Cố định là gì? Các bài báo nghiên cứu khoa học liên quan

Cố định là gì?

Định nghĩa cơ bản

Cố định (fixation) là quá trình duy trì cấu trúc, hình dạng hoặc vị trí của vật thể, mô, tế bào hoặc hợp chất trong điều kiện cụ thể để ngăn chặn sự thay đổi hoặc phân hủy. Trong sinh học, y học và công nghệ, cố định là bước quan trọng để đảm bảo tính toàn vẹn của mẫu vật trong quá trình phân tích. Việc cố định giúp bảo vệ các thành phần sinh học nhạy cảm như protein, lipid và nucleic acid khỏi các tác nhân ngoại sinh và quá trình tự phân hủy.

Cố định còn được hiểu là việc duy trì trạng thái vật lý, hóa học hoặc sinh học của một hệ thống trong một thời gian xác định, nhằm phục vụ cho nghiên cứu, chẩn đoán hoặc ứng dụng kỹ thuật. Các phương pháp cố định thường được thiết kế để ổn định các cấu trúc siêu phân tử, đảm bảo các đặc tính sinh hóa không bị thay đổi trong quá trình xử lý và lưu trữ. Cố định là bước đầu tiên trong nhiều kỹ thuật phân tích, từ mô học đến vi sinh học, và từ nghiên cứu cơ học đến công nghiệp hóa chất.

Các đặc điểm chính của cố định bao gồm tính ổn định, khả năng duy trì cấu trúc gốc và tính thích ứng với mục đích nghiên cứu hoặc ứng dụng. Việc lựa chọn phương pháp cố định phù hợp dựa trên loại mẫu, tính chất hóa học của chất cố định và mục tiêu phân tích tiếp theo. Cố định đóng vai trò như một “bản sao bất biến” của hệ thống nghiên cứu.

Các loại cố định

Cố định có thể phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau, phổ biến nhất là dựa vào phương pháp thực hiện và mục đích sử dụng. Hai nhóm chính là cố định hóa học và cố định vật lý, với các ưu nhược điểm riêng. Trong một số nghiên cứu, người ta còn phân loại cố định dựa trên khả năng duy trì chức năng sinh học hoặc trạng thái sinh lý.

• Cố định hóa học: Sử dụng hóa chất như formaldehyde, glutaraldehyde hoặc ethanol để tạo liên kết chéo và bảo vệ cấu trúc protein, lipid, nucleic acid. Đây là phương pháp phổ biến trong mô học và giải phẫu bệnh.
• Cố định vật lý: Dùng nhiệt, áp suất, đông lạnh hoặc chiếu xạ để làm bất hoạt enzym và vi khuẩn, duy trì hình thái mẫu. Phương pháp này thường được dùng khi muốn hạn chế tiếp xúc với hóa chất độc hại.
• Cố định sinh học: Liên quan đến việc duy trì trạng thái sinh lý hoặc chức năng tế bào tạm thời trong các nghiên cứu sống, như nuôi cấy tế bào hay quan sát vi sinh vật.

Một số phương pháp cố định lai ghép kết hợp giữa hóa học và vật lý, ví dụ: đông lạnh nhanh kết hợp aldehyde để duy trì cấu trúc tế bào đồng thời bất hoạt enzym tiêu hủy. Bảng sau tổng hợp các phương pháp cố định phổ biến:

Cơ chế cố định hóa học

Cố định hóa học hoạt động bằng cách phản ứng với các nhóm chức năng của protein, lipid và nucleic acid, hình thành các liên kết bền vững để ngăn chặn sự phân hủy. Formaldehyde, một trong những chất cố định phổ biến, tạo cầu nối methylene giữa các amino acid lân cận, giúp bảo vệ hình thái mô. Glutaraldehyde liên kết mạnh hơn, duy trì cấu trúc siêu phân tử và làm mẫu ổn định cho quan sát dưới kính hiển vi điện tử.

Một số phản ứng hóa học cơ bản: $R-NH_2 + HCHO \rightarrow R-NH-CH_2-OH$

Các liên kết này giúp ngăn chặn enzym phân hủy tự nhiên và vi khuẩn tấn công mô. Sự lựa chọn nồng độ và thời gian cố định cần tối ưu để tránh quá cố định, gây thay đổi cấu trúc hoặc ức chế các kỹ thuật phân tích sau này.

Cố định hóa học còn ảnh hưởng đến các phân tử sinh học khác như nucleic acid, lipid mà nếu không kiểm soát, có thể dẫn đến mất thông tin sinh học quan trọng. Việc tối ưu hóa phương pháp cố định dựa trên loại mô, mục đích nghiên cứu và kỹ thuật phân tích tiếp theo.

Cố định trong sinh học và y học

Trong sinh học và y học, cố định là bước quan trọng trong nghiên cứu mô học, giải phẫu bệnh, và xét nghiệm tế bào. Mục tiêu là duy trì cấu trúc mô, ngăn chặn tự phân hủy, và bảo vệ các thành phần sinh học để quan sát dưới kính hiển vi. Các mẫu mô cố định có thể lưu trữ dài hạn mà vẫn giữ nguyên hình thái ban đầu.

Ứng dụng cụ thể:

• Bảo quản cấu trúc tế bào và mô để thực hiện nhuộm màu.
• Ngăn enzym và vi sinh vật làm hỏng mẫu.
• Hỗ trợ các kỹ thuật miễn dịch huỳnh quang, PCR, và phân tích phân tử.

Các kỹ thuật cố định này thường đi kèm với bảo quản trong dung dịch chứa formalin, glutaraldehyde hoặc ethanol, và được điều chỉnh dựa trên loại mô và mục đích phân tích. Tham khảo thêm thông tin chi tiết tại NCBI - Tissue Fixation Methods.

