Nghiên ứu chế tạo thiết bị đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn

54 Trang 6 DANH M C CÁC KÝ HIỤỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮTTT Kí hiệu Viết tắt cho Nghĩa tiếng vi t ệ1 APTS Aminopropyltriethoxysilane Chất APTS 2 PBS Phosphate uffered B Saline Dung dịch đ m ệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

L ỜI CẢM Ơ N

Trong thời gian 2 năm họ ậc t p và làm vi c t i Vi n ITIMS - trư ng ệ ạ ệ ờ Đại H c ọ

Bách Khoa Hà N i ộ đã giúp tôi ngày càng hoàn thiện kiến thức chuyên môn, phương pháp nghiên cứu khoa học, đ ng thờồ i trư ng thành hơn v ở ề phong cách, kinh nghiệm s ng ố

Ngườ đầi u tiên tôi xin bày t lỏ òng bi t ơn sâu sắế c và g i l i c m ơn chân thành ử ờ ả

nhất đó là thầy giáo, Ti n sế ỹ Mai Anh Tuấn; Thầy đã t o m i i u ạ ọ đ ề kiện cũng nh ư

luôn lu n động vi n v giả quyếô ê à i t m i ó ọ kh khăn để i có ể tô th hoàn ành tốth t luận

Tôi cũng xin gử ờ ải l i c m ơn chân thành ớ ậ thể ác thầ t i t p c y cô và c b án ộ Viện

ITIMS những ngườ đã đem lại cho t i những kiế thứ khoa học i ô n c và t o m i ạ ọ

đ ềi u ki n tôi th c hi n t t nhi m v c a mình trong 2 năm h c ệ để ự ệ ố ệ ụ ủ ọ

Tôi xin cảm ơn t i t p thớ ậ ể ớ l p ITIMS khóa 2007 2009, nh- ững ngư i thư ng ờ ờxuyên động viên, đóng góp những ý kiến và trao đổi kiến thức th c nghiệm trong ựthời gian chúng tôi học tập tại đây

Cuối cùng tôi xin g i l i c m ơn vô cử ờ ả ùng sâu s c t i ắ ớ gia đình và những người thân, Ban giám hiệ , cán bộ, giáo viên cơ quan u nơi tôi công tác đã t o điạ ều kiện cho tôi cả ề ậ v v t chất và tinh thần trong nh ng thữ ời gian tôi theo học tại Trư ng ờ

Đại H c Bách Khoa Hà N i ọ ộ

Hà Nội, ngày 08 tháng 09 năm 200 9

MỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa i

Lời cảm ơn ii

Mục lục i ii Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng bi ểu vii

Danh mục các hình vẽ ồ ị, đ th viii

M u ở đầ 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ Ả C M BI N SINH H C 3 Ế Ọ 1.1 Cảm biến sinh họ 3 c 1.1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc c a củ ảm biến sinh học 3

1.1.2 Phân loại cảm bi n sinh học 4 ế 1.2 Ứng dụng của cảm biến sinh học 13

1.2.1 Trong y tế ự d phòng 13

1.2.2 Phát hiện chuyển đ i gen trong thực phẩm 14 ổ 1.2.3 Quan trắc môi trư ng 14 ờ 1.3 Các thiết bị đo cho cảm bi n sinh học 15 ế 1.4 Nguyên lý hệ đo và xử lý tín hi u của cảm biến miễn dịch đa kênh 22 ệ 1.4.1 Cảm bi n miễn dịế ch trên cơ s d n 22 ở độ ẫ 1.4.2 Nguyên lý của hệ đo cho c m bi n miễn dịch đa kênh 24 ả ế Chương 2 NGHIÊN C ỨU, CHẾ Ạ T O THI T B Ế Ị ĐO ĐA KÊNH 28

2.1 Vi c m biả ến đ d n đa kênh 28 ộ ẫ 2.2 Đóng gói và ch c năng hóa cứ ảm bi n 33 ế 2.2.1 Đóng gói cảm biến đa kênh 33

2.2.2 Chức năng hóa ảm biến đa kênh 35 c

2.3 Thiết kế ch t o hệế ạ đo đa kênh cho cảm biến miễn dịch 37

2.3.1 Thiết kế và ch t o hệ đo đa kênh 37 ế ạ 2.3.1 Khối nguồn 39

2.3.2 Khối phát tín hiệu 39

2.3.3 Khối tách sóng biên độ 41

2.3.4 Khối xử lý tín hi u và giao tiếp máy tính ệ 42

2.3.5 Khối bàn phím 45

2.3.6 Khối hiển thị ế k t quả 46

2.3.2 Phát triển phần mềm hi n th s li u và k t qu đo 47 ể ị ố ệ ế ả Chương 3 KẾT QU VÀ TH O LU N 49 Ả Ả Ậ 3.1 Đóng gói cảm bi n 50 ế 3.1.1 Thông số ủ c a đ và c m bi n sau khi chế ạế ả ế t o 50

3.1.2 Hàn và đóng gói cảm bi n 51 ế 3.2 Các đặc tuyến của thiế ịt b đo và ph n m m hi n th s li u 54 ầ ề ể ị ố ệ 3.2.1 Các đặc tuyến của thiết bị 54

3.2.2 Giao diện ngư i dùng của phần mềm 60 ờ 3.2.3 Đóng gói thiết bị 63

3.3 Xác định Vi rút H5N1 gây b nh 64 ệ 3.4 Thảo luận 70

3.5 Hướng nghiên c u ti p theo c a đ ứ ế ủ ềtài 72

Kết luậ chung 73 n Tài liệu tham khảo 75 Phụ ụ l c 1

Phụ ụ l c 2

DANH M C CÁC KÝ HIỤ ỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7 ISFET Ion Sensitive Field Effect

