Nghiên cứu phát triển hệ thống phát hiện protein dựa trên hệ thống vi lưu thao tác tập trung protein tích hợp vi cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Quốc Tuấn NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG PROTEIN TÍCH HỢP VI CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG Hà Nội – 2021 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Quốc Tuấn NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG PROTEIN TÍCH HỢP VI CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử Mã số: 9520203.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Thanh Tùng GS.TS Chử Đức Trình Hà Nội – 2021 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan kết trình bày luận án cơng trình nghiên cứu hướng dẫn PGS.TS Bùi Thanh Tùng GS.TS Chử Đức Trình Các số liệu kết luận án hoàn toàn trung thực chưa cơng bố cơng trình trước Các kết lấy từ tài liệu tham khảo trích dẫn đầy đủ theo quy trình Nội, ngày tháng năm 2021 Vũ Quốc Tuấn i LỜI CẢM ƠN Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Chử Đức Trình PGS.TS Bùi Thanh Tùng, giúp định hướng triển khai đề tài nghiên cứu Với giúp đỡ thầy, thực nội dung nghiên cứu, giải vấn đề đặt q trình nghiên cứu có kết quan trọng luận án Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô, cán Bộ môn Vi điện tử vi hệ thống, Khoa Điện tử viễn thông Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN hỗ trợ tơi q trình học tập nghiên cứu trường Tôi xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Đỗ Quang Lộc, Trường đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, có thảo luận giá trị đóng góp cho luận án hỗ trợ q trình chế tạo, thử nghiệm Bên cạnh tơi xin cảm ơn thạc sĩ Trần Như Trí, Trường Đại học Cơng nghệ, ĐHQGHN hỗ trợ đo đạc thử nghiệm thu thập liệu từ mạch đo kết nối với máy tính Cùng với đó, tơi xin chân thành cảm ơn giáo sư Chun-Pin Jen thạc sỹ MengSyuan Wu, Đại học quốc gia Chung Cheng, Đài Loan, có hỗ trợ nguyên vật liệu, trang thiết bị, tham hỗ trợ nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm Tôi xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Ngọc Việt hỗ trợ trình đo đạc thời gian làm nghiên cứu sinh Đại học Quốc gia Chung Cheng, Đài Loan Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình bạn bè ln động viên tơi lúc khó khăn để hoàn thành luận án Vũ Quốc Tuấn ii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN II MỤC LỤC III DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VII DANH MỤC BẢNG VIII DANH MỤC HÌNH IX MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHIP SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN PROTEIN Vai trò việc phát protein chẩn đoán bệnh kỹ thuật xét nghiệm protein Vai trò việc phát protein chẩn đoán bệnh Kỹ thuật xét nghiệm ELISA Kỹ thuật hóa mơ miễn dịch (IHC) .9 Kỹ thuật đếm dòng chảy (flow cytometric) Kỹ thuật Protein microarrays Kỹ thuật sử dụng kênh vi lỏng 10 Tổng quan nghiên cứu phát triển chip sinh học chip phát protein .11 Các nghiên cứu chip sinh học nước .12 iii Các nghiên cứu chip sinh học nước phát protein 14 Chip vi kênh tập trung protein giúp giảm thời gian xét nghiệm tăng khả phát protein 19 Dòng chảy điện di dòng chảy điện thẩm 20 Làm giàu, làm nghèo ion 20 Chip vi kênh tập trung protein dựa nguyên lý dòng chảy EOF làm nghèo ion 23 Cảm biến sinh học kiểu trở kháng tụ điện sử dụng phương pháp đo điện xét nghiệm sinh học xét nghiệm protein 32 Kết luận chương 34 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG 36 Hệ thống