Cố định trong vi sinh và công nghệ sinh học

Trong vi sinh, cố định giúp duy trì hình thái vi sinh vật và cấu trúc tế bào để quan sát hoặc phân tích đặc tính sinh học. Ví dụ, Gram staining yêu cầu cố định vi khuẩn bằng nhiệt hoặc cồn trước khi nhuộm để giữ vi khuẩn bám chắc trên lam kính và ngăn dịch tế bào tràn ra ngoài.

Trong công nghệ sinh học, cố định enzyme hoặc vi sinh vật trên giá thể rắn là phương pháp quan trọng để tăng hiệu suất phản ứng sinh học. Việc cố định này cho phép enzyme hoặc tế bào tái sử dụng nhiều lần, tăng ổn định nhiệt và giảm chi phí trong sản xuất công nghiệp như lên men, xử lý nước thải hoặc sản xuất sinh học các hợp chất hóa học.

Các phương pháp cố định vi sinh bao gồm:

• Gắn kết hóa học với nhựa trao đổi ion hoặc gel polymer.
• Nhúng trong ma trận gel agar hoặc alginate để giữ hình thái tế bào.
• Liên kết vật lý trên bề mặt rắn qua hấp phụ hoặc ép nén.

Cố định trong sinh lý thực vật

Cố định là bước quan trọng trong nghiên cứu sinh lý thực vật để bảo tồn cấu trúc mô, tế bào và các thành phần sinh học trước khi phân tích. Ví dụ, cố định lá, rễ hoặc mô sinh dưỡng bằng aldehyde hoặc ethanol giúp duy trì hình thái và thành phần hóa học nội bào.

Quy trình cố định mô thực vật thường bao gồm:

• Ngâm mẫu trong dung dịch cố định phù hợp, ví dụ formaldehyde hoặc FAA (formalin–acetic acid–alcohol).
• Rửa và loại bỏ chất cố định dư thừa để tránh làm thay đổi hình thái.
• Bảo quản trong dung dịch chống phân hủy hoặc đông lạnh cho phân tích lâu dài.

Các mô thực vật có đặc thù cell wall dày, vacuole lớn, do đó cần điều chỉnh nồng độ hóa chất và thời gian cố định để đảm bảo thấm đều và bảo vệ cấu trúc siêu phân tử.

Cố định trong kỹ thuật hình học và cơ khí

Trong kỹ thuật cơ khí và hình học, cố định (mechanical fixation) là việc giữ vật thể ở vị trí cố định bằng phương pháp cơ học như ốc, bulông, keo dán, mối hàn hoặc gá kẹp. Mục đích là đảm bảo ổn định hình học, truyền lực chính xác và ngăn trượt hoặc rung.

Ứng dụng phổ biến:

• Gắn kết các chi tiết máy trong lắp ráp cơ khí để đảm bảo chính xác kích thước và định vị.
• Cố định mẫu thử trong thí nghiệm cơ học để đo lực, mô men hoặc biến dạng.
• Ứng dụng trong công nghệ xây dựng, như cố định kết cấu thép hoặc bê tông trước khi đông cứng.

Bảng minh họa các phương pháp cố định cơ học:

Cố định trong hóa học và phản ứng hóa học

Trong hóa học, cố định có thể chỉ sự gắn kết hoặc ổn định một chất hóa học trong môi trường cụ thể. Ví dụ, cố định CO2 trong dạng muối carbonate hoặc bằng enzym Rubisco trong quang hợp giúp chuyển khí carbon thành các hợp chất hữu cơ ổn định. Một số kim loại hoặc ion cũng được cố định trên nhựa trao đổi ion hoặc chất hấp phụ để tránh mất mát hoặc ô nhiễm môi trường.

Cố định hóa chất giúp tăng ổn định phản ứng, kiểm soát tốc độ phản ứng, và giảm sự biến đổi không mong muốn. Trong nghiên cứu công nghiệp, cố định chất hóa học là bước quan trọng để cải thiện hiệu suất, giảm tác động môi trường và tăng độ an toàn.

Ưu điểm và hạn chế của cố định

Ưu điểm:

• Bảo tồn cấu trúc mô và tế bào trong thời gian dài.
• Cho phép phân tích chính xác hình thái và phân tử.
• Hỗ trợ các kỹ thuật sinh học hiện đại như miễn dịch huỳnh quang, PCR, hoặc kính hiển vi điện tử.
• Tăng độ ổn định enzyme hoặc vi sinh vật trong nghiên cứu và công nghiệp.

Hạn chế:

• Một số phương pháp cố định có thể làm thay đổi cấu trúc tế bào hoặc làm mất một số thành phần sinh học nhạy cảm.
• Cần kiểm soát nồng độ hóa chất và thời gian cố định để tránh quá cố định.
• Trong cơ khí, cố định sai phương pháp có thể gây hỏng chi tiết hoặc mất chính xác vị trí.

Tài liệu tham khảo

1. National Center for Biotechnology Information. Tissue Fixation Methods.
2. Junqueira, L. C., Carneiro, J. Basic Histology, 14th ed., McGraw-Hill, 2019.
3. Presnell, J. S., Schreibman, M. P. Humane Histology and Histochemistry, 3rd ed., Academic Press, 2017.
4. Alberts, B. et al. Molecular Biology of the Cell, 6th ed., Garland Science, 2015.
5. U.S. Environmental Protection Agency. EPA Chemical Research and Safety.
6. Madigan, M. T., Martinko, J. M. Biology of Microorganisms, 15th ed., Pearson, 2017.