Transistor

Bóng bán dẫn hi u ng ệ ứtrường nh y ion ạ

8 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field

Effect Transis tor

Bóng bán dẫn cấu trúc ôxít kim loại

9 EDC Ethy-3- -(3 dimethyl aminopropyl)

g

ể

20 Psoc Programmable System on Chip H ệ thống khả trình trên chip

21 ADC Analog- -Dto igital Converter Chuyển đ i sốổ tương t ự

23 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang

26 ROM Programmable Read-Only Memory B ộ nhớ chỉ đọ c

DANH M C CÁC HÌNH VỤ Ẽ , Đ TH Ồ Ị

5 Hình 1.5 Xác định n ng đ thu c trừồ ộ ố sâu d ng vi dòng ở ạ 16

6 Hình 1.6 Mô hình thiết bị đo xác định nồng độ ch t Lactate ấ 18

7 Hình 1.7 Cảm biến đa kênh v i 16 đi n cực làm việớ ệ c 19

11 Hình 1.11 Sơ đồ thi t l p h đo cho c m bi n đa kênh ế ậ ệ ả ế 24

12 Hình 1.12 Sơ đồ ệ đi n tương đươngcho cảm biến miễn dịch 25

18 Hình 2.5 a Đế ả c m bi n đa kênh thi t k cho m t trên ế ế ế ặ 33

19 Hình 2.5 b Đế ả c m bi n đa kênh thi t k cho m t dư i ế ế ế ặ ớ 33

21 Hình 2.7 Quy trình cố đị nh kháng th vi rút H5N1 lên bể ề ặ m t 35

cảm biến

24 Hình 2.10 a Sơ đồ kh i phát tín hiệố u đi u chỉnh t n sề ầ ố, b Điều

chỉnh biên đ ộ

40

25 Hình 2.11 Sơ đồ ạ m ch chỉnh lưu nh y pha và dạạ ng tín hi u ệ 42

26 Hình 2.12 Các môđun của PSoC đượ ử ục s d ng trong thiết bị đa

29 Hình 2.15 Các chế độ thi t lập cho USB trong phần mềm ế

33 Hình 3.1 Cảm biến sau khi đư c chế ạo, cắt thành từng chipợ t 50

34 Hình 3.2 Đế ả c m bi n sau khi đư c ch t o, gia công ế ợ ế ạ 51

35 Hình 3.3 Hình ảnh cảm bi n sau khi đư c hàn và đóng góiế ợ 52

36 Hình 3.4 Cảm biến giao tiếp với bản ạch chính thông qua m

socket

53

38 Hình 3.5 Tín hiệu đưa vào c m bi n miễả ế n d ch 100 mV, 50 ị

kHz

54

39 Hình 3.6 Khối phát tín hiệu cho cảm biến đa kênh 55

42 Hình 3.9 Tín hi u Vệ Haftsau khi ra từ khối tách sóng biên độ 56

43 Hình 3.10 Hình ảnh khối x lý, giao tiử ếp USB, RS-232 58

47 Hình 3.14 Hình ảnh thiết bị phát hiện vi rút đa kênh ghép nối

máy tính

64

48 Hình 3.15 Kết quả đo xác định vi rút H5N1 với thể tích 10µl 65

49 Hình 3.16 Kết quả đo xác định vi rút H5N1 với thể tích 20µl 66

M Ở ĐẦ U

Trong nh ng nữ ăm gần đây, sự phát triển của công nghệ vi iđ ện t và công nghử ệ sinh học đã góp ph n to lầ ớn vào vấn đề phát hiện sớm, nhanh và chữa khỏi m t sộ ố

bệnh lây nhiễ trong đời sống, sinh hoạt ủm c a con ngư , làm rõ hơn cơ chế sinh lý ời

phức tạp trong cơ th sể ống Việc ứng d ng cụ ảm biến sinh học và thiết bị đi kèm giúp chúng ta chẩn đoán xác định, iđ ều trị ệnh mộ b t cách dễ dàng và nhanh chóng hơn, nghiên cứu và bào chế thu c, kiểm tra chấố t lượng thức ăn ho c xác đ nh việc ặ ịchuyển đ i gen trong đổ ộng, th c vự ật, đặc biệt thời gian gần đây dịch bệnh do vi rút gây n ên đối với sức khoẻ con ngư i ngày càng gia tăng Điờ ều nguy hiểm là chở ỗ, chúng có khả năng bi n chủng nhanh chóng.ế Khống chế và ngăn chặn kịp thời các tác nhân gây b nh truy n nhi m luôn là yêu c u c p thiệ ề ễ ầ ấ ết không chỉ đố i ngành y tế

mà còn với t t cấ ả các ngành ngh khác nh m giảm thiểề ằ u nguy cơ liên quan tới sức

khỏe và những thiệt hại về ặ m t kinh tế xã hội Chính vì vậ phát hi n nhanh, nhy, ệ ạy

và sàng lọc mầm bệnh truyền nhiễm là mấu chố ểt đ ngăn chặn quá trình lây nhiễm,

có biện pháp cách ly hay đi u trị ịề k p thời, khống chế và ngăn chặn dịch bệnh bùng phát

Có nhiều phương pháp đang đư c áp dợ ụng tương đ i rộố ng rãi trong phòng thí nghiệm để xác đ nh các tác nhân gây bệnh như: phân lậị p; nuôi c y; huy t thanh ấ ế

học; ELISA; PCR, Tuy nhiên, các phương pháp truy n thốề ng này thư ng mất ờhàng giờ ớ t i hàng tuần đ biếể t đư c kết quả Đề tài “Nghiên cợ ứu chế ạ t o thi t bế ị

đo đa kênh ứng dụng cho cả m bi n miễn dị ế ch trên cơ s ở độ ẫ d n” được tác giả

lựa chọn ục đích xác định nhanh vim rút H5N1 gây bệnh, có khả năng ổ trợ cho b những phương pháp nghiên cứu xác đ nh vi rút trướị c đây Điều đặt bi t là thi t b ệ ế ị

có thể xác đ nh vi rút ị ở ọ m i nơi khi cần di chuy n hoể ặc ở ạ t i các vùng sâu, vùng xa nơi thiếu c đi u ki n máy móc và nhân viên y t cao c p Thi t bị đo đa kênh bao ả ề ệ ế ấ ế

gồm một bộ biến năng chuyể / n đ i (transducer) đã đượổ c c nh các phần tử sinh ố đị

h c ọ là kháng thể ủa vi rút H5N1, ệ ạ c h m ch đo, ph n mềm thu thập và xử lý số liệu ầ

H ệ thống có thể hoạt đ ng và chỉ thị ết quả độc lập hoặc ghép nố , điều khiển ộ k ithông qua máy tính cá nhân Luận văn này mô t chi tiả ết quá trình phát tri n mể ạch

đo và xây dựng phần m m Luề ận văn ồm 3 chươngg :

Chương 1 Tổng quan v c m bi n sinh h c ề ả ế ọ

Trong chương này tác giả mô t t ng quan về ấả ổ c u tạo, nguyên lý hoạ ột đ ng và phân loại cảm biến sinh học Khái quát các ph n tầ ử ả c nh n ậ sinh học và kháng thể đư c ợ

c ố định lên bề mặt cảm biế Tóm tắt tổng thể các thiết bị đo ứng dụng cho cảm n

biến sinh học được nghiên cứ ứng dụng ở trong nước và trên thế ới trong nhữu gi ng năm gần đây Bênh c nh đó, tác gi mô t n i dung v nguyên lý và x lý tín hi u ạ ả ả ộ ề ử ệ

của hệ đo cho cảm biến miễn dịch đa kênh

Chương 2 Nghiên cứu chế ạ t o thi t bế ị đo đa kênh

Chương 2 tập trung vào vi c mô t các quá trình th c nghiệệ ả ự m như: Nghiên cứu và cùng tham gia chế ạ t o, c ố định chức năng hóa cho cảm bi n miế ễn dịch đa kênh Thiết kế, xây d ng quy trình đóng gói cho cảm biự ến đa kênh Tạo bộ socket cho phép cảm biến giao tiếp với bản m ch chính x lý tín hi u cạ ử ệ ủa thiết bị Nghiên cứu chế ạ t o thiết bị đo đa kênh và nâng cấp phần mềm thu thập x, lý tín hiử ệu kết quả

đo

Chương 3 Kết qu và th o lu n ả ả ậ

Trong chương này, bên cạnh nh ững lập lu n khoa họậ c c a k t qu thu thủ ế ả ập được

Tác giả cũng đưa thêm vào những nhận xét, bàn luận làm cơ sở cho vi c phát tri n ệ ểcác luận văn sau

Chương 1 T ỔNG QUAN Ề ẢM BIẾN SINH HỌ V C C

1.1 Cảm biến sinh học

1.1.1 Cấu t ạo , nguyên lý làm việc củ cảm biến sinh học a

Cấu tạo của cảm biến sinh học:

Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp đ c lập, nhỏ ọn, có khả năng cung cấp ộ g

những thông tin phân tích đ nh lưị ợng hoặc bán đ nh lượị ng, gồm 02 thành phần chính: Ph ầ ửn t ận biết sinh học và bộ nh chuyển đổi tín hiệu [15] Phầ ửn t ận biết nh

thực chất là các lượng chất sinh học ho c ặ các th c thự ể sinh học, hoạ động như ột m t

yếu tố nhận biết, được liên kết với bộ chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiế pPhần tử sinh học được sử ụ d ng chủ ế y u là enzim, AD , ARN, kháng thể [21] N