phát protein với chức tập trung, chọn lọc phát .36 Tập trung protein 41 Nguyên lý hoạt động tập trung protein 41 Phương pháp tạo kênh nano cách sử dụng điện áp thấp DC đánh thủng lớp tiếp xúc .42 Chọn lọc phát protein sử dụng cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng tích hợp kênh vi lỏng 44 Cảm biến miễn dịch kiểu tụ điện phẳng 44 Mô hình cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng hai điện cực .46 Tụ bề mặt 48 Tính tốn cho mơ hình cảm biến tụ phẳng 48 iv Phương pháp đo phổ trở kháng (EIS) .49 Nghiên cứu phát triển mạch đo phân tích trở kháng .51 Chế tạo chip vi kênh tập trung phát protein .58 Chế tạo kênh vi lỏng 58 Chế tạo điện cực kính, gắn nano vàng phiến kính 60 Gắn kênh vi lỏng lên chip .61 Quy trình gắn kháng thể 64 Kết chế tạo chip 66 2.5 Kết luận chương .67 CHƯƠNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG 69 Tập trung phát protein chip điện cực tròn 69 Cảm biến miễn dịch tụ phẳng điện cực tròn 69 Thiết lập hệ đo 70 Kết tập trung protein với chip kênh vi lỏng có tích hợp cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng cấu trúc điện cực tròn vùng tập trung 71 Phát protein chip vi kênh sau tập trung protein phương pháp đo trở kháng sử dụng mạch thiết kế 74 Phát lớp sinh hóa gắn điện cực vàng sử dụng cấu trúc cảm biến lược 79 Cảm biến tụ phẳng kiểu lược tích hợp chip vi kênh tập trung phát protein .80 Trở kháng bề mặt tần số cao 83 Mơ hình đo tụ cảm biến sinh học kiểu lược tần số cao 83 v Kết khảo sát cảm biến cấu trúc lược với nồng độ muối PBS khác 85 Phát theo dõi lớp sinh hóa hình thành điện cực trình gắn kháng thể dựa phương pháp đo điện dung tần số cao 90 Kết tập trung phát protein chip có cấu trúc điện cực hình lược .95 Kết luận chương 98 KẾT LUẬN 101 DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 PHỤ LỤC 113 vi DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT STT Chữ viết tắt ELISA Nghĩa tiếng anh Enzyme linked-immunosorbent Nghĩa tiếng việt Xét nghiệm ELISA assay IHC Immunohistochemistry Xét nghiệm hóa mơ miễn dịch EOF Electro-osmotic flow Dòng chảy điện thẩm CPE Constant phase element Phần tử pha không đổi EIS Electrical impedance spectroscopy Phổ trở kháng IDEAs Integreted digitated electrode Điện cực lược (nhiều arrays điện cực xen kẽ) Lab on a Chip Phịng thí nghiệm chip LoC PDMS Polydimethylsiloxan Tên vật liệu PBS Photpha salt solution Muối phốt phát 10 PoC Point of Care Chăm sóc sức khỏe chỗ 11 SNR Signal to Noise Ratio Tỉ lệ tín hiệu tạp vii DANH MỤC BẢNG Bảng 1: Kích thước cảm biến điện cực tròn 70 viii Tài liệu tham khảo Abiri H, Abdolahad M, Gharooni M, Ali Hosseini S, Janmaleki M, Azimi S, Hosseini M, Mohajerzadeh S (2015) Monitoring the spreading stage of lung cells by silicon nanowire electrical cell impedance sensor for cancer detection purposes Biosensors and Bioelectronics 68:577–585 doi: 10.1016/j.bios.2015.01.057 Alicia D Powers and Sean P Palecek P (2014) Choosing Treatment for Cancer Patients J Healthc Eng 3:503–534 doi: 10.1260/2040-2295.3.4.503 Anderson NL (2010) The clinical plasma proteome: A survey of clinical assays for proteins in plasma and serum Clinical Chemistry 56:177–185 doi: 10.1373/clinchem.2009.126706 Anh-Nguyen T, Tiberius B, Pliquett U, Urban GA (2016) An impedance biosensor for monitoring cancer cell attachment, spreading and drug-induced apoptosis Sensors and Actuators, A: Physical 241:231–237 doi: 10.1016/j.sna.2016.02.035 Anh TM, Dzyadevych S V., Soldatkin AP, Duc Chien N, Jaffrezic-Renault