Trang 1 --- NGUYỄN THỊ THUC M BI N SINH HẢẾỌC ĐIỆN HÓA PHÁT HI NỆKHÁNG NGUYÊN PSA S DỬ ỤNGĐẦU THU SINH H C NHÂN T O PSA-MIPỌẠChuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN THỊ THU CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA PHÁT HIỆN KHÁNG NGUYÊN PSA SỬ DỤNG ĐẦU THU SINH HỌC NHÂN TẠO PSA-MIP Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : PGS TS Trương Thị Ngọc Liên Hà Nội – 2019 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17051113910481000000 LỜI CẢM ƠN Lời luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới PGS TS Trương Thị Ngọc Liên, người thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi công việc sống giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tơi xin chân thành cảm ơn thầy cô viện Vật Lý Kỹ Thuật tạo điều kiện để học tập, nghiên cứu Viện suốt q trình học tập trường Tơi xin cảm ơn hỗ trợ Quỹ Phát triển khoa học Công nghệ Quốc gia (NAFOSTED)- mã số 103.99-2017.333 hỗ trợ thực đề tài Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới tất bạn bè, đặc biệt người bạn phịng thí nghiệm cảm biến sinh học, người quan tâm, động viên, trao đổi thông tin, kiến thức suốt thời gian qua Cuối cùng, xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân tôi, người tin tưởng, động viên tiếp sức cho thêm nghị lực để vững bước vượt qua khó khăn Hà Nội, ngày 18 tháng năm 2019 Học viên Nguyễn Thị Thu LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả Nguyễn Thị Thu LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHĨA 2017B MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC BẢNG BIỂU LỜI MỞ ĐẦU .7 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN TÀI LIỆU .9 Cảm biến sinh học .9 1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động 1.2 Ứng dụng 12 Ung thư tiền liệt tuyến 13 2.1 Nguyên nhân gây bệnh 14 2.2 Phương pháp chẩn đoán 15 2.3 Kháng nguyên PSA - chất điểm khối u 16 Màng đơn lớp tự lắp ghép (Self-assembly molecular-SAM) 18 Công nghệ polyme in phân tử chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo 20 4.1 Nguyên lý in phân tử 20 4.2 Ứng dụng 23 Một số kỹ thuật phân tích sử dụng nghiên cứu .24 5.1 Phương pháp quét tuần hoàn 24 5.2 Phương pháp phân tích quang phổ tán xạ Raman .27 5.3 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) 29 CHƯƠNG 2: THỰC NGHIỆM 33 Hóa chất, vật tư thiết bị .33 1.1 Hóa chất .33 1.2 Vật tư, thiết bị 36 Quy trình chế tạo cảm biến sử dụng đầu thu sinh học nhân tạo PSA-MIP 38 2.1 Tổng hợp hạt nano vàng (AuNPs) điện cực SPCE .39 2.2 Chế tạo đầu thu PSA-MIP 41 CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 45 Đặc trưng quang phổ Raman .45 Cảm biến PSA-MIP@pp1 .49 2.1 Khảo sát độ nhạy cảm biến theo bề dày màng polymer 49 NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHÓA 2017B 2.2 Khảo sát độ chọn lọc cảm biến 54 Cảm biến PSA-MIP@pp2 .56 3.1 Khảo sát hoạt động cảm biến PSA-MIP@pp2a 56 3.2 Khảo sát hoạt động cảm biến PSA-MIP@pp2b 59 KẾT LUẬN .64 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 65 NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHÓA 2017B DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ cấu tạo nguyên lý cảm biến sinh học nói chung 10 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý làm việc cảm biến sinh học 12 Hình 1.3: Tuyến tiền liệt bình thường tuyến tiền liệt ung thư .14 Hình 1.4: Cấu trúc kháng nguyên PSA (PSA/KLK3) 16 Hình 1.5: Cấu trúc phân tử p-ATP hình thành màng SAM(p-ATP) .20 Hình 1.6: Quá trình in phân tử vào mạng polyme 21 Hình 1.7: a) In phân tử sử dụng liên kết cộng hóa trị; 23 b) In phân tử sử dụng liên kết khơng cộng hóa trị .23 Hình 1.8: Mối quan hệ dòng-thế phương pháp CV 25 Hình 1.9: Sơ đồ biến đổi Raman 28 Hình 1.10: Mạch điện tương đương Randles đường cong Nyquist đặc trưng phổ EIS cảm biến faradaic 31 Hình 2.1: Cấu trúc điện cực SPCE hãng Biodevice, Nhật Bản .36 Hình 2.2: Hệ phân tích điện hóa (trái) máy đo quang phổ Raman (phải) .37 Hình 2.3: Quy trình chế tạo đầu thu sinh học nhân tạo PSA-MIP phát kháng nguyên PSA sử dụng điện cực AuNPs-SPCE theo công nghệ polyme in phân tử theo hai kỹ thuật: pp1) sử dụng kháng thể đơn dòng mAb-PSA pp2) in trực tiếp kháng nguyên PSA vào màng polyme với dung dịch