Huỳnh quang cảm ứng bằng laser là một phương pháp sử dụng tia laser để làm cho các chất đặc biệt phát ra ánh sáng. Jan Pavelka / Wikimedia Commons, CC BY-SA (www.theconversation.com)
Các nghiên cứu gần đây cho thấy có dấu hiệu vi khuẩn Covid-19 có thể lan truyền trong không khí. Nhưng để khẳng định điều này thì cần phải chứng thực Covid-19 có hiện diện trong không khí. Vấn đề vẫn còn khó khăn là làm sao để phát hiện Covid-19 trong không khí. Hai giáo sư và một nhà nghiên cứu, gồm Suresh Dhaniyala, Giáo Sư Về Kỹ Thật Cơ Khí và Hàng Không tại Đại Học Clarkson University; Hema Priyamvada Ravindran, nhà nghiên cứu tại Trung Tâm Khoa Học và Kỹ Thuật Về Nguồn Thủy Sản và Không Khí tại Đại Học Clarkson University; và Shantanu Sur, Phó Giáo Sư Về Sinh Học tại Đại Học Clarkson University, đã có bài phân tích về vấn đề này được đăng trong trang mạng www.theconversation.com hôm 14 tháng 8 năm 2020. Việt Báo xin đăng bản dịch Việt của Thụy Âm để độc giả tường lãm.
*******
Ngày càng có nhiều nghiên cứu cho thấy rằng SARS-CoV-2, vi khuẩn gây dịch Covid-19, có thể truyền nhiễm từ người này sang người khác qua không khí. Các không gian bên trong với sự thông gió kém tại những nơi vi khuẩn đang lưu hành thì đặc biệt nguy hiểm.
Trong thế giới hư cấu của “Star Trek,” các viên chức y tế công cộng và những nhân viên cấp cứu có thể xác định tức thì có phải không gian có sự tập trung nguy hiểm của vi khuẩn trong không khí, và bất cứ mầm bệnh nào khác, đơn giản bằng việc vẫy chiếc máy giả tưởng tricorder – thiết bị cầm tay nhiều chức năng để quét cảm biến, phân tích dữ liệu và ghi dữ liệu trong phim.
Kỹ thuật đó, đã được tưởng tượng ra 60 năm trước, vẫn còn đứng vững trong lãnh vực viễn tưởng. Tuy nhiên, các thiết bị có thể khám phá nhanh chóng những mầm bệnh trong không khí đặc biệt – gồm SARS-CoV-2 – đang trong các nghiên cứu của nhiều phòng thí nghiệm khác nhau.
Không khí chúng ta hít thở
Việc khám phá sự hiện hữu của các hạt vi khuẩn trong không khí là phức tạp bởi sự pha tạp của những hạt nhỏ khác trong không khí. Không khí gồm rất nhiều hạt trôi nổi, một phần đáng kể trong số đó là sinh học. Thường, với mỗi hơi thở, bạn hít vào khoảng một ngàn hạt sinh học.
Những bioaerosols - là tên phụ của các hạt được giải phóng từ các hệ sinh thái trên đất liền và biển vào khí quyển – gồm các sinh vật sống và chết, gồm những vi khuẩn, vi trùng, nấm, phấn hoa, cây cỏ và những mảnh vỡ động vật. Các vi khuẩn là nhỏ nhất của những hạt này. Chúng có kích cỡ từ 10 tới 300 nanometers (một phần tỉ mét), hay phần triệu của millimet. Ngược lại, những tế bào hồng huyết cầu có kích cỡ từ 6 tới 8 microns (một phần triệu mét), hay từ 6,000 tới 8,000 nanometers, trong đường kính. Vi trùng có kích thước từ 1 tới 4 microns và nấm có kích cỡ từ 5 tới 10 microns. Các miếng cây cỏ và động vật thường lớn hơn 10 microns.
