rộng đến hàng trăm nano-mét bên ngoài bề mặt của lớp kim loại. Do plasmon chiếm nhiều không gian hơn hẳn so với các vi hạt mà chúng bao quanh, một sóng ánh sáng sẽ có nhiều khả năng “nhận ra” được việc các plasmon bị tác động bởi các thay đổi ở mức độ phân tử xung quanh nó.

Ví dụ như trong một thí nghiệm, chúng tôi đã cho thấy một đầu đo sợi quang không được bao phủ có thể phát hiện 20 phần triệu gam một loại protein thông dụng, gọi là biotin, trong một lít dung dịch thử. Tuy nhiên, một đầu đo phủ vàng, có thể phát hiện nồng độ nhỏ đến 2 phần tỷ gam trong một lít, tương đương với khoảng một nhúm muối ăn trong một hồ bơi 25 mét. (Chúng tôi dùng vàng bởi vì nó trơ về mặt hoá học, do đó nó được xem là an toàn để dùng bên trong cơ thể và sẽ không bị thoái hoá theo thời gian.)

Nhờ kích thước nhỏ bé và độ nhạy phi thường, một lab-on-fiber có thể đảm nhiệm nhiều chức năng khác nhau. Ví dụ như trong một bài báo đăng trên tạp chí Small, nhóm nghiên cứu do Jeoren Lammertyn ở Katholieke Universiteit Leuven, Bỉ, dẫn đầu đã dùng một đầu đo phủ vàng để phát hiện những thay đổi nhỏ nhất có thể xảy ra trong một đoạn DNA. Những kết quả đó cho thấy thiết bị có giá thành rẻ này có thể một ngày nào đó sẽ mang lại khả năng phân tích gen nhanh chóng và chính xác trong các tình huống phức tạp như xơ hoá nang, ung thư, hay một số trường hợp nhiễm trùng.

Ánh sáng cho sự sống: Một lab-on-fiber được dùng để phát hiện sự phát triển của các tế bào ung thư da [màu tím]. Hình được chụp bằng một kính hiển vi huỳnh quang. Hình: Yanina Shevchenko và Gulden Camci-Unal, Harvard University.

Mới gần đây, nhóm của chúng tôi đã cho thấy một lab-on-fiber cũng có thể dùng để theo dõi các tế bào sống. Trong thí nghiệm này, chúng tôi nhúng một đầu đo vào một mẻ cấy các tế bào da để các tế nào này bám vào đầu đo. Khi chúng tôi cung cấp chất dinh dưỡng cho các tế bào, chúng phát triển, làm tăng mật độ của chúng trên bề mặt của sợi quang và do đo đó thay đổi ánh sáng thu được tại máy phân tích phổ. Ngược lại, khi chúng tôi cho các tế bào tiếp xúc với chất độc, chúng chết đi và tách ra khỏi đầu đo làm giảm mật độ bề mặt và tạo ra những thay đổi trên quang phổ. Các nhà khoa học có thể rất thích dùng các cảm biến lab-on-fiber trong việc nghiên cứu các mô còn sống bởi vì chúng rất nhỏ nên không gây ảnh hưởng đến hoạt động của các tế bào.

Mục đích cuối cùng mà chúng tôi nhắm đến là phát triển một lab-on-fiber có thể đưa thẳng được vào cơ thể người để giám sát các thay đổi sinh học theo thời gian thực. Chúng tôi đang dự định làm các thí nghiệm—đầu tiên là trong các ống nghiệm và cuối cùng là trên động vật—để xem một đầu đo sợi quang có thể phát hiện các tế bào ung thư di căn trong máu hay không. Chúng tôi hy vọng sẽ làm sáng tỏ (theo cả nghĩa đen) quá trình những tế bào này tấn công các cơ quan nội tạng. Chúng tôi cũng hy vọng rằng việc này sẽ giúp phát triển các công nghệ tầm soát ung thư mới ít gây tổn thương hơn các phương pháp hiện thời như sinh thiết. Ví dụ, một bác sĩ có thể đưa một đầu đo sợi quang vào mạch máu bằng cách tiêm dưới da. Thủ thuật này sẽ không gây đau đớn gì hơn so với một mũi tiêm phòng cúm.

Có lẽ ta còn phải đợi ít nhất năm năm nữa thì các thiết bị lab-on-fiber mới sẵn sàng cho việc thương mại hoá. Chẳng hạn, một khó khăn chính đang tồn tại là tìm ra cách tăng cường độ bền của lớp phủ bề mặt để các đầu đo có thể được lưu trữ trong nhiều tháng mà không trở nên mất ổn định và do đó mất khả năng kết nối với các phân tử mục tiêu.

Dù sao đi nữa thì công nghệ lab-on-fiber cũng sắp có thể cạnh tranh cả về giá cả cũng như khả năng hoạt động với các công cụ chẩn đoán ngày nay trên nhiều lĩnh vực. Một trong những ứng dụng đầu tiên rất có thể là xét nghiệm máu: thử tưởng tượng bạn có thể mở bộ xét nghiệm tại nhà của bạn, chích đầu ngón tay, và thấm máu vào một loạt các đầu đo sợi quang. Chỉ trong vài phút, máy sẽ tự động e-mail các kết quả cho bác sĩ của bạn, người sẽ liên lạc lại với bạn chỉ trong vài giờ nếu có vấn đề gì. Trong khi đó, bạn có thể tiếp tục công việc thường ngày của mình.

Tác giả: Jacques Albert dẫn dắt nhóm nghiên cứu Các thiết bị Quang học Tiên tiến (Advanced Photonic Components) ở Carleton University, bang Ottawa, Canada. Ông bị cuốn hút bởi cách các mô hình vật lý có thể “đơn giản hoá những điều rõ ràng là phúc tạp.” Là một kỹ sư về các thiết bị sợi quang, ông luôn tìm tòi sự đơn giản trong các thiết kế của mình. “Tôi nhìn các thiết bị phức tạp đó và tự nói với bản thân, ‘Chắc chắn là phải có một cách tốt hơn.’”