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

Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng hưởng của nó, tần số cộng hưởng cao sẽ cho độ nhạy cao.. Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong do ảnh hưởng của ứng suất bề mặ

phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Nguyễn Duy Khanh

Đại học Công nghệ Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật liệu và 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

MỞ ĐẦU

Ngày nay, microcantilever đang nổi lên là cảm biến với nhiều ứng dụng trong phát hiện các chất hóa học, sinh học Nó được xem là cảm biến có dạng các

hệ vi cơ điện tử (MEMS – Microelectromechanical systems) với ít nhất một chiều

có kích thước micro Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng hưởng của nó, tần số cộng hưởng cao sẽ cho độ nhạy cao Tần số cộng hưởng của micro/nanocantilevers lại phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc của nó, kích cỡ càng nhỏ thì tần số càng cao Như vậy độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào kích

cỡ của nó, kích cỡ càng nhỏ cho độ nhạy càng cao Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, giới hạn phát hiện khác nhau, microcantilever có thể có các định dạng và cấu trúc khác nhau Ở một cấu trúc đơn giản nhất, microcantilever có cấu trúc thanh hình chữ nhật

Microcantilever có hai mô hình hoạt động: Mô hình tĩnh và mô hình động

Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong do ảnh hưởng của ứng suất bề mặt hoặc hấp phụ khối lượng hoặc bị ảnh hưởng ở cả hai yếu tố Dưới đây là hình ảnh minh họa mô hình uốn tĩnh

Nếu microcantilever hấp phụ các chất trên toàn thanh, độ lệch của thanh sẽ được biểu diễn theo công thức:

Z = 𝑤0 𝐿

4 8𝐸𝐼

Ở đây, Z là độ lệch của thanh, 𝑤0 là trọng lượng của chấp bị hấp phụ, L là chiều dài của cantilever, E là modun suất Young, I = w𝑡3/12 là momen quán tính

Mô hình động thể hiện tần số dao động của microcantilever, đối với microcantilever có dạng thanh hình chữ nhật, tần số cộng hưởng của thanh được biểu diễn bởi công thức:

𝑓0 = 3.515

2 𝜋

1

𝑙2 √𝐸𝐼 𝜌𝐴

Ở đây, 𝑓0 là tần số dao động của thanh, l là chiều dài, E là modun Young, I là momen quán tính, A là diện tích cắt ngang của thanh và 𝜌 là khối lượng riêng của thanh

Khối lượng của chất hấp phụ lên thanh có mối liên hệ với độ lệch tần số được biểu diễn bởi biểu thức: ∆𝑚 = 2𝑚∆𝑓

𝑓0, dưới đây là một ví dụ về một đồ thị thể hiện sự dịch chuyển tần số khi cantilever bắt cặp với virut

Nguyên lý hoạt động cơ bản của microcantilever dựa trên dịch chuyển tần

số có thể được giải thích như sau: Tần số cộng hưởng ban đầu của microcantilever

là f0, khi nó hấp phụ một chất sinh học hay hóa học nào đó sẽ làm cho khối lượng của nó thay đổi, khối lượng thay đổi sẽ dẫn tới tần số thay đổi Như vậy, dựa vào

sự thay đổi tần số của microcantilever có thể phát hiện ra được có chất nào bị hấp phụ trên thanh hay không Tần số dịch chuyển càng nhiều thì chất hấp phụ /gắn kết trên thanh càng nhiều và ngược lại

Microcantilever được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng phát hiện các chất sinh học, hóa học Dưới đây là một số hình ảnh mình họa việc bắt cặp các chất trên thanh

I.P Burg và S.R Manalis đã báo cáo rằng, những thay đổi về khối lượng trên cantilever của nhóm chế tạo có thể phát hiện được khối lượng xuống tới 10-19 g/𝜇m2 Microcantilever có lớp áp điện có thể phát hiện được độ nhạy nồng độ xuống tới 10 pg/ml Bằng việc sử dụng polysilicon nanocantilever hoạt động trong chân không, B.Ilic và Y.Yang có thể phát hiện được khối lượng 1,5 fg các đơn virut Đặc biệt, sử dụng SiN Cantilever để phát hiện DNA, nhóm của B.Ilic và Y.Yang phát hiện được khối lượng xuống tới 1,65 ag

Trong nghiên cứu này, tác giả và nhóm nghiên cứu sẽ trình bày kết quả chế tạo microcantilever lần đầu tiên tại Việt Nam Sau chế tạo thành công, microcantilever sử dụng 2 chất là Cysteamine và Glutaraldehyde (GAD) để cố định đơn chuỗi DNA và lai hóa DNA bổ sung với nó Cặp DNA này có tên P53 chỉ thị tín hiệu ung thư gan Nghiên cứu thành công công đề tài này cũng là cơ sở

để ứng dụng microcantilever cho việc phát hiện các biomarker chỉ thị ung thư gan

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

[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 (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

[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