N, Chovelon JM (2002) Development of tyrosinase biosensor based on pH-sensitive field-effect transistors for phenols determination in water solutions Talanta 56:627–634 doi: 10.1016/S00399140(01)00611-7 Aoki K, Hou Y, Chen J, Nishiumi T (2013) Resistance associated with measurements of capacitance in electric double layers Journal of Electroanalytical Chemistry 689:124–129 doi: 10.1016/j.jelechem.2012.10.004 Astorga-Wells J, Swerdlow H (2003) Fluidic preconcentrator device for capillary electrophoresis of proteins Analytical Chemistry 75:5207–5212 doi: 10.1021/ac0300892 Beech JP (2011) Microfluidics Separation and Analysis of Biological Particles, PHD Thesis Blume SOP, Ben-Mrad R, Sullivan PE (2015) Characterization of coplanar electrode structures for microfluidic-based impedance spectroscopy Sensors and Actuators, B: Chemical 218:261–270 doi: 10.1016/j.snb.2015.04.106 10 Bogomolova A, Komarova E, Reber K, Gerasimov T, Yavuz O, Bhatt S, Aldissi M (2009) Challenges of electrochemical impedance spectroscopy in protein biosensing Analytical Chemistry 81:3944–3949 doi: 10.1021/ac9002358 104 11 Chen Y, Wu HF, Amstislavskaya TG, Li C, Jen C (2016) A simple electrokinetic protein preconcentrator utilizing nano-interstices 024121 doi: 10.1063/1.4946768 12 Chiang P, Kuo C, Zamay TN, Zamay AS, Jen C (2014) Microelectronic Engineering Quantitative evaluation of the depletion efficiency of nanofractures generated by nanoparticle-assisted junction gap breakdown for protein concentration MICROELECTRONIC ENGINEERING 115:39–45 doi: 10.1016/j.mee.2013.10.024 13 Crow MK, Karasavvas N, Sarris AH (2001) Protein aggregation mediated by cysteine oxidation during the stacking phase of discontinuous buffer SDS-PAGE BioTechniques 30:311–316 doi: 10.2144/01302st04 14 Cruz AFD, Norena N, Kaushik A, Bhansali S (2014) A low-cost miniaturized potentiostat for point-of-care diagnosis Biosensors and Bioelectronics 62:249–254 doi: 10.1016/j.bios.2014.06.053 15 Cui H, Li S, Yuan Q, Wadhwa A, Eda S, Chambers M, Ashford R, Jiang H, Wu J (2013) An AC electrokinetic impedance immunosensor for rapid detection of tuberculosis Analyst 138:7188–7196 doi: 10.1039/c3an01112g 16 Daniels JS, Pourmand N (2007) Label-free impedance biosensors: Opportunities and challenges Electroanalysis 19:1239–1257 doi: 10.1002/elan.200603855 17 Derkus B, Emregul KC, Mazi H, Emregul E, Yumak T, Sinag A (2014) Protein a immunosensor for the detection of immunoglobulin G by impedance spectroscopy Bioprocess and Biosystems Engineering 37:965–976 doi: 10.1007/s00449-013-1068-2 18 Do LQ, Thuy HTT, Bui TT, Dau VT, Nguyen N-V, Duc TC, Jen C-P (2018) Dielectrophoresis Microfluidic Enrichment Platform with Built-In Capacitive Sensor for Rare Tumor Cell Detection BioChip Journal doi: 10.1007/s13206-017-2204-x 19 Dubois LH, Nuzzo RG (1992) Synthesis, Structure, and Properties of Model Organic Surfaces Annual Review of Physical Chemistry 43:437–463 doi: 10.1146/annurev.pc.43.100192.002253 20 Esfandyarpour R, Esfandyarpour H, Javanmard M, Harris JS, Davis RW (2013) Sensors and Actuators B : Chemical Microneedle biosensor : A method for direct label-free real time protein detection Sensors & Actuators: 10.1016/j.snb.2012.11.064 105 B Chemical 177:848–855 doi: 21 Frey BL, Corn RM (1996) Covalent Attachment and Derivatization of Poly(L-lysine) Monolayers on Gold Surfaces As Characterized by Polarization-Modulation FT-IR Spectroscopy Analytical Chemistry 68:3187–3193 