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 Nộ i – 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 trình chế tạo, thử nghiệm Bên cạnh tơi xin cảm ơn thạc sĩ Trần Như Trí, Trường Đại học Công 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 Meng-Syuan 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 động viên lúc khó khăn để hồn 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) 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 Chế tạo điện cực kính, gắn nano vàng phiến kính 58 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 Nghĩa tiếng việt Enzyme linked-immunosorbent assay Xét nghiệm ELISA 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 arrays Điện cực lược (nhiều điện cực xen kẽ) LoC Lab on a Chip Phịng thí nghiệm chip 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