Hầu hết những hạt sinh học này không được xem là lành mạnh, bởi vì hầu hết là những mảnh thực vật và động vật, gồm con người. Tuy nhiên, nó chỉ chiếm một số nhỏ của các vi trùng nguy hiểm để tạo ra đại dịch.
Nhận dạng vi trùng xấu
Để hiểu mối đe dọa tiềm năng từ các hạt trong không khí, thật là quan trọng để nhận dạng một phần nhỏ của vi khuẩn có vấn đề hay gây bệnh từ tất cả các hạt trong không khí hiện diện. Nhận dạng hạt trong không khí bắt đầu với việc lấy những hạt sinh học từ không khí, thường là bằng cách thu thập những hạt vào trong một cái đãy lọc, trong một lọ chất lỏng hay chất sền sệt.
Thường, các nhà nghiên cứu chuyển các hạt trong không khí được thu thập tới một môi trường nuôi cấy được lập ra để hỗ trợ sự phát triển vi khuẩn. Cách các vi khuẩn phản ứng với môi trường nuôi cấy đặc biệt – kích thước, hình dáng, màu sắc và tỉ lệ phát triển của thuộc địa vi khuẩn – có thể chỉ ra các loại vi khuẩn.
Tiến trình này có thể mất từ nhiều ngày tới nhiều tuần, và thường không hiệu quả. Các khoa học gia chỉ có thể nhận dạng khoảng 1% vi khuẩn trong không khí với biện pháp này.
Các nhà khoa học ngày càng dựa vào các phân tích có cơ sở di truyền để vẽ bản đồ các vi khuẩn và những vi sinh vật khác thu thập được trong các mẫu không khí. Một kỹ thuật phổ biến đối với phân tích dựa theo di truyền là sự phản ứng chuỗi polymerase (PCR), sử dụng một phản ứng lên men để làm các bản sao của di truyền đặc biệt một phần của di truyền để sắp xếp trình tự di truyền – DNA hay RNA – có thể được khám phá trong một mẫu. Thử nghiệm PCR có thể được thiết lập để nhận ra các trình tự di truyền đặc trưng cho một vi sinh vật để việc phát hiện trình tự tương đương với việc xác định vi sinh vật.
Kỹ thuật này hiện là tiêu chuẩn vàng để phát hiện sự hiện hữu của SARS-CoV-2 từ các mẫu que lấy nước mũi. Các phương pháp dựa vào PCR thì rất chính xác trong việc nhận ra những mầm bệnh.
Kỹ thuật sắp xếp trình tự thế hệ kế tiếp làm cho nó có khả năng lập trình tự nhanh chóng toàn bộ di truyền sinh vật. Dùng những kỹ thuật này, các nhà nghiên cứu hiện có khả năng để hiểu toàn bộ chủng loại của các vi sinh vật – sự đa dạng và phong phú của chúng – trong không khí.
Phát hiện nhanh chóng
Bất kể những tiến bộ này, vẫn còn nhiều công việc cần được làm để có thể xác định ngay tức thì sự có mặt của các mầm bệnh trong không khí. Những kỹ thuật gần đây đối với việc xác định vi khuẩn thì đắt đỏ, đòi hỏi dụng cụ chuyên môn và phải trải qua tiến trình nhiều bước dài. Chúng cũng không thể phát hiện một loại từ số lượng nhỏ của vật chất di truyền.
Tuy nhiên, những tiến bộ gần đây cung cấp sự hứa khả cho việc phát triển của các cảm biến có thể cung cấp thông tin nhanh về những hạt sinh học.
Một biện pháp sử dụng tia laser cảm ứng ánh sáng huỳnh quang. Trong kỹ thuật này, các hạt được chiếu sáng với ánh sáng của màu sắc đặc biệt hay chiều dài của sóng, và chỉ những hạt sinh học phản ứng bằng việc phát ra huỳnh quang, hay phát ra ánh sáng. Kỹ thuật này có thể được dùng để xác định và định lượng sự hiện hữu của những hạt sinh học trong không khí trong thời gian thực nhưng nó không khác biệt giữa vi khuẩn an toàn và nguy hại.