doi: 10.1021/ac9605861 22 FX Reymond Sutandy, Jiang Qian, Chien-Sheng Chen and HZ (2001) Overview of Protein Microarrays Organic Geochemistry 32:1173–1174 doi: 10.1002/0471140864.ps2701s72.Overview 23 Ghosh Dastider S, Barizuddin S, Dweik M, Almasri MF (2012) Impedance biosensor based on interdigitated electrode array for detection of <i>E.coli</i> O157:H7 in food products Sensing for Agriculture and Food Quality and Safety IV 8369:83690Q-83690Q–7 doi: 10.1117/12.920821 24 Grimwade L, Scott MA, Erber WN, Bloxham D, Gudgin E (2010) PML protein analysis using imaging flow cytometry Journal of Clinical Pathology 64:447–450 doi: 10.1136/jcp.2010.085662 25 Haab BB (2014) Antibody Arrays in Cancer Research doi: 10.1074/mcp.M500010-MCP200 26 Han A, Yang L, Frazier AB (2007) Quantification of the heterogeneity in breast cancer cell lines using whole-cell impedance spectroscopy Clinical Cancer Research 13:139–143 doi: 10.1158/1078-0432.CCR-06-1346 27 Hong J, Yoon S, Kim K, Kim S, Kim S, Pak Y (2005) AC frequency characteristics of coplanar impedance sensors as design parameters 270–279 doi: 10.1039/b410325d 28 Hudelist G, Pacher-Zavisin M, Singer C, Holper T, Kubista E, Schreiber M, Manavi M, Bilban M, Czerwenka K (2004) Use of high-throughput protein array for profiling of differentially expressed proteins in normal and malignant breast tissue Breast Cancer Research and Treatment 86:281–291 doi: 10.1023/B:BREA.0000036901.16346.83 29 Ibrahem Jasim, Zhenyu Shen, Zahar Mlaji, Nuh Yuksek, Amjed Abdullah, Jiayu Liu, Shib Dastider, Majed El-Dweik, Shuping Zhang MA (2018) An impedance biosensor for simultaneous detection of low concentration of Salmonella serogroups in poultry and fresh produce samples Biosensors and Bioelectronics 126:292–300 doi: 10.1016/j.bios.2018.10.065 30 Ibrahim M, Claudel J, Kourtiche D, Nadi M (2013) Geometric parameters optimization of planar interdigitated electrodes for bioimpedance spectroscopy Journal of Electrical 106 Bioimpedance 4:13–22 doi: 10.5617/jeb.304 31 Ibrahim M, Claudel J, Kourtiche D, Nadi M (2013) Geometric parameters optimization of planar interdigitated electrodes for bioimpedance spectroscopy Journal of Electrical Bioimpedance 4:13–22 doi: 10.5617/jeb.304 32 Igreja R, Dias CJ (2004) Analytical evaluation of the interdigital electrodes capacitance for a multi-layered structure Sensors and Actuators, A: Physical 112:291–301 doi: 10.1016/j.sna.2004.01.040 33 Ingvarsson J, Wingren C, Carlsson A, Ellmark P, Wahren B, Engström G, Harmenberg U, Krogh M, Peterson C, Borrebaeck CAK (2008) Detection of pancreatic cancer using antibody microarray-based serum protein profiling Proteomics 8:2211–2219 doi: 10.1002/pmic.200701167 34 Chen Y, Jen C, Amstislavskaya TG, Chen K, Chen Y (2015) Sample Preconcentration Utilizing Nanofractures Generated by Junction Gap Breakdown Assisted by Self-Assembled Monolayer of Gold Nanoparticl PLOS ONE 10:e0126641 doi: 10.1371/journal.pone.0126641 35 Kadimisetty K, Song J, Doto AM, Hwang Y, Peng J, Mauk MG, Bushman FD, Gross R, Jarvis JN, Liu C (2018) Fully 3D printed integrated reactor array for point-of-care molecular diagnostics Biosensors and Bioelectronics 109:156–163 doi: 10.1016/j.bios.2018.03.009 36 Kim SM, Burns MA, Hasselbrink EF (2006) Electrokinetic Protein Preconcentration Using a Simple Glass/Poly(dimethylsiloxane) Microfluidic Chip doi: 10.1021/AC060031Y 37 Kong TF, Shen X, Marcos, Yang C (2017) Lab-on-chip microfluidic impedance