polyme khơng chứa HAuCl (pp2a) có chứa HAuCl (pp2b) với mục đích nhúng hạt vàng vào màng polyme-MIP 38 Hình 2.4: Đặc trưng dịng - q trình qt tuần hồn tổng hợp AuNPs điện cực SPCE 40 Hình 2.5: Đặc trưng dịng-thế q trình qt tuần hồn làm bề mặt đế AuNPs-SPCE dung dịch H2SO4 1M 41 Hình 3.1: Đặc trưng quang phổ Raman điện cực cảm biến sau bước chế tạo 47 NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHĨA 2017B Hình 3.2: Đặc trưng phổ EIS biểu diễn mặt phẳng Nyquist thu nồng độ kháng nguyên PSA khác cảm biến PSA-MIP@pp1 với số vòng quét tạo màng polyme MIP 26, 28 30 .51 Hình 3.3: Đặc trưng phổ EIS thu nồng độ PSA cảm biến NIP 52 Hình 3.4: Đường đặc trưng chuẩn cảm biến PSA-MIP@pp1 thể phụ thuộc RCT vào nồng độ kháng nguyên PSA với số vòng quét tạo màng polyme 26, 28 30 53 Hình 3.5: Phổ đặc trưng EIS cảm biến PSA-MIP@pp1 ghi nhận môi trường kháng nguyên PSA môi trường kháng nguyên/hooc môn khác (hCG, TAU, AFP) có cấu trúc tương tự kháng nguyên PSA nồng độ 5ng/mL 10 ng/mL 55 Hình 3.6: Độ chọn lọc cảm biến PSA-MIP@pp1 môi trường kháng nguyên PSA kháng nguyên/hooc môn khác nồng độ ng/mL 10 ng/mL .56 Hình 3.7: Đặc trưng phổ EIS thu nồng độ PSA khác cảm biến PSA-MIP@pp2a 57 Hình 3.8: So sánh đường đặc trưng chuẩn cảm biến PSA-MIP@pp2a cảm biến PSA-MIP@pp1 .59 Hình 3.9: Đặc trưng phổ EIS thu nồng độ PSA khác cảm biến PSA-MIP@pp2b 60 Hình 3.10: So sánh đường đặc trưng chuẩn thể phụ thuộc RCT vào nồng độ PSA cảm biến PSA-MIP@pp2a PSA-MIP@pp2b 62 NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHÓA 2017B DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT EDC: 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide EIS : Electrochemical Impedance Spectroscopy LOD: Limit of detection MIP : Molecular imprinted polymer NHS: N-hydroxysulfosuccinimide NIP : Non-imprinted polymer KLK3 : Kallikrein PSA : Prostate specific antigen PBS: Phosphate Buffered Saline SAM: Self-Assembled monolayer SPCE : Screen-printed carbon electrode UTTLT : Ung thư tiền liệt tuyến NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHÓA 2017B DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1: PSA huyết khả ung thư tiền liệt tuyến [7] 15 Bảng 2.1 Danh mục hóa chất sử dụng nghiên cứu 34 Bảng 3.1: Dịch chuyển Raman ghi nhận điện cực cảm biến sau bước chế tạo 48 Bảng 3.2: Giá trị RCT cảm biến PSA-MIP@pp2a PSA-MIP@pp2b với nồng độ PSA xác định .61 NGUYỄN THỊ THU LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT – KHÓA 2017B LỜI MỞ ĐẦU Ung thư tiền liệt tuyến (UTTLT) loại ung thư phát triển tuyến tiền liệt, phần hệ thống sinh sản nam giới UTTLT bệnh ung thư phổ biến nam giới châu Âu, Hoa Kì bệnh ung thư đứng thứ hai toàn giới, sau ung thư phổi Đã có 1111000 trường hợp ung thư tiền liệt tuyến chuẩn đốn vào năm 2012 tồn giới Năm 2013 có tổng số 46690 trường hợp ung thư tiền liệt tuyến chuẩn đốn Mỹ Nó dự đoán bệnh ung thư phổ biến Anh vào năm 2030 Theo PGS.TS Vũ Lê Chuyên, Chủ tịch Hội Tiết Niệu – Thận học Việt Nam, tỉ lệ UTTLT Việt Nam mức thấp so với giới tỉ lệ tử vong lại cao, trung bình có khoảng 700 ca tử vong tổng số 1200 ca mắc năm UTTLT có xu hướng phát triển nam giới ngồi độ tuổi 50 Do tuổi thọ người ngày tăng nên UTTLT bệnh ác tính đáng lo ngại người cao tuổi [4][5] Do việc phát theo dõi thay đổi nồng độ chất điểm khối u đóng vai trị quan trọng việc phát kiểm soát ung thư tiền liệt tuyến Ung thư tiền liệt tuyến thường chuẩn đoán phương pháp kiểm tra trực tràng dựa vào thay đổi nồng độ kháng nguyên PSA máu, ung thư tiền liệt tuyến bắt đầu phát triển nồng độ kháng nguyên PSA vượt ngưỡng ng/mL Trong năm gần đây, cảm biến sinh học thu hút quan tâm nhà khoa học giới nước Sự phát triển cảm biến sinh học giúp giải nhu cầu cấp thiết phân tích đơn giản dễ đưa vào ứng dụng thực tế Ưu điểm trội cảm biến sinh học so với phương pháp phân tích truyền thống đơn giản sử dụng, thời gian phân tích ngắn, độ nhạy cao tính chọn lọc cao hệ hóa học sinh học [34] Nghiên cứu cảm biến sinh học (biosensor) phát triển mạnh, với mức độ tăng trưởng khoảng 60%/năm, chủ yếu lĩnh vực chăm sóc sức khỏe, kiểm định thực phẩm giám sát môi tường Thị trường cảm biến sinh học ước tính khoảng 12 tỉ USD/năm, 30% thuộc lĩnh vực y tế NGUYỄN THỊ THU