B ộ chuyển đổi thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu không đ ện do các phản i

ứng hoá h c sinh ra thành tín hiọ ệu đ ệi n, quang, cơ, nhiệt [21]

Hình 1.1 Cấ ạu t o c a củ ảm biến sinh học

Nguyên lý làm việc của c ảm biến sinh học:

S ự tương tác giữa phần tử ảm nhận sinh học và đố c i tư ng phân tích s làm thay ợ ẽ

đổi các tính ch t sinh, hóa S thay đ i này đư c nh n bi t b ng b chuy n i c a ấ ự ổ ợ ậ ế ằ ộ ể đổ ủ

cảm biến và chuyển thành tín hiệu điện [3] Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác

nhau ch cho phép nh n biỉ ậ ết được một lo i ạ đố ượi t ng phân tích theo nguyên t c ắkhóa - chìa Nếu không có đối tượng phân tích phù h p v i thành ph n cợ ớ ầ ảm nhận sinh h c thì khọ ông có sự thay đổi tín hiệu điệ ở đần u ra của cảm biến hoặc chỉ đơn thuần là đóng góp các n trong quá trình o Chính vì vồ đ ậy mà c m biả ến sinh học có

độ ch n l c r t cao [17 ọ ọ ấ ]

1.1.2 Phân loại cả m bi n sinh học ế

D a ự trên những thành phần cảm nhận sinh học và phần tử chuyển đ i ngư i ta phân ổ ờloại ra loại các cảm biến sinh học khác nhau:

Phân loại theo ph ần tử chuyển đổi:

Dựa trên bộ phận chuyển đổi có thể chia cảm biến sinh học thành: ảm biến quang Ctrên cơ ở s phép đo huỳnh quang [6], cảm biến cơ ự d a trên cơ ở s thay đổi khối

lượng ở ề ặt cảm biến sẽ làm thay đổi tần số trong vi cân của tinh thể thạch anh b m[16 ], chuyển đ i đi n hóa [2 ], hiệu ổ ệ 1 ứng trường nh y ion, bạ ộ chuyển đổi nhiệt và

b ộ chuyển đ i ừổ t [2]

Cảm biến ADN quang học dựa trên cộng hưởng Plasma bề ặt: m

Loại cảm biến này không đòi hỏi phải đánh dấu chuỗi ADN, kết quả ủ c a phép đo được hi n th ngay trong quá trình o [ể ị đ 17] Hệ thống này dựa trên s thay đổi góc ựcộng hưởng của ánh sáng phản xạ ở ề ặ b m t cảm biến, khi có sự lai hóa c a chuủ ỗi

ADN dò và ADN đích trong dung dịch Sự thay đổi phần tử ảm nhận sinh học do clai hóa ADN s tẽ ương ứng vớ ựi s thay đổi kh i lố ượng phân tử trên b m t cảm ề ặ

biến Loại cảm biến này được sử ụ d ng trong việc xác định đột biến gen [ ], nghiên 4

cứu t ng tác kháng thươ ể kháng nguyên trong lúa mì [ ], phân tích trong quá trình - 7bào chế thu c [9] ố

Cảm biến có bộ chuyển đổi cơ ọc trên cơ ở vi cân tinh thể thạch anh h s :

Cảm biến vi cân tinh thể thạch anh đượ ức ng d ng trong nhi u lĩnh v c khác nhau, ụ ề ựtrong đó vi c sệ ử ụ d ng vật liệu này làm bộ chuy n ể đổi tín hiệu trong cảm biến sinh

học nhằm ứng dụng trong lĩnh v c y, sinh học để xác định các loại vi rút, vi khuẩn ựgây bệnh u Ư đ ểi m của loại cảm biến này là có độ ạnh y rất cao, khả ă n ng đo sự thay đổi khối lượng ở ứ m c nanogam, quá trình xác định không cầ đánh dấu, kết n

quả có th nh tính ặ địể đị ho c nh lượ Nhượng c đi m của loại cảm biến này là hoạt ể

động t n s cao, đóng góp n c a môi trư ng làm nh hư ng t i quá trình x lý ở ầ ố ồ ủ ờ ả ở ớ ửtín hiệu [5]

Cảm biến sinh ọc ựa trên bộ chuyển đổi đ ện hoá h d i :

Cảm biến sinh học ựa trên bộ chuyển đổi đ ện hoá có cấu trúc n gid i đơ ản, quá trình

nhận bi t không phế ức tạp do nh ng phữ ả ứn ng đ ệi n hoá s cho tín hiẽ ệ đ ệu i n trực tiếp, độ nh y tương đối cao, thời gian đáp ứng nhanh, kích thước nhỏ, thích hợp ạcho việc xác định nhanh các m u b nh phẫ ệ ẩm của bệnh nhân nhiễm bệnh [11], hoặc

ứng d ng ki m tra môi tr ng ụ để ể ườ Để nh n bi t s ph n ng c a ph n t sinh h c ậ ế ự ả ứ ủ ầ ử ọ

với chất cần phân tích, bề ặt cảm biến phải được cố định kháng thể, enz m, chuỗi m iADN dò, sau đó đưa vào dung dịch ẫu cầm n phân tích tương ng như kháng ứnguyên, cơ chất, ADN đích Khi có ph n ả ứng kháng nguyên kháng th- ể, lai hóa ADN, phản ng ứ ức chếenzim, xẩy ra sẽ làm thay đ i đ d n giữổ ộ ẫ a các điện cực, gây lên thay đổi đi n áp ở đầệ u ra [21]

Cảm biến sinh học dựa trên bóng bán dẫ nhạy ion hiệu ứng trường ISFET (Ion n Sensitive Field Effect Transistor):

Bóng bán dẫn nhạy ion hi u ệ ứng tr ng là mườ ột loại đ ệi n cực được sử ụ d ng để thay

thế các i n cực thuỷ đ ệ tinh đo pH hoặc nồng độ ion trong kim loại Loại linh kiện này được cải tiến từ MOSFET (Metal Oxide emiconductS or Field Effect

Tran tor) với sự thay thế ủa lớp oxít ực cổng bằng một lớp màng nhạy hoá học sis c c

và một đ ệi n cực chuẩn Nếu phủ ộ m t lớp màng cảm nh n sinh hậ ọc lên cực cổng của ISFET, nó trở thành cảm biến sinh học Các loại cảm biến này được phủ ở b i màng enzim lên c c cự ổng nhạy ion c a ISFET, sủ ự đáp ứng tín hiệu ra được xác định bằng

s ự thay đổi đ ện áp trong kênh dẫn Loại cảm biến này có kích thước nhỏ, độ nhạy icao [2]

Hình 1.2 Cấ ạu t o c a củ ả m bi n (A) và hệ đo (B) ISFET ế

Cảm biến sinh học trên cơ ở vi đ ện cực độ ẫ s i d n:

Cảm biến vi đ ện cực độ ẫn đã được sử ụng phổ biếi d d n v i ớ những ưu đ ểm vượt itrội như: giá thành thấp, cấu trúc đơn giản, độ ổ n định cao, tin c y khi làm viậ ệc, phân tích nhanh và d dàng trên cễ ơ ở s phép o đ độ ẫ d n, quy trình chế ạ t o đơn giản