measurement for laminar flow ratio sensing and differential conductivity difference detection Applied Physics Letters 110 doi: 10.1063/1.4984897 38 Lee JH, Chung S, Kim SJ, Han J (2005) Poly ( dimethylsiloxane ) -Based Protein Preconcentration Using a Nanogap Generated by Junction Gap Breakdown key to the application of proteomics in a biological system Analytical Chemistry 79:13770–13773 39 Lee JH, Song Y-A, Han J (2008) Multiplexed proteomic sample preconcentration device using surface-patterned ion-selective membrane Lab on a chip 8:596–601 doi: 10.1039/b717900f 107 40 Lei KF (2011) Quantitative electrical detection of immobilized protein using gold nanoparticles and gold enhancement on a biochip Measurement Science and Technology, Volume 22, Number 10 105802 doi: 10.1088/0957-0233/22/10/105802 41 Li S, Jiang H, Wu J, Yuan Q, Morshed BI, Ke C (2012) Dielectrophoretic responses of DNA and fluorophore in physiological solution by impedimetric characterization Biosensors and Bioelectronics 41:649–655 doi: 10.1016/j.bios.2012.09.036 42 Lichtenberg J, Verpoorte E, de Rooij NF (2001) Sample preconcentration by field amplication stacking for microchip-based capillary electrophoresis Electrophoresis 22:258–271 doi: 10.1002/1522-2683(200101)22:23.0.CO;2-4 43 Limbut W, Hedström M, Mattiasson B (2007) Capacitive biosensor for detection of endotoxin 517–525 doi: 10.1007/s00216-007-1443-4 44 Lin C-C, Hsu J-L, Lee G-B (2011) Sample preconcentration in microfluidic devices Microfluidics and Nanofluidics 10:481–511 doi: 10.1007/s10404-010-0661-9 45 Liu F, Nordin AN, Li F, Voiculescu I (2014) A lab-on-chip cell-based biosensor for labelfree sensing of water toxicants Lab on a Chip 14:1270–1280 doi: 10.1039/c3lc51085a 46 Liu X, Cheng C, Wu J, Eda S, Guo Y (2017) A low cost and palm-size analyzer for rapid and sensitive protein detection by AC electrokinetics capacitive sensing Biosensors and Bioelectronics 90:83–90 doi: 10.1016/j.bios.2016.10.098 47 Liu X, Yang K, Wadhwa A, Eda S, Li S, Wu J (2011) Development of an AC electrokineticsbased immunoassay system for on-site serodiagnosis of infectious diseases Sensors and Actuators, A: Physical 171:406–413 doi: 10.1016/j.sna.2011.08.007 48 Loyprasert S, Hedström M, Thavarungkul P, Kanatharana P, Mattiasson B (2010) Biosensors and Bioelectronics Sub-attomolar detection of cholera toxin using a label-free capacitive immunosensor 25:1977–1983 doi: 10.1016/j.bios.2010.01.020 49 Luka G, Ahmadi A, Najjaran H, Alocilja E, Derosa M, Wolthers K, Malki A, Aziz H, Althani A, Hoorfar M (2015) Microfluidics integrated biosensors: A leading technology towards labon-A-chip and sensing applications Sensors (Switzerland) 15:30011–30031 doi: 10.3390/s151229783 50 Mattiasson B, Hedström M (2016) Trends in Analytical Chemistry Capacitive biosensors for 108 ultra-sensitive assays Trends in Analytical Chemistry 79:233–238 doi: 10.1016/j.trac.2015.10.016 51 Mok J, Mindrinos MN, Davis RW, Javanmard M (2014) Digital microfluidic assay for protein detection Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 111:2110–2115 doi: 10.1073/pnas.1323998111 52 Md.Salimullah, MasakiMori, KoichiNishigak, (2006) High-throughput Three-dimensional Gel Electrophoresis for Versatile Utilities: A Stacked Slice-gel System for Separation and Reactions (4SR), Genomics Proteomics Bioinformatics 2006; 4(2): 136 53 Nguyen BH, Tran HV, Tran LD, Nguyen H Le, Nguyen PX, Van Hieu N (2010) Electrochemical detection