0852 nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu luận văn tốt nghiệp

BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO TRƯỜNGĐẠI HỌCBÁCHKHOAHÀNỘI TRẦNTHỊLUYẾN NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HĨA TRÊNCƠSỞDÂYNANOPOLYPYRROLETÍCH HỢPHỆVILƯU Chun ngành: Kỹ thuật Hóa họcMãsố:62520301 TĨMTẮT LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT HĨAHỌC Hà Nội –2017 Cơngtrìnhđượchồnthànhtại: TRƯỜNGĐẠI HỌCBÁCHKHOAHÀNỘI Ngườihướng dẫnkhoa học: Hướng dẫn 1: PGS.TS Mai Anh TuấnHướng dẫn2:PGS.TS.HuỳnhĐăng Chính Phản biện 1: PGS TS Nguyễn Xuân HoànPhảnbiện2:PGS.TS.Vũ Anh Tuấn Phảnbiện 3: PGS.TS.LêAnh Tuấn LuậnánđượcbảovệtrướcHộiđồngđánhgiáluậnántiếnsĩcấpTrườnghọptạiTrường Đạihọc Báchkhoa Hà Nội Vào hồi…… giờ,ngày… tháng… năm…… Cóthểtìmhiểuluậnántạithư viện: Thưviện TạQuang Bửu-TrườngĐHBKHàNội ThưviệnQuốcgia ViệtNam MỞĐẦU Hiệnnay,cácphươngphápphântichsinhhọcphântửtruyềnthống(PCR,ELISA…)đ angđư ́ ợ c s d ụ n g p h ổ b i ế n , c h o k ế t q u ả t ố t v đ ộ c h í n h x c c a o , t u y nhiênbêncạnhnhữngưuđiểm cũngthểhiệnnhữngnhượcđiểm.Cácphươngpháptrên đều phức tạp, yêu cầu kỹ thuật viên có tay nghề cao, u cầu phịng thí nghiệmhiệnđạitạinhững trungtâm nghiêncứu,phânt íchtr ung ơng hoặccácthà nhphố lớn,trongqtrìnhthựchiệncầnphảisửdụngcácsinhphẩmvàhóachấtđặchiệu Các phương pháp đều cần hàng đến hàng ngày để thực đặc biệt, cácthiết bị phân tích, chẩn đốn khơng thể dịch chuyển khỏi nơi lắp đặt ban đầu.Đâycũngl m ộ t t r o n g nh ữ n g đ i ể m t ồn t i c ầ n đ ợ c g i ả i q u y ế t k h i t h ự c h i ệ n c c c h i ế n dịchphântíchlưuđộng.Vì vậy, việcnghiên cứu phát triển kỹ thuật phântích có khả bổ sung, chí thay phần kỹ thuật phân tích truyềnthốnglà thực cần thiết.Cảm biến sinh học thiết bị kỳvọngc ó k h ả n ă n g t h a y t h ế m ộ t p h ầ n c c k ỹ t h u ậ t p h â n t í c h t r u y ề n t h ố n g n h k h ả ứng dụng rộng rãi phát virus gây bệnh, chẩn đoán lâm sàng, giám sátmơi trường,phântíchđộchọc trongthựcphẩm… Vìl í d o t r ê n , c h ú n g t ô i q u y ế t đ ị n h t h ự c h i ệ n l u ậ n n : “ N g h i ê n c ứ u p h t t r i ể n cảmbiếnsinhhọcđiệnhóatrêncơsởdâynanopolypyrroletíchhợphệvilưu”.Mụctiêu củaluậnán: Mục tiêu luận án nghiên cứu chế tạo tích hợp cảm biến sinh học điện hóavà vibìnhphảnứngứngdụngtrongpháthiệncácthànhphầnsinhhọc,baogồm:01)biến tính bề mặt cảm biến sử dụng vật liệu có cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quảcố định phần tử cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến; 02) tích hợp hệ điện cựcvớivibìnhphảnứngnhằmthunhỏhệthốngphântích,giảmlượngmẫutiêuthụvà 3) phát triển tùy biến qui trình đo lường điện hóa sử dụng cảm biến sinh họckhôngđánhdấu nhằmpháthiệncác thành phầnsinhhọc Cáchtiếpcận,phươngphápnghiêncứu: Phương pháp nghiên cứu