Đây là lo i c m bi n d a trên s thay i d n i n ạ ả ế ự ự đổ độ ẫ đ ệ ở lân cận b m t c m bi n ề ặ ả ế

khi có sự thay đổi v tính chề ất vật lý, hóa học hoặc sinh học trong dung d ch phân ịtích Khi đó, sẽ làm thay đổi tín hiệu đ ệi n ở đầ u ra của cảm biến Cảm biến vi đ ệi n cực có nhiều cấu hình, kích th c khác nhau Chúng cướ ó thể được chế ạ t o bằng cách

s dử ụng dây kim loại hoặc các bon làm đ ện cực trong mi ột ống thuỷ tinh Hiện nay

vi đ ệi n cực được ứng dụng dùng làm cảm biến sinh học là những vi đ ệi n cực có

dạng hình tròn và đặc biệt là các vi đ ện cực Planar có cấu trúc dạng răng lược đan i

xen hoặc cấu trúc mảng [2 ] Quy trình chế ạo loại cảm biế1 t n này đư c tác giả trình ợbày chi tiết trong chương 2 của luận văn

Hình 1.3 Cấ ạu t o c a củ ả m bi n vi đ ệ ế i n cực

Cũng như các lo i c m bi n sinh họạ ả ế c khác, xác nh kháng nguyên, trên bề ặđể đị m t

cảm biến miễn dịch ựa trên vi đ ện cực độ ẫn cầ được cố định kháng thể Quá d i d n trình xảy raph n ả ứng kháng nguyên - kháng thể (phả ứng mi n dn ễ ịch) s ẽ gây lên s ựthay đổi độ ẫ d n trên b mề ặt cảm bi n và làm thay đổi tín hiệ đ ệế u i n ở đầ u ra của cảm

biến Những loại cảm biến này thườ được ứng dụng ng để xác nh lo i khuđị ạ ẩn Salmonella - một loại khuẩn gây nhiễm độc trong sữa với thời gian nhanh gấp nhiều lần so với các phương pháp xác nh khác [đị 8], xác định vi rút viên gam C [16], xác định vi út gây bệnh H5N1 [2 r 1]

5 mm 5mm

Phân lo i theo thành ph n cạ ầ ảm nh n sinh h c: ậ ọ

Thực tế có khá nhi u ph n t sinh hề ầ ử ọc đư c sử ụợ d ng làm thành ph n cầ ảm nhận sinh

h cọ Tuy nhiên các chất thư ng đư c sử ụng trong các công trình và sản phẩm là: ờ ợ dADN, ARN, kháng thể, enzim

Phần tử ả c m nhận là chuỗi ADN:

Cấu trúc, tính chất của các ADN đư c trình bày chi ti t trong [21] ó nhiợ ế C ều phương pháp để ố đị c nh ADN lên b m t c m biếề ặ ả n nhưng phương pháp cố đị nh ADN dò lên bề ặ m t cảm biến sử ụ d ng APTS và ống nanocacbon là được sử ụ d ng

phổ ế bi n và có nhiều ưu điểm [21] Quy trình cố đị nh ban đầu cảm biến được xử lý

sạch bề ặ ể m t đ ẩy bỏ chất bẩn và ion kim loại gây lên khi chế ạ t t o và đóng gói c m ả

biến, tiếp đó hydrát hoá bề m t cảm biếặ n bằng CH3OH/HCl tỷ ệ l 1:1, Ph APTS ủ

và cố đị nh ADN dò lên bề ặ m t cảm biến dung d h APTS/Cịc 2H5OH tỷ ệ l 3:7 cùng

với đó là quá trình ho t hóa chuỗi ADN bằng EDC và MIA, phủ ADN hoạt hóa lên ạ

b mề ặt cảm biến và đem ở 37ủ 0C trong 18 giờ [19] Khi trong m u cẫ ần xác đ nh ị

có ADN đích sẽ scó ự lai hóa ADN dò và ADN đích làm cho m t đ đi n tích trên ậ ộ ệ

b m cề ặt ảm biến tăng lên khi đó độ ẫn củ d a đi n cực làm việc sẽ tăng hơn so với ệđiện cực chu n Đây là cơ sở đểẩ nhận biết quá trình làm việc của cảm bi n ADN ế

Phần tử ả c m nhận là enzim:

Đố ớ ải v i c m bi n c nh b ng màng enzim thư ng đư c ng d ng trong quan tr c ế ố đị ằ ờ ợ ứ ụ ắmôi trường và công nghệ ự th c ph m T ớc khi cố địẩ rư nh, bề ặ ả m t c m bi n ợc làm ế đưsạch bằng dung dịch K2Cr2O7 trong H2SO4 98% sau đó cho enzim lên bề mặt vi

điện cực c a c m bi n Chủ ả ế ức năng hóa bề ặ ả m t c m bi n đểế xác đ nh nồị ng độ thu c ốtrừ sâu trong nư c, đi n cớ ệ ực cố đị nh enzim được phủ 1mg AcChE (Acetyl-Cholinesterase) và 1mg BSA (Bovine Serum Albumin) tr n v i dung dộ ớ ịch đ m ệ

KH2PO4 20 mM, pH = 7,5 và 10% Glycerol Điện cực chuẩn đư c phợ ủ ỗ h n hợp

2mg BSA với 10 µl chất đệm KH2PO4 20 mM, pH = 7,5 với 10% Glycerol Khi có

nồng đ thuốc trừ sâu ộ - carbonsulfan C20H32N2O3S trong nước làm cho cholinesrase phân tách thành acetic và choline khi đó proton sinh ra là nguyên nhân làm thay đổ ộ ẫi đ d n, lúc này độ ẫ d n trên màng enzim của điện cực làm vi c giệ ảm

Acetyl-so với đi n cệ ực chuẩn và tạo sự chênh lệnh tín hiệu đi n trên đệ ầu ra của cảm biến [23 ]

Phần tử ả c m nhận là kháng thể:

Kháng thể ả b n ch t là mấ ột loại glycoprotein do kháng nguyên kích thích tạo ra và

có thể ế k t hợp một cách đặc hiệu v i kháng nguyên y Kháng thớ ấ ể còn đư c gọi là ợglobulin miễn d ch (immunoglobulin), viị ết t t là Iắ g vì khi chạy đi n di miễn dịch thì ệkháng thể ằ n m ở vùng globulin [20 ]

Cấu trúc của kháng thể là một phần tử đối xứng, cấu tạo bởi 2 chuỗi nặng và 2 chuỗi nhẹ giống nhau đôi một

Chuỗi nhẹ L (light): Mỗi chuỗi nhẹ là m t chuộ ỗi polypeptid cấu t o kho ng 214 ạ ảaxit amin, được đánh s thứ ự ừ đầố t t u NH2 đến đ u COOH và đư c chia thành 2 ầ ợvùng Vùng định h ng C (constant) nằ ằm ở sau, có lo i và trình tự ạ axit amin không thay đ i, vùng thay đổ ổi V (variable) nằ ởm phía trước có lo i và trình tự axit amin ạthay đổi tùy theo từng loại kháng thể Có hai chu i nh chu i kappa và chuỗi ỗ ẹ ỗlamda

Chuỗi nặng H (heavy): Có c u tấ ạo tương t như chuự ỗi nhẹ, chuỗi polypeptid gồm

440 axit amin, đánh số th t t u NHứ ự ừ đầ 2 đến đ u COOH và đư c chia thành 3 ầ ợhoặc 4 vùng tùy theo t ng chuừ ỗi nặng Vùng C gồm CH1, CH2, CH3, CH4, vùng V

và vùng siêu bi n Có 5 loế ại chuỗi nặng khác nhau: Chuỗi gamma, chuỗi alpha, chuỗi muy, chuỗi delta, chuỗi epsilon [18]

S ự liên kết giữa các chuỗi, hai chuỗi nặng nối với nhau bằng cầu nối lưu huỳnh (S S), số ầ c u nối lưu hu nh thay đổi tùy từỳ ng chuỗi Chuỗi nhẹ ố n i với chuỗi nặng