of short HIV sequences on chitosan/Fe3O4 nanoparticle based screen printed electrodes Materials Science and Engineering: C 31:477–485 doi: 10.1016/j.msec.2010.11.007 54 Nguyen N, Wu J, Jen C (2018) Effects of Ionic Strength in the Medium on Sample Preconcentration Utilizing Nano-interstices between Self-Assembled Monolayers of Gold Nanoparticles Biochip Journal 1–9 doi: 10.1007/s13206-018-2402-1 55 Nguyen NV, Yang CH, Liu CJ, Kuo CH, Wu DC, Jen CP (2018) An aptamer-based capacitive sensing platform for specific detection of lung carcinoma cells in the microfluidic chip Biosensors doi: 10.3390/bios8040098 56 Niyomdecha S, Limbut W, Numnuam A (2017) Biosensors and Bioelectronics Capacitive antibacterial susceptibility screening test with a simple renewable sensing surface Biosensors and Bioelectronic 96:84–88 doi: 10.1016/j.bios.2017.04.042 57 Niyomdecha S, Limbut W, Numnuam A, Asawatreratanakul P, Kanatharana P, Thavarungkul P (2017) Capacitive antibacterial susceptibility screening test with a simple renewable sensing surface Biosensors and Bioelectronics 96:84–88 doi: 10.1016/j.bios.2017.04.042 58 Olthuis W, Streekstra W, Bergveld P (1995) Theoretical and experimental determination of cell constants of planar-interdigitated electrolyte conductivity sensors Sensors and Actuators: B Chemical 24:252–256 doi: 10.1016/0925-4005(95)85053-8 59 Pu Q, Yun J, Temkin H, Liu S (2004) Ion-Enrichment and Ion-Depletion Effect of Nanochannel Structures, Nano Lett., Vol 4, No 6, 2004 109 60 Quoc TV, Wu MS, Bui TT, Duc TC, Jen CP (2017) A compact microfluidic chip with integrated impedance biosensor for protein preconcentration and detection Biomicrofluidics 11 doi: 10.1063/1.4996118 61 Romanov V, Davidoff SN, Miles AR, Grainger DW, Gale BK, Brooks BD (2014) A critical comparison of protein microarray fabrication technologies Analyst 139:1303–1326 doi: 10.1039/c3an01577g 62 Santos A (2014) Fundamentals and Applications of Impedimetric and Redox Capacitive Biosensors Journal of Analytical & Bioanalytical Techniques S7 doi: 10.4172/21559872.S7-016 63 Savitri D, Mitra CK (1999) Modeling the surface phenomena in carbon paste electrodes by low frequency impedance and double-layer capacitance measurements 163–169 64 Schmitt M, Sturmheit AS, Welk A, Schnelldorfer C, Harbeck N of Urokinase and Its Inhibitor, PAI-1, in Human Breast Cancer Tissue Extracts by ELISA 120:245–265 65 Sharma D, Lee J, Seo J, Shin H (2017) Development of a sensitive electrochemical enzymatic reaction-based cholesterol biosensor using Nano-sized carbon interdigitated electrodes decorated with gold nanoparticles Sensors (Switzerland) 17 doi: 10.3390/s17092128 66 Shin KS, Ji JH, Hwang KS, Jun SC, Kang JY (2016) Sensitivity Enhancement of Bead-based Electrochemical Impedance Spectroscopy (BEIS) biosensor by electric field-focusing in microwells Biosensors and Bioelectronics 85:16–24 doi: 10.1016/j.bios.2016.04.086 67 Soraya G V., Huynh DH, Skafidas E, Kwan P, Chana G, Chan J, Nguyen TC, Todaro M, Abeyrathne CD (2018) An interdigitated electrode biosensor platform for rapid HLAB*15:02 genotyping for prevention of drug hypersensitivity Biosensors and Bioelectronics 111:174–183 doi: 10.1016/j.bios.2018.01.063 68 Swietnlow A, Skoog M, Johansson G (1992) Double-Layer Capacitance Measurements of Self-Assembled Layers on Gold Electrodes 4:921–928 69 Tam PD, Van Hieu N, Chien ND, Le AT, Anh Tuan M (2009) DNA sensor development based on multi-wall carbon