luận án nghiên cứu thực nghiệm Cách tiếp cậntrong trình nghiên cứu từ kết thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết cáctàiliệuthamkhảo,giảithích,sosánh,đánhgiávà tốiưu quitrìnhthựcnghiệm Nội dung củaluậnán: Đểgiảiquyết đượcmụctiêu củađềtài,luận ántập trungnghiêncứu 3nội dung: Nội dung nghiên cứu 1: Nghiên cứu chế tạo cảm biếnD N A đ i ệ n h ó a t r ê n c s dây nano polypyrrole Trong nội dung nghiên cứu 1, mục tiêu NCS làm quenvới kỹ thuật điện hóa thực hệ đo mở, phép đo điện hóakhơng sử dụng điện cực thương mại mà sở điện cực tự thiết kế pháttriển,vậtliệuthểmềmcấutrúcdâynanođượcchếtạogiữvaitròlàmlớpvậtliệutrung gian bề mặt cảm biến chuyển đổi, giúp nâng cao hiệu cố địnhthành phần cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến, DNA lựa chọn làm đốitượng đo DNA có độ bền, độ ổn định cao dễ đặt mua Nội dung nghiên cứu 1baog m : n g h i ê n c ứ u t ổ n g h ợ p d â y n a n o p o l y p y r r o l e t r ê n đ i ệ n c ự c P t s d ụ n g k ỹ thuậtđiệnhóanhằmbiếntínhbềmặtcảmbiến;nghiêncứucốđịnhDNAdịlênbềmặt cảm biến sở dây nano polypyrrole; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai hóaDNAdị –DNAđíchcủa cảmbiến DNAđiệnhóa chếtạo Nộidungnghiêncứu2:NghiêncứuchếtạocảmbiếnDNAđiệnhóatíchhợphệvi lưu Pháttriểntừcáckếtquảđãđạtđượctrongnộidungnghiêncứu1vớicácphépđođiệnhóađượcthựchiệntronghệđomở,đốivớinộidung nghiên cứu 2, luận ántập trung nghiên cứu tính chất điện hóa diễn thu nhỏb ì n h đ i ệ n h ó a V i ệ c thu nhỏ bình phản ứng, giảm lượng mẫu tiêu thụ có ý nghĩa quan trọng phântíchysinhvìcácmẫuphântíchcóthểlàmẫumáu,vikhuẩn,virus…Nộidungnghiên cứu bao gồm: nghiên cứu thiết kế, chế tạo gắn kết hệ ba điện cực tích hợpPtvàvikênhPDMS;nghiêncứutổnghợpđiệnhóadâynanopolypyrrolebêntrongvi bìnhphảnứngnhằmcốđịnhDNAtrongchếtạocảmbiếnDNAđiệnhóatíchhợpvới hệ vi lưu; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai hóaDNA dị –D N A đ í c h c ủ a c ả m biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu chế tạo với phép đo điện hóa thựchiệntronghệđóng Nội dung nghiên cứu 3: Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợpbình phản ứngminiứng dụng trongp h t h i ệ n v i r u s N e w c a s t l e S a u k h i h o n t h n h nội dung nghiên cứu với qui trình đo lường điện hóa thực mộtbìnhđ i ệ n h ó a t h u n h ỏ , t r o n g n ộ i d u n g n g h i ê n c ứ u l u ậ n n s ẽ t i ế n g ầ n t h ê m m ộ t bước đến ứng dụng thực tiễn Các kết đạt luận án khơng dừng lạiởcácbàibáokhoahọcmàcịncókhảnănghướngđếnsựhợptácvớicáccơngty,cácnhà sảnxuất.Trongnộidungnghiêncứu3,thayvìsửdụngDNAlàmphầntửdịcho cảm biến với qui trình tách chiết phức tạp, địi hỏi chi phí cao thời gian dài,luận án sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ trứnggà– mộtsảnphẩmđãđượcbántrênthịtrườngdocơngtycổphầncơngnghệsinhhọc