-bằng cầu nối lưu huỳnh [20 2 ,1 ]

Tính chất và đ c đi m củặ ể a kháng thể, tính ch t cấ ủa các lớp kháng thể đư c nêu ợtrong bảng 1.1 [20]

Bảng 1.1 Tính chất của các kháng thể

Nhị phân

hoặc Lamda

vi khu n và vi ẩ rút

trên bề ặ m t lympho B trong nh n ậ

di n kháng ệ nguyên

chống ký sinh trùng, gây d ng ị ứ

Tính kháng thể là kh năng k t hợả ế p đ c hiệặ u với kháng nguyên tương ng Đặc ứhiệu có nghĩa là kháng thể do kháng nguyên nào kích thích t o ra thì chạ ỉ ế k t hợp với kháng nguyên ấy mà thôi Tính kháng thể là đ c điặ ểm quan tr ng nhọ ất của kháng thể

Tính kháng nguyên của ph n t kháng th là kh năng kích thích cơ th khác t o ra ầ ử ể ả ể ạkháng th kháng l i chính nó Lý do là các ph n t kháng thể ạ ầ ử ể ả b n chất là một loại protit có trọng lượng phân tử đủ ớ l n, đ ủ tiêu ch n là mộuẩ t kháng nguyên đ i với cơ ốthể khác

Kháng nguyên (antigen) là nh ng chữ ất có khả năng:

Kích thích được cơ th t o ra đáp ng mi n d ch, kh năng này đư c g i là tính ể ạ ứ ễ ị ả ợ ọsinh miễn dịch của kháng nguyên

Kết hợp đ c hiệu với kháng thể tương ứng, khả năng này được gọặ i là tính đ c hiệu ặ

Lực liên kết các phân tử ới nhau hay còn gọi là l c liên k t V v ự ế ander - Wals

Lực hút tĩnh đi n giữa các nhóm chức khác nhau như nhóm amin và nhóm carboxyl ệ

Lực liên kết giữa các cầu nối hydro với nhau và lực kỵ nước

Ph n ả ứng kháng nguyên kháng th không phể ải là m t phộ ả ứng hóa h c hoàn toàn, n ọnên người ta có thể tách tr l i các thành ph n kháng nguyên kháng thở ạ ầ - ể

C ố định kháng thể lên ảm biến vi điện cực c: cũng như các phương pháp c định ốphần tử sinh h c khác, việc cố địọ nh kháng thể ban đ u cũng đưầ ợc làm sạch bề ặ m t

vi cảm biến quá trình này nhằm loại bỏ nh ng chấữ t bám dính trên bề m t vi cảm ặbiến và ph n không gian silica giầ ữa các vi điện cực đ giảể i phóng nhóm chức - OH, thuận tiện cho quá trình cố định các ph n tầ ử sinh học Có mộ ố ểt s ki u nhóm chức như Si- OH tạo ra trên bề ặ m t silica, nh silanol germinal và silanol Isolated N u ư ế

b mề ặt vi cảm biến không đ c làm sạượ ch đúng cách đ loại bỏ chất bẩn, dầu, chất ể

tẩy rử thì nhóm chức OH sẽ không hình thành và lớp silan trên bềa, - mặt vi cảm biến sẽ không đồng nhất, dẫn đến hi u quệ ả ủ c a quá trình cố định không cao Việc

c ố định kháng thể ử ụng phương pháp cộng hóa trị dùng APTS được mô tả ại s d tđây [12 ]

Sau khi th c hiự ện làm sạch bề ặ m t cho cảm biến như đã trình bày trên Đ ch c ở ể ứnăng hóa bề m t c a c m bi n mi n dịặ ủ ả ế ễ ch s d ng APTS ta thựử ụ c hi n nh ệ ỏglutaraldehyde 10% lên bề ặt vi cảm biến và ủ trong 30 phút Tiếp đó rửa hai lần m

bằng nước khử ion và để khô, n ỏ 1mg mL dung dịch kháng thể ủa vi rút H5N1 h / clên bề m t cảm biến và trong 1 giặ ủ ờ Tiếp tục rửa bằng dung dịch PBS nvà ước

khử ion để ạ lo i bỏ ững thành ph n sinh h c không g n knh ầ ọ ắ ết trên bề m t Sau đó ặđêm ủ ề ặ ả b m t c m bi n v i 0,1 ế ớ M glycine PBS (0,1 M glycine trong 50 mM pBS, -

pH = 7,0) trong 30 phút Quá trình này nhằm gắn kết chặt chẽ kháng th trên bể ề

mặt cảm biến ất cả các quá trình này đề T u đ c thực hiện tại nhiệ ộượ t đ phòng và áp suất khí quyển [2] Chi ti t cế ủa quy trình cố định tạo chức năng cho c m biếả n đư c ợtác giả trình bày chi ti t trong chương 2 cế ủa luận văn

được định hướng vào những gen tương đố ổi n định t t c các lo i vi rút hoặc các ở ấ ả ạgen ngưng kết hồng cầu Ưu điểm của những phương pháp này cho đ nhạy rất cao, ộphát hi n vi rút ngay cệ ả ớ v i lư ng mẫợ u nhỏ, rất đặc hiệu Như c đi m của các ợ ểphương pháp này là th i gian xác đờ ịnh dài có thể lên t i 8 giờớ , tiêu t n nhân lực và ốđòi hỏi ng i s d ng phải có những kiếườ ử ụ n th c nh t đ nh v chuyên môn Có nhi u ứ ấ ị ề ềloại cảm biến sinh học d a trên các phương pháp phân tích truyự ền thống ứng dụng cho việc xác định vi rút gây b nh [ệ 22] Trong đó, nguyên lý của cảm biến sinh học trên cơ sở vi đi n cệ ực được ứng d ng đ ụ ể xác định vi rút gây b nh đư c chế ạệ ợ t o d a ựtrên công nghệ vi điện tử ạ t o ra các thanh kim loại có kích thước và khoảng cách cỡ micromet Sau đó cố đị nh lên bề ặ m t điện cực làm vi c cệ ủa c m biến là kháng thể ả

hoặc ADN dò của vi rút cần xác định Khi cho cảm biế đã được chức năng hóa n vào trong m u c n ẫ ầ xác định loại vi rút, nếu trong mẫu có kháng nguyên hoặc ADN đích của lo i vi rút cạ ần xác định sẽ gây ra ph n ứng lai hóa ADN dò với ADN đích ả

hoặc phả ứng kháng nguyên kháng thn - ể làm m t đ điện tích giữa các thanh kim ậ ộloại và độ ẫ d n gi a chúng tăng lên, trong khi đó đi n c c chu n không thay đ i đ ữ ệ ự ẩ ổ ộdẫn so với ban đầu tạo ra sai l nh tín hiệệ u điện giữa đi n cựệ c làm vi c và đi n cực ệ ệ

chuẩn ở đầ u ra Nếu không có ADN đích hoặc kháng nguyên của loại vi rút cần xác

định thì tín hi u đi n ra trên hai điệ ệ ện cực không thay đổi [21 ]

1.2.2 Phát hi n chuyệ ển đổi gen trong thực phẩm

Việc xác đ nh chuyị ển đổi gen trong cây trồng như đ u tương, ngô, bông, cậ ải Trong

