+ Bộ chuyển đổi được sử ụng để ến đổ d bi i các tín hi u hóa hệ ọc, hóa sinh được sinh ra t ừ các tương tác của chất cần phân tích với đầu thu sinh học thành các tín hiệu điện.. Trong cơ
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN KIẾN THẠCH CẢM BIẾN SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG CHẨN ĐOÁN SỚM BỆNH ALZHEIMER LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS TRƯƠNG THỊ NGỌC LIÊN Hà Nội – Năm 2013 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131886281000000 Lời cảm ơn Lời luận văn xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc tới TS Trương Thị Ngọc Liên, người thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi cơng việc sống giúp tơi hồn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới thầy cô, anh chị Phịng thí nghiệm Vật liệu điện tử, Phịng Vật lý đo lường - Viện vật lý kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện vật tư, trang thiết bị tận tình giúp đỡ công tác nghiên cứu, học tập trường Tôi xin chân thành cảm ơn TS Vũ Công Hảo anh chị Phòng Khoa học Công nghệ, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 2, tạo điều kiện thời gian công sức giúp đỡ suốt thời gian học tập nghiên cứu vừa qua Tôi xin chân thành cảm ơn thầy cô anh chị thuộc Viện Vật Lý Kỹ Thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người tận tình dạy dỗ có góp ý q báu giúp tơi hồn thành tốt luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn thành viên nhóm Biosensors Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội có chia sẻ giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu trường Cuối cùng, xin dành lời cảm ơn tới gia đình bạn bè tôi, người đồng hành suốt thời gian qua Hà Nội, ngày 25 tháng 12 năm 2013 Học viên Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các kết luận văn trung thực chưa công bố cơng trình Tác giả Nguyễn Kiến Thạch Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHĨA 2011B DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Bệnh nhân Auguste D 12 Hình 1.2 Ảnh mơ não người a) Não bình thường b) Não người bị bệnh Alzheimer [9] 15 Hình 1.3 Ảnh mơ tế bào nơ-ron thần kinh a) Nơ-ron người bình thường; b) Nơ-ron người bị bệnh Alzheimer với mảng lão hóa Amyloid đám rối sợi thần kinh [9] 16 Hình 1.4 Chuỗi peptite Aβ vị trí APP [21] 23 Hình 1.5 Mô hai chế phân giải APP a) Phân giải gen amyloid (Non Amyloidogenic); b) Phân giải gen amyloid (Amyloidogenic)[21] 24 Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo chung hệ cảm biến sinh học 27 Hình 2.2 Mơ hình cấu trúc liên kết kháng thể - kháng nguyên 29 Hình 2.3 Cơ chế hoạt động enzyme đóng vai trò chất xúc tác sinh học 30 Hình 2.4 Mơ hình cấu trúc DNA RNA 31 Hình 2.5 Các phương pháp cố định đầu thu lên bề mặt cảm biến Hấp thụ vật lý, 2.Liên kết cộng hóa trị, Bẫy, 4.Liên kết chéo phân tử, Hóa rắn [16] 36 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý cảm biến sinh học dòng: a) cảm biến sinh học dòng loại thứ nhất, b) cảm biến sinh học dòng loại thứ hai.[25] 40 Hình 2.7 Mơ hình cảm biến điện hóa sử dụng ISE a) ISE thông thường với lớp chuyển tiếp thể lỏng b) ISEs với lớp tiếp giáp rắn [25] 42 Hình 2.8 Các dạng điện cực in lưới: (a) hệ điện cực; (b) hệ điện cực 44 Hình 2.9: Cấu trúc mảng in lưới điện cực phân bố điện cực làm việc 45 Hình 2.10: Vi ảnh cảm biến vi mảng Các chấm sáng điện cực platin 46 Hình 3.1 Biểu diễn vector Fresnel mặt phẳng phức 50 Hình 3.2 Tập hợp điểm M mặt phẳng Nyquist tạo nên đường phổ tổng trở đặc trưng cho hệ khảo sát 51 Hình 3.3 Mạch tương đương Randles cảm biến điện hóa thơng thường 52 Hình 3.4 a Ngun lý trao đổi điện tích cảm biến sinh học điện hóa xác định kháng thể; b phổ tổng trở tương ứng với mạch tương đương Randles 53 Hình 3.5 Điện cực điện hóa cacbon (DEP chip) 56 Hình 3.6 Hệ AutoLab PGSTAT 12 56 Hình 3.7 Quy trình cơng nghệ chế tạo cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 57 Hình 3.8 Quy trình cơng nghệ chế tạo cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 59 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHĨA 2011B Hình 3.9 Ảnh SEM điện cực in cacbon biến tính hạt vàng có kích thước nano sử dụng phương pháp quét vòng CV (từ -0,6 đến +0,5V với điện cực chuẩn Ag/AgCl) với số vòng khác a) 10 vòng; b) 15 vòng; c) 20 vịng 60 Hình 3.10 Đặc trưng dòng - phương pháp CV với 10 vòng quét, tốc độ quét 50mV/s, dải quét từ -0,6 V ÷0,5 V 60 Hình 3.11 Sơ đồ cấu trúc phân tử axit 16-mercaptohexadecanoic (MHDA) 61 Hình 3.12 Sơ đồ mơ tả q trình xử lý NHS-EDC cố định kháng thể lên hạt nano vàng 62 Hình 3.13 Quy trình cơng nghệ chế tạo cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 63 Hình 4.1 Phổ tổng trở ứng với nồng độ kháng nguyên Amyloid β (1-40) khác cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 65 Hình 4.2 Đường đặc trưng chuẩn cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip với RCT hàm nồng độ kháng nguyên Aβ(1-40) 67 Hình 4.3 Phổ trở kháng phức ứng với số vòng quét khác cảm biến chế tạo theo quy trình chế tạo cảm biến B 69 Hình 4.4 Phổ trở kháng phức ứng với nồng độ kháng nguyên Amyloid β (1-40) khác cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 70 Hình 4.5 Đường đặc trưng chuẩn cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip với R CT hàm nồng độ kháng nguyên Aβ(1-40) 72 Hình 4.6 Phổ trở kháng phức ứng với nồng độ kháng nguyên Aβ 1-42 khác cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 73 Hình 4.7 Đường đặc trưng chuẩn cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip với RCT hàm nồng độ kháng nguyên Aβ(1-42) 75 Hình 4.8 Đường đặc trưng chuẩn Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip với RCT hàm nồng độ BSA 76 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 2.1 Danh mục hóa chất 55 Bảng 4.1 Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 67 Bảng 4.2 Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 71 Bảng 4.3 Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 74 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT APH: anterior pharynx-defective APOE: apolipoprotein E APP: Amyloid precursor protein BACE: β-site APP cleaving enzyme BSA: Bovine serum albumin CT: Medical imaging with computed tomography DEP chip: Disposable Electrochemical Printed DMSO: Dimethyl Sulfoxide DNA: DeoxyriboNucleic Acid EDC: 1-Ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide EIS : Electrochemical Impedance Spectroscopy FDA: Food and Drug Administration IUPAC: Internatonal Union of Pure and Applied Chemistry LOD: Limit of detection Mab : Mono Antibody MHDA: 16-Mercaptohexadecanoic acid MRI: Magnetic resonance imaging NHS: N-hydroxysulfosuccinimide PBS: Phosphate Buffered Saline PET: positron emission tomography PiB: the Pittsburgh Compound B QCM : Quartz crystal microbalance RNA: RiboNucleic Acid SAM: Self-Assembled monolayer SEM: Scanning Electron Microscop SPCEs : Screen-printed carbon electrodes SPECT: single photon emission computed tomography WHO: World Health Organization Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B MỤC LỤC Lời cảm ơn DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG BIỂU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ BỆNH ALZHEIMER VÀ AMYLOID BETA 12 Tổng quan bệnh Alzheimer 12 1.1 Các giai đoạn phát triển bệnh 13 1.2 Nguyên nhân 15 1.3 Phịng chống chăm sóc 18 Các phương pháp chẩn đoán điều trị bệnh Alzheimer 20 2.1 Các phương pháp chẩn đoán 20 2.2 Các phương pháp điều trị 21 Protein Amyloid Beta 23 CHƯƠNG II CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA 26 Cảm biến sinh học 26 1.1 Tác nhân phát 27 1.2 Đầu thu sinh học 28 a Kháng thể/kháng nguyên 28 b Enzyme 29 c Axit Nucleic/DNA, RNA 30 d Tế bào mô tế bào 32 e Chất mô sinh học 32 1.3 Bộ chuyển đổi 33 a Chuyển đổi điện hóa 33 b Chuyển đổi quang 33 c Chuyển đổi áp điện 34 d Chuyển đổi nhiệt 35 e Chuyển đổi vi 35 1.4 Các phương pháp cố định thành phần sinh học lên vật liệu rắn 36 a Hấp thụ vật lý 36 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B b Liên kết cộng hóa trị 37 c Bẫy 38 d Liên kết chéo phân tử 38 e Hóa rắn 38 Cảm biến điện hóa 39 2.1 Cảm biến sinh học đo dòng 39 2.2 Cảm biến sinh học đo 40 2.3 Cảm biến sinh học đo độ dẫn 42 Công nghệ điện cực in cacbon 43 Ứng dụng cảm biến sinh học 46 4.1 Chẩn đoán bệnh y tế chăm sóc sức khỏe 47 4.2 Quản lý chất lượng thực phẩm 47 4.3 Quản lý môi trường 48 CHƯƠNG III CHẾ TẠO CẢM BIẾN CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA PHỔ TỔNG TRỞ PHÁT HIỆN AMYLOID β(1-40) VÀ AMYLOID β (1-42) 49 Nguyên lý hoạt động cảm biến điện hóa phổ tổng trở 49 1.1 Phổ trở tổng trở (EIS – Electrochemical Impedance Spectroscopy) 49 1.2 Cảm biến sinh học điện hóa phổ tổng trở 51 Công nghệ chế tạo 55 2.1 Hóa chất thiết bị 55 a Hóa chất 55 b Thiết bị 56 2.2 Công nghệ chế tạo 57 a Cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 57 b Cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 58 c Cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 63 CHƯƠNG IV KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64 Đặc trưng phổ tổng trở EIS 64 Hoạt động cảm biến Mab Amyloid β/ pyrenyl/ DEP chip 65 Cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 68 a Ảnh hưởng mật độ AuNPs tới hiệu suất cố định kháng thể 68 b.Hoạt động cảm biến Mab Amyloid β/ SAM/ DEP chip 70 Cảm biến Mab Amyloid β/ protein G - SAM/ DEP chip 73 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch LUẬN VĂN CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT- KHÓA 2011B Ảnh hưởng nồng độ BSA đến kết đo phổ tổng trở 76 KẾT LUẬN 77 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 Học viên: Nguyễn Kiến Thạch