thú y BTV(Biotech-Vet)cungcấp,tươnglaihướngđếnviệcđánhgiáchấtlượngkhángthểtheođơnđặthàngtừphíacơngty.Nộidungnghiêncứu 3baogồm:nghiêncứuthiếtkế,chếtạovàghépnốihệbađiệncựcsửdụngđiệncựcsosánhthaythếAg/AgCl bình phản ứng mini; nghiên cứu qui trình cố định kháng thể khángvirus Newcastle thu thập trực tiếp từ trứng gà lên bề mặt cảm biến sinh học;nghiên cứu ứng dụng cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình phản ứng mini đãchếtạotrongpháthiệnvirus Newcastle Ýnghĩa khoa họcvàthực tiễncủa luậnán: Nhậnthấycácphươngphápphântíchtrùnthốngđangđượcápdụngrộngrãi,có phổ k ết quảr ộ n g , độ chí nhxáccaonhư ng đ n g t hời c ũ n g c ó nhi ều b ấ t cập triển khaisửdụngnhưđịihỏiđộingũkỹthuậtviêncótaynghềcao,thiếtbịvàsinhphẩm, hóa chất đắt tiền, tập trung sở phân tích thành phố lớn,trung ương , luận án hướng tới việc phát triển kỹ thuật phân tích đótập trung vào việc làm tăng độ nhạy, độ chọn lọc, làm giảm lượng mẫu phân tích, thờigianphântích Luận án tập trung vào phát triển cảm biến sinh học dựa sở thông tin ditruyền (DNA) kháng thể vật chủ, sử dụng kỹ thuật đo lường điện hóa Để pháttriển cảm biến sinh học điện hóa, trước tiên, luận án tập trung nghiên cứu thiết kếvà chế tạo điện cực khác với điện cực truyền thống Bề mặt điện cực sau đượcbiến tính sở lớp vật liệu trung gian với cấu trúc nano Trên bề mặt phân cáchgiữa dung dịch chứa mẫu phân tích màng sinh học có cấu trúc nano, tính chấthóalýdiễnracóphầnkhácsovớinhữngtínhchấtđóởcácđiệncựctrùnthống Các kỹ thuật quét vòng, tĩnh, tổng trở kỹ thuật đo vi sai triển khaiđểnghiêncứucáctínhchấtđiệnhóatạiđây.Đốivớiviệcpháttriểncảmbiếnsin hhọc điện hóa ứng dụng phát thành phần sinh học, vấn đề giảm thể tíchmẫup h â n t í c h , t h u n h ỏ h ệ t h ố n g p h â n t í c h c ó ý n g h ĩ a q u a n t r ọ n g L u ậ n n đ ã t ậ p trung nghiên cứu kỹ thuật đo lường điện hóa vi bình phản ứng có thểtích rấtnhỏ thayvìthựchiệncácphépđotronghệmở Những đóng gópmới củaluậnán: Một đóng góp luận án tổng hợp vật liệu polimedẫn polypyrrole (PPy) với cấu trúc dây nano nhằm mục đích biến tính bề mặt cảmbiến, nâng cao hiệu cố định thành phần cảm nhận sinh học Dây nano PPy đượctổnghợptrực tiếptrênđiệncực làm việc (WE), sử dụngkỹ thuậtp o l i m e h ó a đ i ệ n hóa,khắc phục đư ợ c tìnhtr ạng vật liệuPPy đượctạot hành dướidạngđảo, có c ấu trúchoasúplơ.Đặcbiệt,việctổnghợpthànhcơngvậtliệuPPycócấutrúcnanotạichính xác vị trí mong muốn bên vi bình phản ứng (thể tích µl) mộtthách thức mà thời điểm tại, nhóm nghiên cứu giới làmđược Hiện nay, số lượng cơng trình cơng bố quốc tế liên quan đến việc tổng hợp cấutrúcnanobêntronghệtíchhợpvẫncịnrấthạnchế Bên cạnh đó, việc sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất trựctiếpt t r ứ n g g l m phần t d ò c h o c ả m b i ế n m i ễ n