đó việc xác đ nh khả ị năng kháng sâu b nh luôn đưệ ợc quan tâm Xác đ nh nhanh ịnhư quá trình chuyển đ i gen cổ ủa cây trồng cho thấy hiệu quả kinh tế cao trong

việc đưa cây trồng vào nuôi cấy, làm tăng số lư ng s n lư ng lương th c, tăng giá ợ ả ợ ựtrị dinh dư ng và không gây nh hư ng tới môi trường do sỡ ả ở ử ụ d ng thuốc bảo vệ thực vật [21] Cảm biến vi đi n cựệ c sau khi đư c cố định ADN lên các thanh kim ợloại theo một quy trình và b o qu n nả ả hất định đư c đưa vào ng chợ ố ứa mẫu dung

dịch có ADN cần xác đ nh, khi có sự lai hóa củị a ADN dò và ADN đích thì m t đậ ộđiện tích giữa các thanh kim loại tăng làm tăng đ d n trên các điộ ẫ ện cực Khi đó tín hiệu điện khỏi cảm biến thay đổi nếu không có sự lai hóa ADN dò và ADN đích thì tín hiệu đi n ra trên các thanh điệ ện cực có giá tr ịkhông đổi 1 [2 ]

1.2.3 Quan trắ c môi trư ng ờ

Việc sử ụng cảm biế d n đ xác định các thông ố ảể s nh hư ng tớở i môi trư ng sống là ờđiều cấp thiết hi n nay Nhiều nhà khoa học đã nghiên cệ ứu đ s dể ử ụng các loại

cảm biến xác đ nh các chấ ộị t đ c hại gây ảnh hư ng tớở i môi trư ng sốờ ng như vi c sửệ

dụng cảm biến khí đ xác định nồể ng đ khí thải của các nhà máy, kiểm tra khí thải ộcủa các loại phương ti n giao thông…Trong việ ệc sử ụ d ng cảm biến sinh học đ ể

kiểm tra nồng độ thu c trừ sâu trong nước [23], hay nồng độố pH trên cơ s ệở hi u

ứng trư ng c a bóng bán d n ISFET Đ i v i c m bi n đ d n, sau khi c m bi n ờ ủ ẫ ố ớ ả ế ộ ẫ ả ế

được ch tế ạo, đóng gói và xử lý b mề ặt sau đó đem cố đị nh Acetyl-Cholinesterase

lên điện cực làm việc của cảm biến và phủ BSA (Bovine Serum Albumin) lên điện

cực so sánh nhằm không cho chất ức chế ảnh hư ng tớở i đi n cực so sánh Khi có ệ

nồng đ thuốc trừ sâu trong mẫu cầộ n xác đ nh sẽ gây phản ứng của màng enzim ịtrên bề ặ m t điện cực làm việc Do đó, tạo ra sự sai l ch vềệ tín hi u đi n giữệ ệ a đi n ệ

cực chuẩn và đi n cực làm việc Sự sai lệch tín hiệệ u đi n này đư c xử lý và hiển thịệ ợ

để xác đ nh n ng đ thu c tr sâu trong nư c [23 ị ồ ộ ố ừ ớ ]

1.3 Các thi t bế ị đo cho c m biế ả n sinh học

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị để xác định các loại

vi rút gây bệnh nói riêng và các thiết bị liên quan đến bảo vệ sức khỏe con người luôn được quan tâm của các nhà khoa học Trong đó có rất nhiều loại cảm biến sinh học được chế tạo để xác định các các loại vi rút ngây bệnh với nguyên lý chung là chuyển đổi tính hiệu cần phân tích thành tín hiệu điện Cảm biến sinh học trên cơ

sở độ dẫn là một trong nhiều loại cảm biến được nghiên cứu, đóng vỏ tích hợp với mạch điện tử để tạo thành một thiết bị đo hoàn chỉnh nhằm ứng dụng trong đời sống như: kiểm tra môi trường, công nghệ thực phẩm và xác định loại vi rút gây bệnh

Trong kiểm tra môi trường và công nghệ thực phẩm:

Viện ITIMS, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã chế tạo thành công thiết bị kiểm tra nồng độ thuốc trừ sâu trong nước dựa trên cảm biến sinh học vi điện cực [23]

Hình 1.4 Cảm biến và thiết bị đo n ng đ thu ồ ộ ốc trừ sâu

Chíp xử lý

Thiết bị cho phép người sử dụng có thể xác định nồng độ thuốc trừ sâu trong một thời gian ngắn, thiết bị cầm tay nhỏ gọn và dễ sử dụng Việc chế tạo thành công thiết bị đem lại rất nhiều ứng dụng ở Việt Nam, đất nước có tới 80% dân số sản xuất nông nghiệp và thường xuyên sử dụng thuốc trừ sâu để bảo vệ cây trồng Cảm biến ban đầu được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử với cấu trúc kiểu răng lược với 2 điện cực Trong đó có 1 điện cực làm điện cực chuẩn và điện cực làm điện cực làm việc được cố định emzim Khi có nồng độ thuốc trừ sâu trong mẫu đo thì

sẽ gây ra hiện tượng ức chế hoạt tính xúc tác của enzim trên bề mặt điện cực làm việc làm cho tín hiện ra của điện cực làm việc có trị thấp hơn so với điện cực chuẩn, sự chênh lệch tín hiệu giữa hai điện cực của cảm biến sẽ được khuếch đại và chỉnh lưu sang dạng tín hiệu một chiều Tín hiệu được trừ sai lệch và đưa vào bộ vi

xử lý để lấy mẫu tín hiệu và hiển thị kết quả đo nồng độ thuốc trừ sâu

Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm công nghệ vi điện tử, FEEC, BUT (the Factory of Electrical Engineering and Communication, Brno University

of Technology), Cộng hòa Séc đã chế tạo thiết bị cầm tay phân tích thuốc trừ sâu với nồng độ chính xác cao

Hình 1.5 Xác đị nh n ng đ thu c trừ ồ ộ ố sâu d ng vi dòng ở ạ

Các nhà khoa học đã sử ụ d ng mao d n nhân t o đ đưa ngu n dung d ch ẫ ạ ể ồ ịacetylthiocholine (ATCH-analogical to ACH) vào trong bu ng chồ ứa điện cực làm việc, trư c đó điện cớ ực đư c làm s ch bợ ạ ằng acetylcholine (ATCH sau đó cố đị) nh acetylcholinesterase (ACHE) Khi trong chất nền có ATCH thì phản ứng t o thành ạ

và tạo ra chất thiocholine khi đó màng dẫn của đi n cựệ c hoạ ột đ ng thay đ i, sẽ cho ổtín hiệu đi n ở đầệ u ra của điện cực Với vi dòng qua bề ặ m t điện cực điện hóa là không đổ Đ ềi i u này cho phép thiế ịt b hoạ ột đ ng có độ ặ l p lại và độ nh y cao, có ạthể mang xác đ nh ởị các đ a đi m khác nhau và dễ thay đổị ể i đi n cực làm việc [26] ệTrong công nghệ ự th c phẩm các nhà khoa học Tây ban nha đã nghiên c u chế ạứ t o thành công thiết bị ầ c m tay dựa trên hiệu ứng ECL (electrochemiluminescence) dùng xác định chất Lactate Ch t Lactate sinh ra trong quá tình lên men khi chế ạấ t o phomat, sữa chua, sữa…Việc kiểm tra nồng đ ấộ ch t Lactate là một thông quan trọng trong quá trình chế ạ t o, b i ch t Lactate là mở ấ ột loại hóa chất đư c tạ a trong ợ o r

t ế bào Khi lượng Lactate cao, lượng axit trong máu tăng lên cao và có th gây ểnguy hiể đếm n các t bào trong cơ th Axít lactic được tạế ể o thành bởi sự ổ t n thương của mitochondria Mitochondria là c u t o cấ ạ ủa các tế bào và chúng chuy n hóa ểthực phẩm chúng ta n và s n sinh ra n ng l ng chúng ta c n thiă ả ă ượ ầ ết Chất Lactate trong máu t o ra nh ng cạ ữ ảm ứng lo âu, làm tăng t c đ hoạ ộố ộ t đ ng của tim, huyết áp

và tốc đ th [25] ộ ở

Việc xác đ nh mị ức Lactate nhanh đư c thựợ c hi n bệ ởi cực đi n hóa ệ phát quang nhờ

ph n ả ứng hóa học (electrochemiluminescence -ECL) Loại cảm biế dùng một lần n

có độ chọ ọn l c và độ nh y cao, giá thành s n xu t thấp, thực hiện cho việc tích hợp ạ ả ấcác thiết bị đo c m tay Cảm biến sinh hầ ọc xác định chất lactate hoạ ột đ ng dựa trên

cơ sở chất xúc tác là chất emzim và chuyển b ng liên kằ ết cáp điện t - ECL: ửluminaol (L)