Tiến bộ khác đang sử dụng phép đo quang phổ rộng lớn để phát hiện hạt sinh học. Trong kỹ thuật này, một hạt sinh học đơn được bắn ra bằng tia laser và các mảnh phân tử lập tức được phân tích để xác định thành phần phân tử của các hạt. Các nhà nghiên cứu cũng đang sử dụng cảm biến dựa vào phép đo quang phổ Raman. Phép đo quang phổ Raman có thể xác định thành phần phân tử từ ánh sáng phản chiếu của mẫu mà không làm tiêu diệt các mẫu.
Thách thức lớn trong gói nhỏ
Những kỹ thuật này đang làm tiến bộ sự phát hiện ngay tức thì và sự xác định của vi trùng trong không khí và nấm, nhưng chúng ít hiệu quả trong việc khám phá vi khuẩn, gồm SARS-CoV-2. Cơ bản là bởi vì các vi khuẩn thì quá nhỏ, làm cho khó khăn để thu thập chúng với các mẫu không khí và khó khăn để thực hiện việc phân tích PCR với số ít của DNA/RNA.
Các nhà nghiên cứu đang làm việc để giải quyết các hạn chế của việc phát hiện vi khuẩn trong không khí. Trong phòng thí nghiệm của chúng tôi tại Đại Học Clarkson, chúng tôi đã phát triển một cảm biến các hạt sinh học rẻ tiền và một máy thu thập cho việc lấy mẫu các hạt sinh học ở phạm vi rộng lớn. Mẫu hoạt động bằng pin này dùng nguồn điện cao thế kích thước rất nhỏ để ion hóa các vi khuẩn trong không khí, vi trùng và nấm và thu thập chúng trên bề mặt. Ion hóa mang đến các hạt sinh học một điện tích. Mang đến cho bề mặt thu thập điện tích đối nghịch làm cho các hạt dính vào bề mặt.
Những mẫu từ bộ phận thu thập của chúng tôi có thể được phân tích với các trình tự DNA/RNA có thể mang theo tay, cho phép sự phát hiện hạt sinh học gần thời gian thực với dụng cụ cầm tay phí tổn thấp.
MinION là máy sắp xếp trình tự DNA lớn bằng bàn tay của Đại Học Oxford.(www.theconversation.com)
Máy tricorder của tôi đâu?
Những tiến bộ này có thể không bao lâu nữa có thể phát hiện mầm bệnh được biết như là SARS-CoV-2, với dụng cụ cầm tay. Nhưng chúng vẫn còn cách xa với chiếc máy giả tưởng tricorder.
Bởi vì chúng đòi hỏi các mức độ tương đối cao của mầm bệnh để phát hiện. Để có thể xác định vi khuẩn như SARS-CoV-2 ở các cấp độ thấp hơn đủ để truyền nhiễm bệnh sẽ đòi hỏi sự phát triển các máy cảm biến với các giới hạn phát hiện thấp hơn. Hơn nữa, những máy cảm biến này chỉ có thể được điều chỉnh để khám phá các mầm bệnh đặc biệt, không thể rọi hình cho tất cả các mầm bệnh khả dĩ.
Dù tương đương của máy giả tưởng tricorder trong phim “Star Trek” không sớm có được, sự cần thiết đối với thiết bị như thế chưa bao giờ lớn hơn. Bây giờ là thời điểm thích đáng cho sự xuất hiện của các kỹ thuật cảm biến mới dựa vào những tiến bộ vượt bực đang được thực hiện trong lãnh vực điện tử, máy điện toán và thông tin sinh học. Khi mầm bệnh mới kế tiếp xuất hiện, sẽ là tuyệt vời để có máy xách tay kiểu tricorder.
Send comment