d ị c h c ũ n g l m ộ t t r o n g n h ữ n g đónggópmớicủaluậnán Luận án góp phần quan trọng việc thiết kế, chế tạo gắn kết bìnhphảnứ ngkí chthướ c nhỏtíchhợphệđiệncực c ó khả năngghép nốivớim ạchđo ,trêncơsởđólàmgiảm lượngmẫuphântích,làmtăngtỷlệtínhiệu/nhiễukhiđolường.Hiện tại,đâylà vấn đềnghiên cứucịn mớitại ViệtNam Thêm đóng góp luận án, việc phát triển tùy biến qui trìnhđo lườngđiệnhóađượcthựchiệntrongmộtbìnhđiệnhóathunhỏsửdụngcảmbiếnsinh học khơng đánh dấu nhằm phát phần tử sinh học: DNA virusNewcastle Ngoài ra, việc làm chủ cơng nghệ chế tạo cảm biến điện hóa ba điện cực theophương pháp planar với chất lượng tương đương sản phẩm thương mại cũnglàmộttrongnhữngđóng gópthuyếtphụccủaluận án Bốcục củaluậnán: Luậnánđượctrìnhbàytrong103trang(khơngkểphầnmụclụcvàdanhmụccáctàiliệutham khảo).Cấutrúc củaluậnán gồm: Mởđầu Tổngquan Nghiên cứu chếtạocảmbiếnDNAđiện hóatrêncơsởdâynanopolypyrrole Nghiên cứu chếtạocảmbiếnDNAđiện hóatíchhợphệvilưu Nghiêncứuchếtạocảmbiếnmiễndịchđiệnhóatíchhợpbìnhphảnứngminiứng dụngtrongpháthiệnvirusNewcastle Kết luận Cáck ế t q u ả c h í n h c ủ a l u ậ n n đ ã đ ợ c c ô n g b ố t r o n g c n g t r ì n h k h o a h ọ c , tron gđócó02bàibáođượcđăngtrêntạpchíchunngànhquốctếISI,04bàibáo đượcđăngtrêntạpchíchunngànhtrongnướcvà03báocáotạicáchộinghịtrongnướcvàquốctế TỔNGQUAN 1.1 Cảmbiến sinhhọcđiện hóa 1.1.2.2Kháiniệmcảmbiến sinhhọcvà cảmbiến sinhhọcđiệnhóa Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure andApplied Chemistry) năm 1999 định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) mộtthiết bị tích hợp có khả cung cấp thơng tin phân tích định lượng bán địnhlượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trựctiếp với phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer) Chất gắn phậnchuyển đổi gọi “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân tíchtrong mẫu gọi “phần tử đích” Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học làdựa phản ứng đặc hiệu: kháng nguyên- kháng thể (cảm biến miễn dịch), laihóa DNA (cảm biến DNA) enzym- chất (cảm biến enzym)… Trên sở cácphảnứngđặchiệunày, phầntửnhậnbiếts i n h học giữ vai trò dò tìm đốitượngđíchtrongmẫuphântí chvàphầntửchuyểnđổigiữva itrịchuyển đổi tương tác sinhhọcthànhtínhiệuđiệnhóa, quang,nhiệt…sauđó đưa qua phận xử lýtínhiệuvàhiểnthịkếtquảđo,hì nh1.3 Hình1.3:Ngun lýhoạtđộng củacảmbiếnsinhhọc Có nhiều dạng chuyển đổi tín hiệu chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang,chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi tinh thể áp điện chuyển đổi hệ vicơ… Trong đó, cảm biến sinh học sở chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa cónhiều khả ứng dụng phân tích đối tượng y sinh Nguyên lý hoạt độngcủa cảm biến sinh học điện hóa chuyển tín hiệu phản ứng sinh hóa giữaphần