Cảm biến dùng ột ầ được chế ạo bằng công nghệ vi điện tửm l n t , trong đó đi n cực ệlàm việc đư c cố địợ nh b ng màng Methocel bao gằ ồm các chất như luminol, lactate oxidase - LOD, BSA NaCl, đệm phốt phát pH = 8 Khi có phả ứng gây lên bởi n ECL, phép đo ECL sẽ phát xạ cường đ sáng và được thu nhận bởi PD (Photodiode ộ

Detector S1227 66BR, Hamamatsu Photonics) - -

Hình 1 Mô hình thi6 ết bị đo xác đ ịnh nồ ng đ ch t Lactate ộ ấ

Sau khi tín hiệu được thu nhận t PD, tín hiừ ệu này đư c đưa qua b chuyển đổi ợ ộADC và được đưa và bộ vi x lý µC T i đây b vi x lý th c hi n x ký s li u và ử ạ ộ ử ự ệ ử ố ệ

hiển thị ế k t quả trên màn hình tinh thể ỏ l ng Thiết bị cho phép ghép nối với máy tính thông qua giao di n USB (Universal Serial Bus) và hiệ ển thị ế k t quả trên phần

mềm viết bằng ngôn ngữ isual Basic V

Ngoài việc chế ạ t o ra các loại cảm biến đ xác đ nh đưể ị ợc các loại vi khu n gây ra ẩ

ngộ độ c trong thực phẩm, các nhà khoa học Cộng hòa liên bang Đ c đã nghiên cứ ứu

chế ạ t o cảm bi n sinh hế ọc đa kênh dò nh m ứằ ng dụng xác định tảo độc ở ể bi n 4] [1

Cảm biến sinh học đa kênh đư c thiết kế ớợ v i 16 đi n cực làm việc với vật liệu bằng ệvàng hoặc bằng các bon, mỗi điện cực có kích thước 1,5 mm Đ ệi n cực làm việc và

điện cực chuẩn được bao quanh bở ới l p điện môi (hình 1.8), ghép n i ra ngoài ốthông qua bản mạch Hai vật liệu được sử ụ d ng chế ạ t o là Valox (polyester blended material) và gốm (alumina)

Việc cố đị nh cho cảm biến đa kênh đư c thợ ực hiện xử lý với chấ ệt đ m NaHCO3 50

mM, pH 9,6 sau đó đem ủ ớ v i NeutrAvidin nồng đ ộ 0,5 mg mL nhiệ ộ / ở t đ 4 oC trong thời gian là 4,5 h T ếi p theo t y NeutrAvidin b ng duẩ ằ ng dịch PBS (Phosphate Buffered Saline, Pierce Biotechnology, USA), các ADN dò trước khi gắn lên đi n ệ

cực làm việc đư c pha loãng với chấợ t đ m 0,3 M NaC /0,1 M Trizma, pH = 7,6 ệ l sau đó cho ủ ở nhiệ ột đ phòng v i th i gian 30 phút Việớ ờ c b o quản cảả m bi n đư c ế ợthực hiện ph 2% Trehalose trong PBS và s y khô ủ ấ ở 37 oC trong thời gian 30 phút tiếp theo mang bảo quản trong ở nhiệ ột đ 4 oC

Hình 1.7. Cảm biế đa kênh với 16 điện n cực làm vi c ệ

Hình 1.8 So sánh độ ổ n đ nh làm vi c c a đi n c c ch t o b ng vàng và cacbon ị ệ ủ ệ ự ế ạ ằ

Cảm biến sinh học ứng dụ ng trong xác đ nh virus gây bệnh: ị

Ngày nay loài người luôn luôn phải đ i mặt với các loạố i dịch bệnh do vi rút gây lên Do vậy, vi c nghiên c u và phát tri n các thiệ ứ ể ết bị dùng đ kiểể m tra và xác đ nh ịnhanh, chính xác các lo i virus gây bạ ệnh luôn được quan tâm trong thời đi m hiện ểnay Tại hội thảo khoa h c “Công nọ ghệ thông minh và ng dứ ụng” vào tháng 7 năm

2008 t i Bulgaria, các nhà khoa hạ ọc Ukraine đã báo cáo hoàn thành thi t bị ầế c m tay thông minh để chuẩn đoán dịch b nh cúm gia cầm H5N1 4 ệ [1 ]

Cả m bi n trên c s ế ở ở cácbon Cả m bi n trên c s ế ở ở vàng

Hình 1.9 Mô hình thiết bị xác đ ịnh cúm gia cầ m d a trên cả ự m biến quangNguyên lý của thiết bị ự d a trên hiệu ứng cộng hưởng gen nguyên sinh bề m t ặ(SPR-Surface Plasmon Resonance) Việc thay đ i đ cong củổ ộ a SPR làm thay đ i hệ ổ

s ố chiết suất, sự thay đổi này tỷ ệ ới nồ l v ng đ kháng thể trong máu của gia cầm bịộ

bệnh cúm Máu gia cầm bị ệ b nh đư c đ t trên bề ặt nhạy của thiết bịợ ặ m , trư c đó bớ ề

mặt đư c phủ ột lớp phân tích là kháng thể ủa cúm gia cầợ m c m Kháng nguyên ủa cgia cầm cúm sẽ tác đ ng và phộ ản ứng v i kháng ớ thể này Phản ứng xảy ra làm thay

đổ ệ ối h s chi t su t, tín hi u đư c chuy n đ i thông qua các kênh phát sóng t n s ế ấ ệ ợ ể ổ ầ ốradio t i trung tâm y ớ tế Thiết bị ủa bộ chuyển đổi này có c tên TSPR 1A170100

được ch tế ạo bơi công ty Nomadics [14] Thông qua các linh kiện thu, phát quang như Led, Photodetectors, gương để thu nh n, x lý tín hi u qua bộ chuyểậ ử ệ n đổ ối s tương tự (ADC) và vi xử lý hiển thị ết quả trên máy tính k

1.4 Nguyên lý h ệ đo và xử lý tín hiệ u c a cả ủ m bi n mi n d ch đa kênh ế ễ ị

Đ ệi n tr c a i t ng đư c xác nh b ng dòng i n i qua i t ng ó trên i n ở ủ đố ượ ợ đị ằ đ ệ đ đố ượ đ đ ệ

áp đặt vào đối tượng Đơn v SI cho ị đ ệi n trở là ohm được xác định:

R là đ ệi n trở ủ c a đối tượng, đơn vị là ohm Ω

V là đ ệi n áp đặt vào đối tượng, đơn vị là volt V

I là dòng đ ệi n đi qua đối tượng, đơn vị là ampe A

A G

A: tiết diện ngang, đơn vị cm2

L: chiều dài, đơn vị cm

γ: điện trở suất của vật liệu dẫn

Dễ thấy độ dẫn của vi điên cực không những phụ thuộc vào bản chất môi trường dẫn mà còn phụ thuộc vào cấu trúc hình học của vi điện cực Do đó, nếu ta tăng được số lượng các răng lược trên đế vi điện cực thì sẽ tăng được độ dẫn điện giữa hai điện cực Tuy nhiên điều này còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo, đặc biệt là công nghệ vi điện tử Việc phân cực xảy ra ở mặt tiếp giáp giữa kim loại

và lớp dẫn thay ổi khi cho dòng đ đi qua là nguyên nhân làm thay đ đổi ộ dẫn của lớp này Nếu sử dụng nguồn một chiều UDC đưa vào điện cực, thì lớp tụ iện được đ

tạo ra bởi lực hút tĩnh iện ion Do ó, sử dụng iện áp xoay chiều Uđ đ đ AC khi đưa vào

điện cực sẽ làm giảm ảnh h ởng bởi ộ phân cực [23 ư đ ]

1.4.2 Nguyên lý củ a h đo cho c m bi n mi n d ch đa kênh ệ ả ế ễ ị

Dựa trên nguyên lý hoạ ột đ ng của cảm biến sinh học miễn dịch, phản ứng xảy ra giữa kháng nguyên kháng th là nguyên nhân gây thay - ể đổi mật độ điện tích ở trên

b mề ặt các đi n cựệ c dò (thay đ i đổ ộ dẫn G) Để giảm thiểu ồn đóng góp vào tín hiệu trong quá trình đo đạc, một đi n cực đóng vai trò so sánh trong phép đo vi sai ệ

được tích h p cùng vớợ i các đi n cựệ c làm vi c Hình 1.11 ệ mô tả sơ đồ đo cảm bi n ếmiễn dịch đa kênh trên cơ sở vi điện cực

Hình 1.11 Sơ đồ thiết lập hệ đo cho c m bi n đa kênh ả ế

Sau khi cảm biến cố đị nh kháng thể ạ t o chức năng cho c m bi , viả ến ệc gắn thiết bị

đo cho từng kênh hoặc đ ng thờồ i cho 4 kênh theo sơ đồ (hình 1.11) Để xác định vi rút tác giả ử ụ s d ng pipet để ỏ ẫnh m u vào các điện cực của cảm biến với th tích tể ối

đa là 20 µl Khi có phản ứng kháng nguyên kháng th- ể ả x y ra ở kênh nào thì tín

hiệu điện ra có sự thay đổi so với kênh chuẩn (không cố định kháng thể) Thông

thường s thay đ i về độ ẫự ổ d n trong các thí nghi m đư c đo đ c thông qua hê thống ệ ợ ạLock - In Amplifier SR 830 Thiế ịt b này cho k t qu đo r t chính xác ngay cả ởế ả ấ

nồng độ rất nhỏ Tuy nhiên loại máy này ch ỉ hiển thị được cho 01 kênh của c m ả

bi n ế mà không thể ển thị và cho kết quả đo đồng th 4 kênh chi ời ủa cảm biến miễn

dịch Đây là cơ sở tác giả đã thiết kế và chế ạo thiết bị đo cho cảm biến miễn dịch t

đa kênh, phần nội dung này ợđư c miêu t chi ti t trong chương 2 của luậả ế n văn

Sơ đồ ệ đi n tương đương đư c tác gi miêu t cho 01 kênh c a c m biếợ ả ả ủ ả n mi n d ch ễ ịnhư trong hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ đi n tương đương cho c ệ ả m bi n mi n dịch ế ễ

Trong đó:

S: Tín hi u tệ ừ ộ b phát với điện áp V = 100 mV

R out: Điện tr ởngoài, Rout = 1 KΩ

R: Điện trở ủ c a màng polymer dẫn

G: Vôn kế (Đi n áp ra - Vout được hiển thị) ệ

Khi đó dòng điện của h ệđo được xác đ nh bởi công thức 2.9: ị

R R out

V I

+

=

(1.3)

V V

V R

V G

=

(1.8) Hay:

và biên đ 100 mV đưộ ợ ấc l y từ ộ b phát c a IC Max038ủ , sau đó, được đưa vào 5

điện cực (04 ện cựđi c làm việc và 01 điện cực chu n) Khi có phản ứng miễn dịch ẩtrên vùng diện tích làm việc của bề ặt cả m m biến s ẽ làm thay đổi tín hiệ ởu lân cận

b mề ặt cảm biến Do đó các tín hi u ra trên các đi n cực khác nhau tuỳ theo khảệ ệnăng phản ứng của chất phân tích trên ừ t ng điện cực làm vi c so v i đi n cực ệ ớ ệ

chuẩn S ự chênh l nh tín hiệ ệu đi n này đưệ ợc xử lý trong hệ đo đa kênh để ện thị hi

kết quả Chi tiết của hệ đo được tác giả miêu tả chi tiế t trong chương 2 c a luận ủvăn

Tác giả ừ v a trình bày mộ ốt s khái ni m v c m bi n sinh h c, phân lo i ứng ệ ề ả ế ọ ạdụng của cảm biến sinh học trong các lĩnh v c khác nhau của cuộc sốự ng Đ ng thời ồnhững thông tin v tình hình nghiên cề ứu của các nhóm nghiên c u trên thứ ế giới và trong nước cho th y s quan tâm sâu x c c a các nhà khoa h c và các nhà s n suất ấ ự ắ ủ ọ ảthiết bị trong lĩnh v c này ự

Với những thông tin thu lư m đư c, ới tính sẵn sàng về công nghệ, thiết bị, tác ợ ợ vgiả ẽ s trình bày chi tiết hơn phần việc của mình là phát triển thiết bị ệ h đo đa kênh dành cho các cảm biến miễn dịch trên cơ s ở độ ẫ d n đư c chế ạợ t o tại trường Đ i ạ

Học Bách Khoa Hà Nội

Chương 2 NGHIÊN C ỨU, CHẾ Ạ T O THI T B Ế Ị ĐO ĐA KÊNH

Kích thước của vi c ảm biế n đ ộ dẫn đa kênh:

Kích thước c a c m bi n đư c xác đ nh ban đ u t vi c thiết kếủ ả ế ợ ị ầ ừ ệ ch t o m t nạ ế ạ ặ(Mask) ặt nạ được hiểu như là các khuôn ánh sáng trong quá trình quang Mkhắc, khi chi u ánh sáng tế ử ngo i qua Mask lên l p c m quang ph trên b m t ạ ớ ả ủ ề ặlớp SiO2 của phiến Silicon, ánh sáng tử ngoại sẽ làm bi n đế ổi tính hoà tan của

cảm quang ở những khu vực đư c chiếu sáng, tạo ra hình ảnh giống như hình ợ

ảnh c a Mask lên l p c m quang Như v y hình nh th c c a b m t phi n ủ ớ ả ậ ả ự ủ ề ặ ếSilicon như là hình ảnh trên Mask

Hình 2.1 Hình ảnh mặt nạ ch tế ạo cảm biến đa kênh

Tính chính xác trong quá tình thiết kế và ch tế ạo Mask quyế ịt đ nh đ n đ chính ế ộxác và chất lư ng của cợ ảm bi n Các thông s cế ố ủa cảm biến đa kênh được liệt kê trong bảng 2.1

Khoảng cách

G(µm)

Chiều rộng W(µm)

Chiều dài (mm)

560 µm

1200 µm

1700 µm

2200 µm