Chế tạo microcantilever và ứng dụng trong phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Chế tạo microcantilever ứng dụng phát DNA thị ung thư gan Nguyễn Duy Khanh Đại học Công nghệ Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật liệu linh kiện nano Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm Người hướng dẫn: TS Tống Duy Hiển Năm bảo vệ: 2014 Keywords Linh kiện Nanô; Microcantilever; DNA; Ung thư gan xi MỞ ĐẦU Ngày nay, microcantilever lên cảm biến với nhiều ứng dụng phát chất hóa học, sinh học Nó xem cảm biến có dạng hệ vi điện tử (MEMS – Microelectromechanical systems) với chiều có kích thước micro Độ nhạy microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng hưởng nó, tần số cộng hưởng cao cho độ nhạy cao Tần số cộng hưởng micro/nanocantilevers lại phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc nó, kích cỡ nhỏ tần số cao Như độ nhạy microcantilever phụ thuộc vào kích cỡ nó, kích cỡ nhỏ cho độ nhạy cao Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, giới hạn phát khác nhau, microcantilever có định dạng cấu trúc khác Ở cấu trúc đơn giản nhất, microcantilever có cấu trúc hình chữ nhật Microcantilever có hai mô hình hoạt động: Mô hình tĩnh mô hình động Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong ảnh hưởng ứng suất bề mặt hấp phụ khối lượng bị ảnh hưởng hai yếu tố Dưới hình ảnh minh họa mô hình uốn tĩnh Nếu microcantilever hấp phụ chất toàn thanh, độ lệch biểu diễn theo công thức: Z = 𝑤0 𝐿4 8𝐸𝐼 Ở đây, Z độ lệch thanh, 𝑤0 trọng lượng chấp bị hấp phụ, L chiều dài cantilever, E modun suất Young, I = w𝑡 /12 momen quán tính Mô hình động thể tần số dao động microcantilever, microcantilever có dạng hình chữ nhật, tần số cộng hưởng biểu diễn công thức: 𝑓0 = 3.515 𝐸𝐼 √ 𝜋 𝑙 𝜌𝐴 xii Ở đây, 𝑓0 tần số dao động thanh, l chiều dài, E modun Young, I momen quán tính, A diện tích cắt ngang 𝜌 khối lượng riêng Khối lượng chất hấp phụ lên có mối liên hệ với độ lệch tần số ∆𝑓 biểu diễn biểu thức: ∆𝑚 = 2𝑚 , ví dụ đồ thị 𝑓0 thể dịch chuyển tần số cantilever bắt cặp với virut Nguyên lý hoạt động microcantilever dựa dịch chuyển tần số giải thích sau: Tần số cộng hưởng ban đầu microcantilever f0, hấp phụ chất sinh học hay hóa học làm cho khối lượng thay đổi, khối lượng thay đổi dẫn tới tần số thay đổi Như vậy, dựa vào thay đổi tần số microcantilever phát có chất bị hấp phụ hay không Tần số dịch chuyển nhiều chất hấp phụ /gắn kết nhiều ngược lại Microcantilever ứng dụng nhiều ứng dụng phát chất sinh học, hóa học Dưới số hình ảnh họa việc bắt cặp chất xiii I.P Burg S.R Manalis báo cáo rằng, thay đổi khối lượng cantilever nhóm chế tạo phát khối lượng xuống tới 10-19 g/𝜇m2 Microcantilever có lớp áp điện phát độ nhạy nồng độ xuống tới 10 pg/ml Bằng việc sử dụng polysilicon nanocantilever hoạt động chân không, B.Ilic Y.Yang phát khối lượng 1,5 fg đơn virut Đặc biệt, sử dụng SiN Cantilever để phát DNA, nhóm B.Ilic Y.Yang phát khối lượng xuống tới 1,65 ag Trong nghiên cứu này, tác giả nhóm nghiên cứu trình bày kết chế tạo microcantilever lần Việt Nam Sau chế tạo thành công, microcantilever sử dụng chất Cysteamine Glutaraldehyde (GAD) để cố định đơn chuỗi DNA lai hóa DNA bổ sung với Cặp DNA có tên P53 thị tín hiệu ung thư gan Nghiên cứu thành công công đề tài sở để ứng dụng microcantilever cho việc phát biomarker thị ung thư gan 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Chung-Kai YANG, From MEMS to NEMS: Scaling Cantilever Sensors, Technische Universiteit Delft, 2012 [2] Then, D.; Vidic, A.; Ziegler, C Sens Actuators, B2006, B117,1 [3] Then, D.; Ziegler, C Encycl Nanosci Nanotechnol.2004, 1, 499 [4] Abadal, G.; Davis, Z J.; Helbo, B.; Borrise, X.; Ruiz, R.; Boisen Lang, H P.; Berger, R.; Battiston, F.; Ramseyer, J P.; Meyer, E [5] Andreoli, C.; Brugger, J.; Vettiger, P.; Despont, M.; Mezzacasa, T.; Scandella, L.; Guentherodt, H J.; Gerber, C.; Gimzewski, J K.Appl Phys A1998, 66, S61 [6] Rasmussen, P A.; Grigorov, A V.; Boisen, A J Micromech Microeng.2005, 15, 1088 [7] Lu, P.; Lee, H P.; Lu, C.; O’Shea, S J Phys ReV B: Condens Matter2005, 72, 085405/1 [8] M.C Petty, Langmuir-Blodgett Films, Cambridge University Press, Cambridge, 1996 [19] W Weaver Jr., S P Timoshenko and D H Young,Vibration Problems in Engineering, Wiley-Interscience, New York, 5th edn,1990, ch 5, pp 427– 428 [10] Karen M Goeders, Jonathan S Colton, Lawrence A Bottomley, Microcantilevers, Chem Rev 2008, 108, 522-542 [11] D.F McGuigan, C.C Lam, R.Q Gram, A.W Hoffman, D.H Douglass, and H.W Gutche Measurements of the mechanical Q of single-crystal silicon at low temperatures J Low Temp Phys., 30(5/6):621–29, 1978 [12] Lange D (2000) Cantilever-based microsystems for gas sensing and atomic force microscopy [13] R McKendry, J Zhang, Y Arntz, T Strunz, M Hegner, H P Lang, M K Baller, U Certa, E Meyer, H.-J Gu¨ ntherodt and Ch Gerber,Proc Natl Acad Sci U S A., 2002, 99(15), 9783–9788 [14] T Thundat, E A Wachter, S L Sharp and R J Warmack, Appl Phys Lett., 1995, 66(13), 1695–1697 [15] S Basak, A Raman and S V Garimella,J Appl Phys., 2006, 99(11), 114906 67 [16] J Polesel-Maris, L Aeschimann, A Meister, R Ischer, E Bernard, T Akiyama, M Giazzon, P Niedermann, U Staufer, R Pugin, N F de Rooij, P Vettiger and Heinzelmann,J Phys.: Conf Ser., 2007, 61, 955– 959 [17] X Yu, J Thaysen, O Hansen and A Boisen,J Appl Phys., 2002, 92(10), 6296–6301 [18] J A Harley and T W Kenny,Appl Phys Lett., 1999, 75(2),289–291 [19] Gfeller, K Y.; Nugaeva, N.; Hegner, M.Appl EnViron Microbiol 2005, 71, 2626 [20] Gfeller, K Y.; Nugaeva, N.; Hegner, M.Biosens Bioelectron.2005, 21, 528 [21] Ramos, D.; Tamayo, J.; Mertens, J.; Calleja, M.; Zaballos, A.J Appl Phys.2006, 100 [22] Campbell, G A.; Mutharasan, R Biosens Bioelectron.2006, 22,78 [23] Campbell, G A.; Mutharasan, R Biosens Bioelectron.2006, 21,1684 [24] Nugaeva, N.; Gfeller, K Y.; Backmann, N.; Lang, H P.; Dueggelin, M.; Hegner, M.Biosens Bioelectron.2005, 21, 849 [25] T P Burg, S R Manalis Suspended microchannel resonators for biomolecular detection Appl Phys Lett., 2003, 83 (13), 2698-2700 [26] J H Lee, K S Hwang, J Park, K H Yoon, D S Yoon and T S Kim, Biosens Bioelectron., 2005, 20, 2157–2162 [27] B Ilic, Y Yang and H G Craighead, Appl Phys Lett., 2004, 85 (13), 2604–2606 [28] B Ilic, Y Yang, K Aubin, R Reichenbach, S Krylov and H G Craighead, Nano Lett., 2005, (5), 925–929 [29] Philip S Waggoner and Harold G Craighead, Micro- and nanomechanical sensors for environmental, chemical, and biological detection, Lab Chip, 2007, 7, 1238–1255 [30] Kinzler, Kenneth, W.; Vogelstein, Bert (2002) “Introduction” The genetic basis of human cancer New York: McGraw – Hill, Medical Pub Division.p.5 [31] Jemal A, Bray, F, Center, MM, Ferlay, J, Ward, E, Forman, D (February 2011) “Global cancer statistics” CA: a cancer journal for clinicians 61 (2): 69 – 90 68 [32] N.F Martinez, P.M Kosaka, J Tamayo Rev Sci Instrum.81, 125109 (2010) [33] Daniel Ramos, Maria Arroyo-Hernandez, Eduardo Gil-Santos, Hien Duy Tong, Cees Van Rijn, Montserrat Calleja, and Javier Tamayo Arrays of Dual Nanomechanical Resonators for Selective Biological Detection Anal Chem., 2009, 81 (6), 2274-2279 [34] N F Martínez, P M Kosaka, J Tamayo, T D Hien, C V Rijn, and M Calleja High throughput optical readout of dense arrays of nanomechanical systems for sensing applications Rev Sci Instrum 2010, 81, 125109