tử nhận biết sinh học phần tử đích dung dịch điện ly thành tín hiệuđượcnhậnbiếtbởikỹthuậtđiệnhóa 1.1.2.4Tiếp cậnpháttriển cảmbiến sinhhọcđiện hóa Đối với việc tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa, vấn đề đặt racóthểlà: Việc lựa chọn, thiết kế chế tạo điện cực cho cảm biến sinh học điện hóa có ýnghĩa định tới độ nhạy, chi phí phép phân tích khả tương thích vớicác quy trình cố định Các điện cực sử dụng cho phát triển cảm biến sinh họcđiện hóa thường kim loại quý Pt,vàng vài dạng cacbon baogồm sợi cacbon,graphit epoxi,graphene cacbon thủy tinh…Việc lựa chọn, thiếtkếvàchếtạođiệncựcphụthuộcvàonănglựccủađộingũnghiêncứuvàđiềukiệncơ sởvậtchấtkỹthuậtcủa phòngsạch Vấn đề thứ hai quan tâm nghiên cứu nhằm mục đích tối ưu hóa quy trìnhcố định phần tử cảm nhận sinh học (DNA kháng nguyên/kháng thể…) bềmặt cảm biến Để nâng cao hiệu cố định phần tử cảm nhận sinh học, bề mặtcảm biến cần biến tính nhằm tạo nhóm chức có khả hình thànhcác liên kết cộng hóa trị, liên kết hyđrơ, liên kết yếu Van der Waals Cónhiềuphươngphápđểbiếntínhbềmặtcảmbiến,mộttrongnhữngphươngph ápđólà sử dụng vật liệu polime dẫn Trong vật liệu polime dẫn, PPy thường lựachọnlàmlớpvậtliệutrung giangiữabềmặtcảmbiếnvàbộchuyểnđổivìpolime d ẫnPPy đápứngđượcnhữngucầusau:1)bámdínhtốtvớibềmặtbộchuyểnđổi; 2) có độ tương thích sinh học cao, khơng làm thay đổi cấu trúc biến tính phần tử cảm nhận sinh học; 3) có khả trùn tải thơng tin tốt từ tương tác sinh họcxuốngbộchuyểnđổi Vấnđềthứbacũngđangthuhútđượcsựquantâmcủanhiềunhàkhoahọctrênthế giới nghiêncứuthiếtkế,chếtạovàtíchhợphệvilưu,vibìnhphảnứ n g v i cảm biến sinh học điện hóa nhằm thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêuthụ, đồng thời nâng cao tỉ lệ tín hiệu/nhiễu phép đo Sự kết hợp cảm biếnsinh học điện hóa hệ vi lưu coi bước đệm để tiến tới chế tạo viphân tích điện hóa cầm tay, giữ vai trị quan trọng việc thực nhiệm vụphântích lưu động.Tuynhiên,hiệntại,vấn đềnàycòntương đốimới Việt Nam Vấnđ ề t h ứ t đ ợ c t ậ p t r u n g h n g đ ế n l n g h i ê n c ứ u x â y d ự n g q u i t r ì n h đ o lườngđiệnhóanhằmpháthiệncácthànhphầnsinhhọc(phầntửđích)trongmẫuphân tích, sở phát triển thiết bị điện hóa phù hợp phục vụ cho việc đolường,phântíchđiệnhóasửdụngcảmbiếnsinhhọc Để giải vấn đề nêu trên, đòi hỏi yếu tố liên ngành nhómnghiênc ứ u : h ó a h ọ c , v ậ t l ý , đ i ệ n t , s i n h h ọ c , k h o a h ọ c v ậ t l i ệ u T r ê n t h ế g i i , nhóm nghiên cứu liên ngành xu hướng ưu tiên nghiên cứu,phátt r i ể n v c h ế t o h ệ đ o đ i ệ n h ó a s d ụ n g c ả m b i ế n m i ễ n d ị c h h o ặ c c ả m b i ế n DNA 1.2 Biếntínhbềmặtcảmbiếnsinhhọcđiệnhóasửdụng dây nano polypyrrole CảmbiếnDNAđiệnhóahoạt độngdựa trênkết khảosát nhữngthayđổi vềđặctínhđiệnhóa khixuấthiệnsựlaihóađặchiệugiữacácchuỗiDNAdịvàDNAđích.Khi nồng độ chuỗi DNA nhỏ, tương tác hai chuỗi DNA làm thay đổi mộtphần nhỏ tín hiệu điện hóa bề mặt màng sinh học (nơi gắn kết DNA dị),vì hiệu trùn tải thơng tin điện hóa từ bề mặt cảm biến đến chuyển đổiquyết định độ nhạy cảm biến DNA Trong đó, kỹ thuật cố định DNA dò lên trênbềm ặ t c ả m bi ến l m ộ t y ế u t ố q u a n t r ọ n g g ó p p h ầ n c ả i t h i ệ n t ỷ l ệ t í n h i ệ u / n h i ễ u HiệntạichưacókỹthuậtổnđịnhđểcốđịnhtrựctiếpchuỗiDNAdịlêntrênbềmặtcủa điện cực kim loại Nói cách khác, người ta thường phải biến tính bề mặt điện cựcbằng cách sử dụng lớp vật liệu trung gian bề mặt cảm biến chuỗi DNA.Lớp vật liệu trung gian cần đáp ứng yêu cầu sau: 1) bám dính tốt với bềmặtbộchuyểnđổivàsợiD N A ; ) c ó đ ộ t n g t h í c h s i n h h ọ c , k h ô n g l m t h a y đ ổ i cấu trúc biến tính sợi DNA; 3) làm tăng hiệu q trình trùn tải thơng tintừ tương tác sinh học xuống chuyển đổi Vật liệu polime dẫn, polypyrrole(PPy), polythiophenevàpolyanilin thường lựa chọn chếtạocảmbiếnsinh họcđiệnhóa,vớivaitrịlàmlớpvậtliệutrunggiangiữacảmbiếnvàbộchuyểnđổivì vật liệu polimedẫnnàyđápứngđủbaucầukểtrên,dođógópphầnlàmtăngđộnhạy,độchínhxác,độổnđịnhcủacảmbiếnsinhhọc.Trong vật liệu polime dẫn,PPy nhận định thích hợp ứng dụng cảm biến sinh học điện hóa nhờ khảnăng tạo cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, khả tạo liên kết tốt với đốitượng sinh học, khả biến tính để điều khiển độ dẫn,do góp phần cải thiện tỷlệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định cảm biến sinh học Đối với việcpháthiệncácphầntửsinhhọctạimơitrườngpHtựnhiêncủacơthểđộngvật,PPycóưu điểm so với polythiophene polyaniline vật liệu tổng hợp từmonomet ại m ô i tr ườ ng pH trungtí nh Bê n cạ nh đó, PPycũngt hể hi ệnnhữngđặc tínhnhưđộbềncao,dễ tổnghợpvàđộdẫntốt Khả ứng dụng vật liệu polime dẫn nói chung PPy nói riêng chế tạocảm biến sinh học điện hóa với vai trị làm lớp vật liệu trung gian bề mặt bộchuyển đổi thành phần cảm nhận sinh học chứng minh qua nhiều cơngtrìnhcơngbốquốctế.Tuynhiên,chođếnthờiđiểmhiệntại,trongnhiềucơngtrình đãcơngbố,vậtliệupolimedẫnPPychủyếuđượctổnghợpvớicấutrúchoasúplơ(màng PPy) Số lượng cơng trình công bố quốc tế liên quan đến việc tổng hợp vàứngdụngvậtliệuPPycấutrúcdâynanotrongchếtạocảm biếnsinhhọcđiệnhóav ẫncịnhạnchế.Trongluậnánnày,vậtliệupolimedẫnPPyvớicấutrúcdâynanosẽđượctổnghợptạichínhxácmộtvịtrímongmuốn(WE) bằngkỹthuậtđiệnhóasửdụng gelatin làm “khn mềm” định hướng cho phát triển dây nano So sánh vớivật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vật liệu PPy cấu trúc dây nano với diện tích bề mặtriênglớnhơnsẽgiúpnângcaohiệuquảcốđịnhcácphầntửcảmnhậnsinhhọclênbề mặt cảm biến, góp phầnc ả i t h i ệ n t ỷ l ệ t í n h i ệ u / n h i ễ u , n â n g c a o đ ộ n h y , đ ộ ổ n địnhcủacảmbiếnsinhhọc 1.4 Tíchhợpcảmbiến sinhhọcđiệnhóavàbìnhphảnứngmini Việc tích hợp cảm biến điện hóa hệ vi lưu, vi bình phản ứng nhằm thu nhỏ hệthống phân tích, giảm thể tích mẫu tiêu thụ xu hướng thu hút quantâm nhiều nhóm nghiên cứu giới Tuy nhiên, tại, vấn đề cịntương đối Việt Nam Bên cạnh đó, cơng trình cơng bố quốc tế, cảmbiến điện hóa tích hợp hệ vi lưu ứng dụng để định lượng thuốc, thay đổihìnhd n g t ế b o , ki m l oại n ặ n g , v àg l u co se tr ong d u n g d ị c h Tuy n hi ên , hi ệnn ay, trênthếgiới,sốlượngcơngtrìnhcơngbốliênquanđếnviệctổnghợpcácvậtliệucấutrúcnanobêntronghệtíchhợpvẫncịnrấthạnchế Trongluậnánnày,việctíchhợpcảm biến sinh học điện hóa hệ vi lưu, tiếp sau qui trình tổng hợp vật liệu cấutrúc nano bên vi bình phản ứng nhằm mục đích biến tính bề mặt cảm biến sẽđược tập trung hướng đến Việc tích hợp cảm biến sinh học điện hóa với vi bình phảnứng phát phần tử sinh học (DNA kháng ngun/kháng thể…)đượccholàkhơngnhữngsẽgiúpthunhỏhệthốngphântích,giảmlượngmẫutiê uthụmàcịn góp phần nâng cao tỉ lệ tín hiệu/nhiễu, cải thiện độc h í n h x c c ủ a h ệ thống 1.5 Kỹthuậtđiệnhóa nhậnbiếtcácthànhphầnsinhhọc Trong kỹ thuật điện hóa ứng dụng nhận biết phần tử sinh học (DNA,khángnguyên/kháng t hể) ,m ỗi k ỹ thuậtđềuc ó nhữ ng u ểmr iêng Ư u ể m phương pháp EIS (phương pháp phổ tổng trở điện hóa) suốt trình đo chỉcần đưa điện áp kích thích nhỏ vào hệ nên hoạt tính thành phần sinh họckhông bị ảnh hưởng hệ giữ trạng thái cân Hơn phương phápEIS có độ ổn định cao, cho phép phân tích khơng tồn q trình mà giaiđoạnriêngrẽ,diễnrađồngthờihoặcsongsongtronghệnghiêncứu.Ưuđiểmcủ a phươngphá pđovisailàcóthểloaibỏsựnhiêucủ amơitrườ ng,dođóchokếtquả đo xác tín hiệu đo nhỏ bị nhiễu nguồn nhiễu khác Ưuđiểm phương pháp CV (phương pháp quét vòng) phương pháp đượcsửdụngrộngrãitrongphântíchđiệnhóanóichungnêncácthiếtbịđiệnhóađượcsửdụng cho phép đo CV phổ biến Hơn nữa, mục tiêu xa hướng đến lànghiên cứu thiết kế, chế tạo vi phân tích điện hóa ứng dụng y sinh (sự kếthợp đầu đo tích hợp, vi bình phản ứng thiết bị điện hóa cầm tay) phươngpháp CV lựa chọn phù hợp, khả thi việc thiết kế, chế tạo mạch đo chothiết bị điện hóa cầm tay Trên sở đó, luận án này, ba kỹ thuật điện hóatrên lựa chọn tùy thuộc vào nội dung nghiên cứu cụ thể điều kiện cơsởvậtchấtkỹthuậttrongtừnggiaiđoạnnghiêncứu NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢMB I Ế N D N A T R Ê N C Ơ SỞDÂYNANO POLYPYRROLE ĐIỆN HÓA 2.1 Mởđầu Trongn ộ i d u n g n g h i ê n c ứ u n y , l u ậ n n s ẽ h n g đ ế n v i ệ c n g h i ê n c ứ u c h ế t o cảmbiếnDNAđiệnhóatrêncơsởdâynanopolypyrrole.Cáckỹthuậtđiệnhóađượcthực hệ đo mở tập trung nghiên cứu, phép đo điện hóakhơng sử dụng điện cực thương mại mà sở điện cực tự thiết kế pháttriển,vậtliệuthểmềmPPycấutrúcdâynanosẽđượcchếtạo