nanotubes for label-free influenza virus (type A) detection Journal of Immunological Methods 350:118–124 doi: 10.1016/j.jim.2009.08.002 70 Tech JAB, Santos A, Davis JJ, Bueno PR (2014) Analytical & Bioanalytical Techniques 110 Fundamentals and Applications of Impedimetric and Redox Capacitive Biosensors doi: 10.4172/2155-9872.S7-016 71 Teeparuksapun K, Kanatharana P, Limbut W, Thammakhet C (2009) Disposable Electrodes for Capacitive Immunosensor 1066–1074 doi: 10.1002/elan.200804517 72 Bin Tian and James L Manley (2008) Anal Biochem Bone 23:1–7 doi: 10.1038/jid.2014.371 73 TN Lien T, Xuan Viet, N, Chikae M (2011) Development of Label-Free Impedimetric hCGImmunosensor Using Screen-Printed Electrode Journal of Biosensors & Bioelectronics 02:2–7 doi: 10.4172/2155-6210.1000107 74 Tokel O, Inci F, Demirci U (2014) Advances in plasmonic technologies for point of care applications Chemical Reviews 114:5728–5752 doi: 10.1021/cr4000623 75 Vericat C, Vela ME, Corthey G, Pensa E, Cortés E, Fonticelli MH, Ibañez F, Benitez GE, Carro P, Salvarezza RC (2014) Self-assembled monolayers of thiolates on metals: A review article on sulfur-metal chemistry and surface structures RSC Advances 4:27730–27754 doi: 10.1039/c4ra04659e 76 Veskimäe K, Staff S, Grönholm A, Pesu M, Laaksonen M, Nykter M, Isola J, Mäenpää J (2016) Assessment of PARP protein expression in epithelial ovarian cancer by ELISA pharmacodynamic assay and immunohistochemistry Tumor Biology 37:11991–11999 doi: 10.1007/s13277-016-5062-6 77 Wang YC, Stevens AL, Han J (2005) Million-fold preconcentration of proteins and peptides by nanofluidic filter Analytical Chemistry 77:4293–4299 doi: 10.1021/ac050321z 78 Wu NT, Jiang BS, Lo YH, Huang JJ (2018) Investigation of streptavidin-ligand biochemical interactions by IGZO thin film transistors integrated with microfluidic channels Sensors and Actuators, B: Chemical 262:418–424 doi: 10.1016/j.snb.2018.01.177 79 Y Wang, R Wang, Y Li, B Srinivasan, S Tung, H Wang, M F Slavik CLG (2010) Detection of Escherichia coli O157:H7 Using Interdigitated Array Microelectrode-Based Immunosensor 2:91–97 doi: 10.1149/1.3484111 80 Yaziji H, Taylor CR, Goldstein NS, Dabbs DJ, Hammond EH, Hewlett B, Floyd AD, Barry TS, Martin AW, Badve S, Baehner F, Cartun RW, Eisen RN, Swanson PE, Hewitt SM, 111 Vyberg M, Hicks DG (2008) Consensus recommendations on estrogen receptor testing in breast cancer by immunohistochemistry Applied Immunohistochemistry and Molecular Morphology 16:513–520 doi: 10.1097/PAI.0b013e31818a9d3a 81 Yi Y, Park J (2005) Fabrication of Electrochemical Sensor with Tunable Electrode Distance Journal of Semiconductor Technology and Science 5:30–37 82 Zhang D, Lu Y, Zhang Q, Liu L, Li S, Yao Y, Jiang J, Liu GL, Liu Q (2016) Protein detecting with smartphone-controlled electrochemical impedance spectroscopy for point-of-care applications Sensors and Actuators, B: Chemical 222:994–1002 doi: 10.1016/j.snb.2015.09.041 83 Zoltowski P (1998) On the electrical capacitance of interfaces exhibiting constant phase element behaviour Journal of Analytical & Bioanalytical Techniques 149–154 112 PHỤ LỤC Mạch đo phổ trở kháng analog Version (V1) Hình PL.1 PL.2 mơ tả thiết kế mô-đun đo phổ trở kháng dựa khuếch đại Lock-in sơ đồ mạch nguyên lý mô-đun đo phổ trở kháng IC ICL8038 sử dụng để tạo tín hiệu thay đổi tần số với độ lệch pha 90 độ Tín hiệu sau giảm biên độ đưa vào cảm biến Tín hiệu từ cảm biến qua điện trở R0 xuống đất Dịng điện