Cảm biến điện hóa ứng dụng chẩn đoán sớm ung thu tiền liệt tuyến

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN MINH KHA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN SỚM UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trương Thị Ngọc Liên Hà Nội – Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN MINH KHA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN SỚM UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trương Thị Ngọc Liên Hà Nội – Năm 2015 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN MINH KHA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN SỚM UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN Chuyên ngành : Vật lý kỹ thuật LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS Trương Thị Ngọc Liên Hà Nội – Năm 2015 LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng tác giả nhóm nghiên cứu cảm biến sinh học thuộc môn Vật liệu điện tử, Viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội Các kết luận văn hoàn toàn trung thực chưa công bố công trình tác giả khác Tác giả Nguyễn Văn Minh Kha Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A LỜI CẢM ƠN Lời xin gửi lời cảm ơn chân thành sâu sắc đến TS Trương Thị Ngọc Liên, người thầy tận tình giúp đỡ, hướng dẫn tạo điều kiện thuận lợi công việc như học tập giúp hoàn thành tốt luận văn Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy cô Viện vật lý kỹ thuật, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội tận tình dạy dỗ, 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 NCS Đỗ Thị Ngọc Trâm, người nghiên cứu, thực hoàn thành số liệu cho luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thành viên nhóm nghiên cứu cảm biến sinh học, môn vật liệu điện tử, viện Vật lý kỹ thuật, Đại học Bách Khoa Hà Nội có chia sẻ giúp đỡ suốt trình học tập nghiên cứu trường Lời cảm ơn cuối xin gửi đến gia đình bạn bè tôi, người đồng hành, giúp đỡ, an ủi, động viên để hoàn thành tốt luận văn Đề tài thực hỗ trợ Quỹ phát triển khoa học công nghệ quốc gia (NAFOSTED), Mã số 103.99-2012.12 (23-Vật lý) đề tài VLIR-UOS, Mã số ZEIN2013RIP022 Hà Nội, ngày 16 tháng 12 năm 2015 Học viên Nguyễn Văn Minh Kha Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN 12 1.1 DỊCH TỄ HỌC CỦA BỆNH UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN 12 1.2 CÁC YẾU TỐ NGUY CƠ GÂY BỆNH 12 1.3 DIỄN BIẾN TỰ NHIÊN 13 1.4 CHẨN ĐOÁN 13 1.5 ĐIỀU TRỊ 21 CHƯƠNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA 26 2.1 CẢM BIẾN SINH HỌC 26 2.1.1 Định nghĩa 26 2.1.2 Cấu tạo 26 2.2 CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA 40 2.2.1 Cảm biến sinh học điện hóa đo dòng 40 2.2.2 Cảm biến sinh học điện hóa đo 42 2.2.3 Cảm biến sinh học điện hóa đo độ dẫn 43 2.2.4 Cảm biến sinh học điện hóa phổ tổng trở 44 2.3 Một số công trình nghiên cứu cảm biến sử dụng aptamer (aptasensor) ghi nhận PSA 49 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM 52 3.1 Danh mục hóa chất 52 3.2 Thiết bị 53 3.2.1 Điện cực in lưới màng dày 53 3.2.2 Hệ phân tích điện hóa 56 3.3 Quy trình chế tạo thực nghiệm 57 3.4 Khảo sát hoạt động cảm biến 63 Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A CHƯƠNG KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 64 4.1 Nguyên lý hoạt động cảm biến aptamer đo phổ tổng trở (Aptasensor based on EIS) 64 4.2 Ảnh hưởng nồng độ aptamer lên hoạt động cảm biến aptamer/SAM/SPAuE 67 4.3 Phân tán aptamer cảm biến aptamer/SAM/AuNPs-modified SPCE 71 4.4 Aptasensor phát PSA ứng dụng chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến 73 4.5 Độ chọn lọc cảm biến 79 KẾT LUẬN 81 HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO 84 PHỤ LỤC 92 Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1 Khám tiền liệt tuyến qua ngõ trực tràng ngón tay 16 Hình Dạng vi thể ung thư tuyến tiền liệt theo thang điểm Gleason 18 Hình Ảnh giai đoạn ung thư tiền liệt tuyến 21 Hình Các thành phần cảm biến sinh học .27 Hình 2 Một số loại đầu thu sinh học 28 Hình Cơ chế hoạt động enzyme 29 Hình Mô hình cấu trúc DNA, RNA, Aptamer 31 Hình Quy trình làm giàu phối tử aptamer SELEX 32 Hình Các phương pháp cố định đầu thu lên bề mặt cảm biến 34 Hình Cấu trúc màng SAM .35 Hình Màng SAM hoạt hóa bề mặt điện cực rắn .36 Hình Cảm biến nhận biết lai hóa sử dụng chuyển đổi điện hóa 38 Hình 10 Bộ chuyển đổi sử dụng tinh thể áp điện 39 Hình 11 Cảm biến sinh học cantilever 40 Hình 12 Sơ đồ nguyên lý cảm biến sinh học dòng 42 Hình 13 Biểu diễn vector Fresnel mặt phẳng phức 45 Hình 14 Tập hợp điểm M mặt phẳng Nyquist 46 Hình 15 Mạch tương đương Randles phổ EIS 47 Hình Cấu tạo điện cực in bon in vàng cung cấp Biodevice 53 Hình Sơ đồ bố trí thí nghiệm với hệ phân tích điện hóa Electrochemical Analyzer Vertex Ivium 56 Hình 3 Giao diện phần mềm Ivium 57 Hình Đặc trưng dòng - phương pháp CV với 10 vòng quét, tốc độ quét 50mV/s, dải quét từ -600 mV đến +500 mV .58 Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A Hình Ảnh SEM điện cực in bon biến tính AuNPs sử dụng phương pháp quét vòng (từ -600 đến +500 mV với điện cực chuẩn Ag/AgCl) với số vòng khác nhau: 5, 10, 15, 20 vòng 59 Hình Quy trình chế tạo cảm biến: a) Đế vàng (SPAuE), b) Đế bon sau phủ hạt vàng (AuNPs-modified SPCE) 60 Hình Cấu trúc hóa học MHDA .61 Hình Cơ chế hoạt hóa nhóm –COOH NHS/EDC 62 Hình Mô hình giả thiết chế xảy bề mặt điện cực 67 Hình Phổ trở kháng cảm biến aptamer 100 µg/mL /SAM/SPAuE 69 Hình Đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc ∆RCT hàm nồng độ PSA cho cảm biến aptamer/SAM/SPAuE 70 Hình 4 Phổ trở kháng cảm biến aptamer/SAM/AuNPs-modified SPCE đo nồng độ PSA khác .72 Hình Đường chuẩn biểu diễn phụ thuộc ∆RCT hàm nồng độ PSA cho cảm biến aptamer/SAM/AuNPs-modified SPCE 73 Hình Đường đồ thị EIS bước công nghệ chế tạo cảm biến aptamer/SAM/AuNPs-modified SPCE .74 Hình Đường đặc trưng EIS cảm biến chế tạo với nồng độ PSA thêm vào từ ng/mL đến 14 ng/mL 76 Hình Đường chuẩn cảm biến chế tạo với µg/mL aptamer 10 vòng quét tạo hạt vàng 77 Hình Biểu đồ biểu diễn độ đặc hiệu cảm biến kháng nguyên khảo sát 79 Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha LUẬN VĂN CAO HỌC VLKT-KHÓA 2014A DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1 Bảng phân độ theo TNM 19 Bảng Xếp giai đoạn theo TMN 20 Bảng Bảng nguy tái phát ung thư tiền liệt tuyến 24 Bảng Phân loại enzyme .29 Bảng 2 So sánh tính aptamer kháng thể 32 Bảng Một số công trình nghiên cứu chế tạo aptasensors để ghi nhận PSA 50 Bảng Danh mục hóa chất sử dụng 52 Bảng Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cảm biến SAM/SPAuE với nồng độ aptamer khác bao gồm 100, 50 µg/mL 70 Bảng Giá trị thành phần mạch tương đương Randles .75 Bảng Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cảm biến chế tạo theo nồng độ PSA dùng để vẽ đường chuẩn 77 Bảng 4 Đường fit tuyến tính cảm biến chế tạo để khảo sát khả tái lập lại thực nghiệm .78 Bảng Giá trị thành phần mạch tương đương Randles cho khảo sát độ đặc hiệu 80 Học viên: Nguyễn Văn Minh Kha ... sản tiền liệt tuyến lành tính với ung thư tiền liệt tuyến đàn ông có nồng độ PSA tăng vừa (4 đến 10 ng/mL) ấn chẩn tiền liệt tuyến bình thường Ung thư làm tăng nồng độ PSA thể tích tiền liệt tuyến. .. KHOA HÀ NỘI - NGUYỄN VĂN MINH KHA CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN SỚM UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN Chuyên ngành : Vật lý kỹ thu t LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA... học điện hóa sử dụng aptamer ứng dụng chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến với dải nồng độ kháng nguyên PSA nằm khoảng từ ng/mL đến 10 ng/mL Nội dung nghiên cứu bao gồm: Quy trình công nghệ biến