nhằmbiếntínhbềmặtcảm biến, giúp nâng cao hiệu cố định thành phần cảm nhận sinh học lên bề mặtcảmbiến,DNAđượclựachọnlàmđốitượngđovìDNAcóđộbền,độổnđịnhcaovàdễ đặtmua 2.2 Thựcnghiệm 2.2.1 Hóa chất Bảng2.1Trìnhtự chuỗiđơn DNA Thiol-C6-5’-AGACCTCCAGTCTCCATGGTACGTC-3’ Chuỗiđầudị(probe): Chuỗiđích(target): 5’-GACGTACCATGGAGACTGGAGGTCT-3’ Chuỗi đích khơngkết cặp: 5’-ACGCTGAGTACGGGTGCAAGAGTCA-3’ 2.2.2 Điệncực tíchhợp Hệ hai điện cực Pt tích hợp bao gồmđiện cực làm việc với diện tích 0,8 mm 2vàđiện cựcđối vớidiệntích5 mm2,hình 2.1 Hình 2.1:(A): quy trình chế tạo rút gọn; (B):điệncựcdùng làmcảm biến 2.2.3 Tổnghợpdây nanoPPy sửdụng kỹthuậtđiệnhóa Quát r ì n h t ổ n g h ợ p d â y n a n o P P y đ ợ c t h ự c h i ệ n t r ê n h ệ đ i ệ n h ó a A u t o L a b PGSTAT12,EcoChemie,HàLan.BìnhđiệnhóasửdụngđiệncựcPttíchhợp(bao nhiêṭtrong15phútở70oC,sauđógiả mnhiêṭđợvềnhiệtđộphịng 3.2.3 TổnghợpdâynanoPPytrongbinhviphan ̉ ứng DâynanoPPyđượctổnghợptrongvibinhpha n̉ ứngsửdụngkỹthuậtđiệnhóaphâncựcthếtĩnh(P ̀ S-Potentiostatic):điện thếphâncực khơng đổi là0 ,5 V trongthời gianphả nứnglà1200giâyvàqué tthếvò ngtuầ nhoà n:điêná ptừ0đêń 0,6V,6 vò ng,tớ cđợqué t25mV/s.Cácb ướcxửlýbềmặtđ iệncựcvàphachếdungdịchđiệnliđược thực hiệntươngtựnhưđãtrìnhbàytrongphần2.2.3 3.2.4 CốđịnhDNAdị trênđiệncựcPt-PPyNWs Quy trình cố định DNA dị lên điện cực Pt-PPy NWs thực tương tự nhưđã trình bày phần 2.2.4 Tuy nhiên, hệ điện cực Pt tích hợp gắn kếtvới vi kênh PDMS nên dung dịch DNA dị cần bơm vaò vi bình phan̉ ưń g thayvìthựchiệnviệcnhỏphủ trựctiếplênbềmặtđiệncực làmviệc (WE) 3.2.5 Phat́ hiêntín hiêulaihoaD ́ NAsưd ̉ ungLock-inAmplifier Tínhiệudòngxoaychiềuvơí tầnsố10kHzvàbiênđộ100mVtưǹ guồnphátđiện thiết bi ̣Lock-in AmplifierSR830đượcđặtvàohaiđiệncựcgiốngnhautíchhợptrong các bình vi phản ứng Trong đó, bề mặt của điện cực cố địnhDNAdò/PPyNWs(đo ń gvaitròđiệncựclàmviệc)vàbềmặtcủađiệncựccònlại đượcbiếntínhchỉvớiPPyNWs(đóngvaitròđ iên cưcsosánh) Hình3.6:Hệđovi saisửdungLock-in AmplifierSR830 DSP Khi4µldungdic ̣hDNAđić h(chuỗibơs̉ ung)đượcbơmvàobiǹ hviphảnưń g, hiêntươnglaihoa ́D N A se ̃d iên ratrênbề m ă t điệncựclàmviệc(đa ̃đ ươc cốđịnh DNAdò),dẫnđếnsựthayđổiđiêntichcu ̣ ̉amaǹ gdân,dođólàmchuyểndichtín ́ hiệu đầu Tín hiệu đầu từ điện cực làm việc điện cực so sánh cảm biến điqua hai điện trở k, thu thập kênh A kênh B Lock-in, sau sẽđượcxửlývàhiển thị kết quảtrên maý tiń h 3.3 Kếtquảvat̀ hảolṇ 3.3.1 Kếtquac̉ hêt́ aohệvikênhtíchhơpvơí điêncưc Hình 3.7 mơ tả hệ vi kênh PDMS tích hợp với điệncực.Kíchthướccủa chip 12x15mm Thểtíchcủavibình phảnứngđượctính theocơng thức: V=a b.h Trongđó: a chiều rộng kênh, a = 3,5 mm = 3500 Hình 3.7:Cảm biến ba µmblàchiềudài kênh,b=5mm=5000 µm điệncựctíchhợpsửdụngPRE h chiềucao củakênh,h =260µm Pttrongbình phảnứng mini