từ đo thông qua điện rơi điện trở R0 IC AD620 sử dụng tiền khuếch đại đo vi sai điện áp hai đầu điện trở R0 Hình PL.1: Sơ đồ nguyên lý chế tạo mach đo phổ trở kháng, a) chip protein sau chế tạo, b) module đo phổ trở kháng từ 10 kHz đến 100 kHz, c) sơ đồ khối mạch đo phổ trở kháng Tín hiệu sau qua khuếch đại đưa vào nhân với tín hiệu tham chiếu cách sử dụng IC điều chế AD 630 Để đo phần thực phần ảo tín hiệu cần có tín hiệu tham chiếu với hai trạng thái pha pha độ pha 90 độ 113 Tín hiệu sau nhân qua lọc thông thấp để lấy thành phần DC Việc sử dụng IC phát hàm analog để tạo hai tín hiệu lệch pha 90 tạo sai số pha dẫn đến sai lệch kết đo Hơn việc chuyển tần số phải sử dụng núm vặn thay đổi đồng hồ đo tần số để biết mạch hoạt động tần số Để khắc phục vấn đề nêu trên, tác giả cải tiến mạch cách thay phát hàm analog sang phát hàm số Bộ phát hàm số tạo tín hiệu chuẩn với độ lệch pha xác Ngồi ra, tần số pha điều khiển phần mềm tự động đo theo thời gian không cần phải chuyển tần tay mạch điện V1 Hình PL.2: Sơ đồ mạch nguyên lý đo phổ trở kháng V1 114 Mạch đo phổ trở kháng version (V2) Hình PL.3: Sơ đồ nguyên lý mạch đo V2 Dựa mạch đo V1, số khối thay để đo phổ trở kháng cảm biến sinh học trình bày hình PL.3 Sơ đồ nguyên lý mạch điện mơ-đun mạch đo V2 trình bày hình PL.4 Bộ phát hàm sử dụng mô-đun phát hàm AD9850 đồng xung với nhằm phát hai tín hiệu đồng pha tần số Cụ thể việc phát tần số cài đặt phần mềm với dải tần từ 10 kHz đến 200 kHz Mỗi bước nhảy tần số có độ phân dải Hz Với việc đáp ứng nhu cầu khuếch đại Lock-in tạo hai tín hiệu thay phiên với độ lêch pha 0o 90o IC AD9805 cho phép phát tín hiệu sine dải rộng từ vài Hz đến 10 MHz hay đổi độ lệch pha Tín hiệu lệch pha độ 90 độ tạo hai mô-đun phát hàm digital AD9805 đồng xung clock trình bày Hình PL Các tham số tần số pha ghi vào ghi Việc đồng xung clock hai mơ-đun cho phép phát hai tín hiệu với độ lệch pha xác cài đặt 115 116 Hình PL.4: Sơ đồ mạch nguyên lý mạch V2 thiết kế phần mềm Altium Hình PL.5: Tín hiệu lệch pha độ 90 độ tạo hai mô-đun phát hàm digital AD9805 đồng xung clock Hình PL 6: Giao diện phần mềm điều khiển đo phổ trở kháng 117 Trong thiết kế mạch Arduino sử dụng để nhận lệnh điều khiển từ máy tính thực thi lệnh phát tín hiệu cài đặt thu tín hiệu sau xử lý máy tính Các tham số cài đặt dải tần số đo, bước tần số đo, thời gian đo nhập từ phần mềm máy tính Mơ-đun sau đo tự động cách quét điểm tần số đo Hình PL.6 mơ tả giao diện phần mềm đo phổ trở kháng máy tính Sau kết nối với mô-đun, tham số cài đặt tần số nhỏ nhất, tần số lớn nhất, bước nhảy tần số đo thời gian đo Trên bảng kết hai tham số tín hiệu U0 U90 trình bày phần nội dung luân án Mạch V2 đáp ứng việc tự động đo, tăng độ xác hai tín hiệu chuẩn lệch pha 90 độ (độ lệch pha xác liên quan đến kết đo Lock-in) Tuy nhiên mạch chưa nhỏ gọn việc sử dụng ADC mạch Arduino kết hợp với mạch ngồi khơng tốt Tạo sai số lớn chuyển đổi tín hiệu ADC Để giải vấn đề trên, mạch V2 cải tiến thành mạch V3 Với việc tích hợp thêm ic ADC ngồi 118 ... CHƯƠNG NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG 36 Hệ thống phát protein với chức tập trung, ... CHƯƠNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG 69 Tập trung phát protein chip điện cực tròn 69 Cảm biến miễn dịch tụ phẳng. .. TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ Vũ Quốc Tuấn NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG PROTEIN TÍCH HỢP VI CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG Chuyên ngành: