Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Thị Luyến NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP HỆ VI LƯU LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC HÀ NỘI - 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Trần Thị Luyến NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP HỆ VI LƯU Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học Mã số: 62520301 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS MAI ANH TUẤN PGS.TS HUỲNH ĐĂNG CHÍNH HÀ NỘI - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi hướng dẫn tập thể giáo viên hướng dẫn Các số liệu, kết nghiên cứu trung thực chưa công bố công trình khác Tập thể hướng dẫn PGS TS Mai Anh Tuấn PGS.TS Huỳnh Đăng Chính Tác giả luận án Trần Thị Luyến LỜI CẢM ƠN Với lịng kính trọng biết ơn sâu sắc, xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Thầy, PGS.TS Mai Anh Tuấn PGS.TS Huỳnh Đăng Chính, người Thầy tâm huyết, yêu nghề giao đề tài tận tình hướng dẫn tơi, động viên, khích lệ hết lịng giúp đỡ để tơi hồn thành cơng trình nghiên cứu Tơi xin chân thành cảm ơn giúp đỡ mặt kinh phí từ nguồn kinh phí đào tạo nghiên cứu sinh Bộ Giáo dục Đào tạo (đề án 911 nước), đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ (mã số: B2015-01-102) Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia thông qua đề tài mã số 103.99-2013.58 Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới lãnh đạo Thầy Cô, đồng nghiệp Bộ mơn Hóa Vơ - Đại cương, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện ITIMS, Viện Đào tạo sau Đại học Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo tất điều kiện thuận lợi để thực luận án Tơi xin chân thành cảm ơn anh, chị, em học viên cao học nghiên cứu sinh PTN Vật liệu sinh học Khoa học sống, Viện ITIMS, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội hỗ trợ nhiệt tình thời gian tơi thực luận án Tôi xin trân trọng cảm ơn TS Đỗ Phúc Quân, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; TS Phạm Đức Thành, TS Chu Thị Xuân, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; GS Hiroaki Suzuki, Trường Đại học Tsukuba (Nhật Bản) giúp đỡ nhiệt tình đóng góp chun mơn q báu Tơi xin trân trọng cảm ơn Công ty CP công nghệ sinh học thú y BTV (Biotech-Vet) cho phép tiếp cận nguồn mẫu nhà máy trình thực chương trình nghiên cứu sinh Tơi xin chân thành cảm ơn người thân bạn bè động viên, khích lệ tơi Tơi xin dành lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình tơi: bố, mẹ, chồng, yêu thương, cảm thông chia sẻ với tơi cơng việc nhà, để tơi tập trung học tập nghiên cứu suốt năm tháng gian khổ Nghiên cứu sinh Trần Thị Luyến MỤC LỤC DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT i DANH MỤC CÁC BẢNG iii DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ iv MỞ ĐẦU 1 TỔNG QUAN 1.1 Cảm biến sinh học điện hóa 1.1.1 Phân tích điện hóa 1.1.2 Cảm biến sinh học điện hóa 1.1.2.1 Nhu cầu phát triển cảm biến sinh học 1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học cảm biến sinh học điện hóa 1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa ngồi nước 1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa 11 1.2 Biến tính bề mặt cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu polime dẫn polypyrrole 12 1.2.1 Vật liệu polime dẫn polypyrrole ứng dụng chế tạo cảm biến DNA điện hóa 12 1.2.2 Tổng hợp vật liệu polime dẫn polypyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa 13 1.2.2.1 Cơ chế q trình polime hóa pyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa 13 1.2.2.2 Một số kỹ thuật điện hóa sử dụng để tổng hợp polime dẫn 14 1.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình polime hóa điện hóa pyrrole 16 1.2.2.4 Quá trình doping polypyrrole 17 1.2.2.5 Vai trò gelatin tổng hợp dây nano polypyrrole 20 1.3 Cố định phần tử cảm nhận sinh học lên cảm biến sinh học điện hóa 21 1.3.1 DNA kháng nguyên, kháng thể 21 1.3.1.1 DNA 21 1.3.1.2 Kháng nguyên, kháng thể 22 1.3.2 Các phương pháp cố định phần tử cảm nhận sinh học 24 1.3.2.1 Hấp phụ vật lý 24 1.3.2.2 Liên kết cộng hóa trị 26 1.3.2.3 Ái lực sinh học 28 1.4 Tích hợp cảm biến sinh học điện hóa bình phản ứng mini 32 1.5 Kỹ thuật điện hóa nhận biết thành phần sinh học 34 1.5.1 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa 34 1.5.1.1 Nguyên lý phổ tổng trở điện hóa 34 1.5.1.2 Biểu diễn tổng trở mặt phẳng phức 35 1.5.1.3 Mạch điện tương đương phổ tổng trở 37 1.5.2 Phương pháp đo vi sai 39 1.5.3 Phương pháp quét vòng (Cyclic Voltammetry - CV) 41 1.5.3.1 Nguyên lý phương pháp CV 41 1.5.3.2 Quét vòng điện cực phẳng 42 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE 45 2.1 Mở đầu 45 2.2 Thực nghiệm 45 2.2.1 Hóa chất 45 2.2.2 Điện cực tích hợp 46 2.2.3 Tổng hợp dây nano PPy sử dụng kỹ thuật điện hóa 46 2.2.4 Cố định DNA dò điện cực Pt-PPy NWs 47 2.2.5 Đặc trưng phổ tổng trở điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò 47 2.3 Kết thảo luận 48 2.3.1 Tổng hợp dây nano PPy điện cực Pt 48 2.3.1.1 Đặc tuyến điện hóa hệ điện cực Pt tích hợp 48 2.3.1.2 Giá trị điện phản ứng polyme hóa pyrrole 48 2.3.1.3 Ảnh hưởng gelatin – khuôn nano chế tạo dây polyme 50 2.3.1.4 Ảnh hưởng nồng độ monome pyrrole 51 2.3.1.5 Thời gian polime hóa 53 2.3.1.6 Phổ FT-IR 54 2.3.1.7 Phổ Raman 55 2.3.2 Đặc trưng tín hiệu cố định DNA dò 56 2.3.3 Đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dị- DNA đích 57 2.4 Kết luận 60 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HĨA TÍCH HỢP HỆ VI LƯU 61 3.1 Mở đầu 61 3.2 Thực nghiệm 62 3.2.1 Hóa chất 62 3.2.2 Hệ ba điện cực tích hợp kết nối với bình phản ứng mini 62 3.2.3 Tổng hợp dây nano PPy vi bin ̀ h phản ứng 65 3.2.4 Cố định DNA dò điện cực Pt-PPy NWs 66 3.2.5 Phát hiêṇ tín hiêụ lai hóa DNA sử du ̣ng Lock-in Amplifier 66 3.3 Kết và thảo luâ ̣n 66 3.3.1 Kế t quả chế ta ̣o ̣vi kênh tích hơ ̣p với điêṇ cực 66 3.3.1.1 Kế t quả đo bề dày vi kênh PDMS 67 3.3.1.2 Kế t quả gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực 68 3.3.2 Đặc tuyến điện hóa hệ ba điện cực tích hợp vi bin ̀ h phản ứng 70 3.3.3 Tổ ng hơ ̣p PPy NWs vi bin ̀ h phản ứng 71 3.3.4 Phát hiện tượng lai hóa DNA 74 3.4 Kết luận 77 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH ĐIỆN HĨA TÍCH HỢP BÌNH PHẢN ỨNG MINI ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN VIRUS NEWCASTLE 78 4.1 Mở đầu 78 4.2 Thực nghiệm 80 4.2.1 Hóa chất 80 4.2.2 Thiết kế chế tạo hệ điện cực tích hợp bình phản ứng mini 81 4.2.3 Cố định kháng thể bề mặt cảm biến 82 4.2.4 Phát virus (bất hoạt) sử dụng cảm biến miễn dịch điện hóa 83 4.2.5 Thống kê xử lý số liệu 83 4.3 Kết và thảo luâ ̣n 84 4.3.1 Đặc tuyến điện hóa hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay chế tạo 84 4.3.2 Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể 87 4.3.3 Đặc trưng tín hiệu tương tác virus - kháng thể 91 4.3.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu cảm biến miễn dịch 92 4.3.4.1 Ảnh hưởng nồng độ kháng thể 92 4.3.4.2 Ảnh hưởng thời gian bắt cặp kháng thể - virus 95 4.3.5 Độ nhạy cảm biến miễn dịch 97 4.4 Kết luận 100 KẾT LUẬN CHUNG 101 DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 103 TÀI LIỆU THAM KHẢO 104 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt Ab Antibody Kháng thể DNA Deoxyribonucleic acid Axit deoxyribonucleic Ag Antigen Kháng nguyên AO Atomic Orbital Obitan nguyên tử APTES 3-aminopropyl–triethoxysilane 3-aminopropyl–triethoxy-silan BSA Bovine serum albumin Albumin huyết bò CE Counter Electrode Điện cực đối CV Cyclic Voltammetry Phương pháp Von-Ampe vòng DPV Diffirential Pulse Voltammetry Vi sai xung Voltammetry 10 EID50 50 % Empryo infective dose Liều nhiễm trùng phôi (gà) 11 EIS Electrochemical impedance spectroscopy Phổ tổng trở điện hóa 12 FE-SEM Field Emision Scanning Electron Microscope Hiển vi điện tử quét phát xạ trường 13 ELISA Enzyme linked immuno sorbent assay Kỹ thuật miễn dịch hấp phụ gắn men 14 FTIR Fourier transform infrared spectroscopy Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier 15 GA Glutaraldehyde Glutaraldehyde 16 GS Galvanostatic Phương pháp dịng khơng đổi 17 HIV Human immunodeficiency virus Virus gây suy giảm miễn dịch cho người 18 HPV Human papillomavirus Virus gây ung thư cổ tử cung 19 IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry Hiệp hội Hóa Tinh khiết Ứng dụng Quốc tế 20 ISFET Ion sensitive field effect transistor Transistor hiệu ứng trường nhạy ion 21 ITO Indium tin oxide Oxit thiếc - Indi 22 MO Molecular Orbital Obitan phân tử 23 MPTMS (3-Mercaptopropyl) trimethoxysilane (3-Mercaptopropyl) trimethoxysilane 24 NHS N-Hydroxysuccinimide N-Hydroxysuccinimide 25 PANi Polyaniline Polyaniline 26 PBS Phosphate buffered saline Dung dịch đệm phosphate TT i 27 PCR Polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi polymerase 28 PDMS Polydimethylsiloxane Polydimethylsiloxane 29 PPy Polypyrrole Polypyrrole 30 PrA Protein A Protein A 31 PRE Psuedo reference electrode Điện cực so sánh thay 32 RE Reference electrode Điện cực so sánh 33 SARS Severe acute respiratory syndrome Hội chứng hô hấp cấp tính nặng 34 SEM Scanning electron microscopy Hiển vi điện tử quét 35 SERS Surface Enhanced Raman Phổ Raman Tăng cường bề mặt Spectroscopy 36 SWV Square Wave Voltammetry Von-ampe sóng vng 37 UV Ultraviolet Tử ngoại 38 WE Working Electrode Điện cực làm việc 39 WHO World Health Organization Tổ chức y tế giới ii DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Một số kết nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa giới Bảng 1.2: Một số kết nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa Việt Nam 10 Bảng 1.3: Sự phụ thuộc ∆Ep vào ψ nhiệt độ 25 ᵒC Eλ = Ep – 112,5/n mV α = 0,5 43 Bảng 2.1: Trình tự chuỗi đơn DNA 45 Bảng 2.2: Các thông số tổng trở mô theo mạch tương đương Randles 59 Bảng 2.3: So sánh cảm biến DNA chế tạo với số cảm biến DNA công bố khác 59 Bảng 3.1: So sánh cảm biến DNA tích hợp vi kênh PDMS chế tạo với số cảm biến DNA công bố khác 76 Bảng 4.1: Số lượng gia súc, gia cầm 01.10.2014 78 Bảng 4.2: Qui trình chế tạo điện cực vàng WE CE tích hợp 81 Bảng 4.3: Các thơng số điện hóa thu từ kết đo CV sử dụng hệ ba điện cực với điện cực so sánh tự chế tạo điện cực so sánh thương mại 85 Bảng 4.4: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak thu từ kết đo CV điện cực vàng (WE) sau bước cố định kháng thể 89 Bảng 4.5: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak ∆Ipeak thu từ kết đo CV điện cực cảm biến miễn dịch cảm biến miễn dịch/virus Newcastle thay đổi nồng độ kháng thể cố định bề mặt cảm biến 93 Bảng 4.6: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak ∆Ipeak thu từ kết đo CV điện cực cảm biến miễn dịch cảm biến miễn dịch/virus Newcastle thay đổi thời gian bắt cặp kháng thể - virus 96 Bảng 4.7: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak ∆Ipeak thu từ kết đo CV điện cực cảm biến miễn dịch cảm biến miễn dịch/virus Newcastle thay đổi hàm lượng virus Newcastle 98 Bảng 4.8: So sánh kết dị tìm virus gây bệnh số loại cảm biến miễn dịch 99 iii ... án: ? ?Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu? ?? Mục tiêu luận án: Mục tiêu luận án nghiên cứu chế tạo tích hợp cảm biến sinh học điện hóa vi bình... Tổng quan Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa sở dây nano polypyrrole Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu 4 Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình... niệm cảm biến sinh học cảm biến sinh học điện hóa 1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa ngồi nước 1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa 11 1.2 Biến tính