Chế tạo cảm biến sinh học chẩn đoán bệnh sớm

LỜI CẢM ƠN Lời cảm ơn chân thành sâu sắc xin gửi tới Tiến sĩ Trương Thị Ngọc Liên, người Thầy tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ tạo điều kiện tốt cho công việc sống Tôi xin chân thành cảm ơn toàn thể thầy cô, anh chị em Viện Vật Lý Kỹ Thuật, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội nói chung nhóm Biosensor nói riêng có ý kiến đóng góp tạo điều kiện giúp hoàn thành tốt luận văn Đặc biệt muốn gửi lời cảm ơn tới đề tài “Fabrication and characterization of gold nanoparticles based electrochemical impedance (EIS) and Quartz Crysral Microbalance (QCM) biosensor for medical application” - The Academic of Science for the Developing World (TWAS) No:09-005 RG/PHYS/AS_I-UNESCO FR: 3240230341 Cuối xin dành lời cảm ơn tới gia đình bạn bè tôi, người đồng hành suốt thời gian qua Hà Nội, 26 tháng 12 năm 2010 Học viên Đặng Thị Thùy Nga CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 MỞ ĐẦU Cảm biến sinh học hiểu thiết bị sử dụng tác nhân sinh học enzyme, kháng thể, DNA… để phát hiện, đo đạc phân tích hóa chất Vì cảm biến sinh học thông thường gồm có thành phần bản, là: thành phần hóa học, thành phần sinh học thành phần vật lý Với phát triển mạnh mẽ xã hội nay, nhu cầu đo đạc, phân tích hóa chất lớn, đời cảm biến sinh học quan trọng Nó công cụ quan trọng kiểm tra an toàn thực phẩm, chuẩn đoán y học kiểm tra nội khoa, hệ phát tác nhân ô nhiễm môi trường Cảm biến sinh học thiết bị có nhiều ưu điểm: sử dụng đơn giản, có khả phát nhanh, độ nhạy cao có tính chọn lọc mạnh mẽ hệ hóa học sinh học Giáo sư LelDNA C Clark Jnr biết đến cha đẻ cảm biến sinh học Năm 1956 ông công bố báo điện cực oxy hoá Những năm ông tiếp tục thực nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả hoạt động cảm biến phát thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ xác cảm biến Vào năm 1962, hội nghị New York Academy of Science, ông thuyết trình cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme transducers as membrane enclosed sDNAwiches” Ông đưa mô hình cảm biến sinh học (xem hình 1) Cảm biến sinh học theo mô hình C Clark [1] bao gồm điện cực oxy hóa, có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase) Khi mật độ glucose môi trường phản ứng giảm mật độ chất oxi hóa bề mặt điện cực giảm ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 cách tương ứng Dựa thay đổi đó, Clark phát thay đổi nồng độ glucose môi trường cần kiểm tra Hình Mô hình cảm biến sinh học C Clark [1] Những năm tiếp theo, nhóm Guilbault Montalvo [2] lần công bố chi tiết chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa điện cực chứa enzyme đo điện thế, cảm biến đo nồng độ urê dựa điện cực cố định enzyme urê (urease) màng chất lỏng chọn lọc amonium Năm 1975 Lubber Opitz mô tả cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn chất thị dùng để đo nồng độ CO2 O2 Cũng vào năm 1975, số vi khuẩn sử dụng thành phần sinh học điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần biến ý tưởng Clark thành thực thông qua việc thương mại hóa cảm biến sinh học Sản phẩm thiết bị phân tích glucose dựa hydrogen peroxide cột mốc đánh dấu xuất cảm biến sinh học đời sống Vào năm 1982, Shichiri đồng nghiệp báo cáo mô tả cảm biến glucose in vivo, loại cảm biến kim cho xét nghiệm da Hiện nay, cảm biến sinh học thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học trung tâm nghiên cứu Tuy nhiên việc chế tạo cảm biến ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 sinh học gặp nhiều khó khăn độ ổn định chế tạo sản phẩm, phương pháp đo tín hiệu, thời gian phản ứng, khả tái sử dụng, … Do vậy, nghiên cứu tương lai chủ yếu tập trung vào hai hướng chính: (1) Khắc phục khó khăn sẵn có hệ cảm biến cũ: Nâng cao độ ổn định để chế tạo hàng loạt, cải thiện khả tái sử dụng cảm biến sinh học, tìm giải pháp hạ giá thành sản phẩm (2 ) Xây dựng mô hình lý thuyết: Giải thích, tìm kiếm vật liệu khả ứng dụng cảm biến, giảm kích thước cảm biến để tích hợp nhiều cảm biến thiết bị, cải tiến thiết bị đo đơn giản dễ sử dụng, rút ngắn thời gian đáp ứng v.v Do dó, nội dung luận văn tập trung vào vấn đề sau: Sử dụng linh kiện QCM (Quartz Crystal Microbalance) nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học chẩn đoán sớm hai loại bệnh ung thư: Tiền liệt tuyến u nuôi thời kì thai nghén Luận văn gồm có chương: Chương 1: Trình bày cấu tạo khả ứng dụng cảm biến sinh học Chương 2: Trình bày tổng quan tương tác sinh học kháng nguyên-kháng thể số phương pháp phát bệnh ung thư Chương 3: Trình bày phương pháp nghiên cứu chế tạo hai loại cảm biến PSA-QCM hCGα - QCM Chương 4: Kết đo nồng độ PSA hCG phương pháp sử dụng vi cân tinh tinh thể thạch anh QCM ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 CHƯƠNG I CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ LINH KIỆN QCM I.1 Cảm biến sinh học Cảm biến sinh học (biosensor) thiết bị tích hợp có khả cung cấp thông tin phân tích định lượng bán định lượng diện tác nhân khác môi trường thông qua tương tác sinh học (theo IUPAC International Union of Pure and Applied Chemistry) Cảm biến sinh học thu hút nhiều quan tâm nhà khoa học trung tâm nghiên cứu ứng dụng rộng rãi thực tế sống khoa học kỹ thuật I.1.1 Ứng dụng Sau số ứng dụng cụ thể cảm biến sinh học ưu điểm việc sử dụng cảm biến nghiên cứu thực tế đời sống (1) Trong lĩnh vực y tế chăm sóc sức khoẻ: Đây lĩnh vực ứng dụng quan trọng công nghệ cảm biến sinh học thu hút quan tâm lớn nhà khoa học Chúng ta kể nhiều loại cảm biến như: cảm biến đo nồng độ oxy lượng glucose máu [3],phát nồng độ urê nước tiểu [4], cảm biến đo huyết áp, … Những cảm biến giúp người bệnh thường xuyên theo dõi tình hình bệnh tật mà không thiết phải đến trung tâm y tế Thiết bị không ngừng nâng cao độ tin cậy, giảm thời gian hồi đáp mà chế tạo theo hướng ngày nhỏ gọn, rẻ tiền dễ sử dụng ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 (2) Ứng dụng công nghệ môi trường: Đó cảm biến dạng “mũi điện tử” sử dụng xác định hoá chất độc hại xác định độ ô nhiễm môi trường sống cảm biến xác định nồng độ CO2, H2S, xác định dư lượng thuốc trừ sâu [5] xác định nồng độ kim loại nặng [6] (3) Ứng dụng tương tác Người – Máy: Đây lĩnh vực mẻ có nhiều nghiên cứu ứng dụng Chúng ta kể số cảm biến dạng cảm biến nhận dạng tiếng nói, hình ảnh, nhận dạng đặc trưng sinh học người (4) Ứng dụng việc điều khiển quản lý trình công nghệ sinh học: Ngày nay, công nghệ sinh học phát triển đồng thời với việc chế phẩm sinh học ngày sản xuất rộng rãi qui mô công nghiệp, tham gia ngày nhiều vào trình sản xuất khác nhu cầu tất yếu nảy sinh, việc theo dõi, quản lý, điều khiển trình sinh học Cảm biến sinh học chế tạo để phát biến đổi gen số loại thực phẩm có nguồn gốc từ trồng chuyển gen [7] Đặc biệt, nay, loại cảm biến sinh học ứng dụng nhiều việc phát loại virus, vi khuẩn gây bệnh [8] Các cảm biến sinh học tỏ có nhiều ưu điểm so với phương pháp truyền thống có tính chọn lọc cao, thời gian đáp ứng nhanh hơn, đơn giản xác cao ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 a c b Hình 1.1: Cảm biến xác định vi rút gây bệnh Motorola (a, b), Toshiba (c) [9, 10] I.1.2 Cấu tạo Cấu tạo chung cảm biến sinh học (xem hình 1.2) bao gồm bốn phận [11,12] - Đầu thu sinh học: Có tác dụng phát có mặt tác nhân sinh học chất cần phân tích - Tác nhân cố định: Giúp gắn đầu thu lên điện cực - Bộ phận chuyển đổi tín hiệu: Giúp chuyển đổi tương tác sinh học thành tín hiệu đo đạc - Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu: Bộ phận có tác dụng chuyển thành tín hiệu điện để máy tính thiết bị khác xử lý I.1.2.1 Tác nhân cần phát Tác nhân cần phát phân loại theo cấu tạo sau: - Vi khuẩn: E.coli, vi khuẩn HIV, vi khuẩn bệnh than, vi khuẩn cúm gà, … ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 - Các phân tử nhỏ: Các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học phát CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol, aspirin, penicilin, TNT, tác nhân thần kinh khác, … - Các phân tử sinh học có kích thước lớn: Những phân tử phân tử DNA, RNA, protein, enzyme, hocmon, … Hình 1.2 : Sơ đồ cấu tạo cảm biến sinh học thông thường I.1.2.2 Đầu thu sinh học Đầu thu sinh học (Biological Receptor) phận phản ứng trực tiếp với tác nhân cần phát có nguồn gốc từ thành phần sinh học Dựa vào tác nhân sinh học sử dụng người ta chia thành số loại đầu thu sau: - Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme dạng đầu thu phổ biến Đó đầu thu làm từ enzyme urease, glucose, - Đầu thu làm từ kháng thể / kháng nguyên: Các đầu thu dạng có đặc điểm tính chọn lọc cao đồng thời liên kết tạo thành mạnh - Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ protein cảm biến phát hocmôn, xác định chất kích thích thần kinh, Các đầu ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 thu có đặc điểm có tính chọn lọc cao Tuy nhiên, chúng có nhược điểm khó cách ly - Đầu thu làm từ axit nucleic: Các axit nucleic DNA, ARN sử dụng làm đầu thu sinh học Các cảm biến có đầu thu dạng thường sử dụng để phát đột biến sai lệch cấu trúc di truyền - Đầu thu kết hợp: Với đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ) đế Việc kết hợp mở rộng khả làm việc cảm biến sinh học Một số cảm biến dạng cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than cảm biến thử thai - Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không làm từ phân tử, nguyên tử mà làm từ tế bào Một số tế bào biến đổi gien vi khuẩn sử dụng làm đầu thu sinh học Khi có mặt phân tử chất độc, tế bào phát sáng, thông qua xác định xuất phân tử chất độc Hình 1.3: Một số phần tử sử dụng làm đầu thu sinh học ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 I.1.2.3 Tác nhân cố định Các tác nhân cố định phần quan trọng cảm biến sinh học Các tác nhân có nhiệm vụ gắn kết đầu thu sinh học lên đế Nói cách khác phận trung gian có tác dụng liên kết thành phần sinh học (có nguồn gốc từ thể sống) với thành phần vô Như việc lựa chọn tác nhân cố định thích hợp công việc quan trọng Những tác nhân vừa phải đảm bảo gắn kết, cố định mặt học, vừa phải đảm bảo liên kết mặt tín hiệu phận sinh học phận chuyển đổi Trên hình 1.4 trình bày cách bắt giữ thành phần sinh học theo phương pháp vật lý hóa học Hình 1.4: Các dạng bắt giữ đầu thu sinh học phương pháp vật lý hoá học I.1.2.4 Bộ phận chuyển đổi Đây phận quan trọng cảm biến sinh học Có nhiều dạng chuyển đổi chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi tinh thể áp điện chuyển đổi hệ vi - Chuyển đổi điện hoá [13]: Điện (potentiometric), dòng điện (amperometric) độ dẫn (conductometric) ĐẶNG THỊ THÙY NGA CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.6: Độ dịch tần số ứng với thay đổi nhỏ nồng độ kháng nguyên PSA dung dịch Chúng tiếp tục tăng nồng độ lên 1100 pg/mLvà 1500 pg/mL Kết đo cho thấy độ dịch tần số tương ứng 10.4 Hz 14.8 Hz (hình 4.6) so với đo dung dịch PBS chuẩn Kết chứng tỏ hoạt động cảm biến tốt dải nồng độ kháng nguyên thấp Điều mục tiêu hướng nghiên cứu đề tài, chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến Đây điều quan trọng thực trạng ngành y tế xét nghiệm PSA phát khoảng nồng độ cao (2-10 ng/mL), tương ứng với việc mắc bệnh ung thư tuyến tiền liệt giai đoạn cuối Với việc đo PSA khoảng nồng độ thấp, kết hợp với triệu trứng bệnh ta hoàn toàn phát sớm ung thư tuyến tiền liệt, từ góp phần vào việc phát chữa trị bệnh giai đoạn đầu nâng cao kết điều trị cho bệnh nhân ĐẶNG THỊ THÙY NGA 74 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.7: Độ dịch tần số ứng với thay đổi nồng độ kháng nguyên PSA khoảng từ 2÷2.5 ng/mL Tiếp tục tăng nồng độ kháng nguyên dung dịch lên 2.5 ng/mL Kết trình bày hình 4.7 Kết cho thấy, nồng độ kháng nguyên lớn tần số suy giảm mạnh Hình 4.8: Độ dịch tần số ứng với thay đổi nồng độ kháng nguyên PSA khoảng từ 8.0 ÷ 28.2 ng/mL ĐẶNG THỊ THÙY NGA 75 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.9: Quan hệ nồng độ PSA với độ dịch tần số cảm biến Dựa vào kết đo, đưa đường đồ thị mô tả độ dịch tần tương ứng với nồng độ PSA khác hình 4.9 Cảm biến PSA-QCM mà xây dựng có giới hạn phát từ 700 pg/mL đến 28 ng/mL Trong đó, ngưỡng chẩn đoán nguy mắc ung thư tiền liệt tuyến nam giới ng/mL.Do vậy, với giới hạn phát cảm biến PSA-QCM chế tạo hoàn toàn đáp ứng khả chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến IV.2.2 Khảo sát hoạt động cảm biến mẫu thực Để đánh giá khả hoạt động cảm biến môi trường thực tế, tiến hành khảo sát mẫu máu bệnh phẩm bệnh nhân ung thư giai đoạn cuối bệnh viện K (do bệnh viện K cung cấp) Đặc điểm mẫu máu bệnh phẩm sau - Bệnh nhân: 72 tuổi - Nhập viện ngày: 23/9/2009 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 76 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 - Tình trạng nhập viện: Cơ thể suy nhược, bí tiểu, tiểu máu, thân nhiệt cao (39.50C) - Kết xét nghiệm PSA: 32,8 ng/ml Mẫu máu bệnh phẩm xử lý sau: tiến hành lấy 10µl 20µl máu bệnh phẩm hòa tan với mL dung dịch PBS nồng độ 10mM Dung dịch quay ly tâm với tốc độ 2000 vòng/phút thời gian 30 phút Sau quay ly tâm, tiến hành lấy phần dung dịch phía (chính mẫu huyết – human serum sample) micro pipet lưu giữ nhiệt độ 4oC sử dụng để phân tích Kết khảo sát độ dịch tần số cảm biến PSAQCM mẫu máu bệnh phẩm trình bày hình 4.10 Kết cho thấy, tương ứng với thể tích máu 10µl 20µl độ dịch tần số tương ứng 13 Hz 57 Hz Dựa vào đường đặc trưng chuẩn cảm biến PSA-QCM (hình 4.9), thấy rằng, nồng độ PSA mẫu bệnh phẩm phải lớn 30 ng/mL Kết hoàn toàn phù hợp với kết xét nghiệm bệnh viện Điều chứng tỏ khả hoạt động cảm biến PSA-QCM mẫu thực Đây kết đáng khích lệ, đồng thời chứng chứng minh thành công trình nghiên cứu việc ứng dụng cảm biến sinh học chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến dựa sở linh kiện vi cân tinh thể thạch anh ĐẶNG THỊ THÙY NGA 77 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.10: Độ dịch tần số đo mẫu thực IV.3 Cảm biến hCG α-QCM Dựa trình chế tạo, khảo sát hoạt động kết nghiên cứu đạt cảm biến phát PSA, tiếp tục tiến hành chế tạo khảo sát hoạt động cảm biến hCGα - QCM Cùng với mục đích nghiên cứu ứng dụng cảm biến sinh học dựa sở linh kiện QCM chẩn đoán sớm ung thư nhằm góp phần nâng cao kết điều trị tạo nhiều hội cho bệnh nhân, tiến hành khảo sát khả phát cảm biến dải nồng độ thấp từ 500 pg/ml đến 27 ng/ml Kết khảo sát hoạt động cảm biến hCG α-QCMđược trình bày hình 4.11 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 78 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.11: Độ dịch tần số ứng với nồng độ hCG khác Kết cho thấy, tần số cộng hưởng linh kiện QCM bị suy giảm bơm dung dịch chứa kháng nguyên hCG vào buồng chứa linh kiện QCM với bề mặt điện cực cố định kháng thể hCG Cảm biến hCG α-QCM nhạy dải nồng độ kháng nguyên hCG thấp từ 500 pg/ml đến 5ng/ml Kết cho thấy nồng độ kháng thể tăng suy giảm tần số tăng theo (xem hình 4.12) Điều khẳng định trình thành công việc chế tạo cảm biến hCG α-QCM Dựa vào kết đo độ dịch tần số cảm biến nồng độ khác kháng thể hCG đưa đồ thị mô tả mối quan hệ nồng độ hCG độ dịch tần số hình 4.12 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 79 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 Hình 4.12: Quan hệ nồng độ hCG độ dịch tần số cảm biến Với nguyên tắc thiết bị đo cảm biến PSA-QCM, đường đồ thị hCG có tính chất tương đồng với đồ thị PSA Dựa vào đường đồ thị mối quan hệ nồng độ hCG độ dịch tần số cảm biến, cho thấy dải nồng độ hoạt động tốt cảm biến hCG α-QCM dải từ 500 pg/mL đến 10 ng/mL Đây dải nồng độ mà y học cần cho việc phát sớm bệnh u nuôi thời kì thai nghén, khối u xuất phát từ vị trí thai có nồng độ hCG thấp Với bệnh u nuôi thời kì thai nghén, việc phát sớm điều quan trọng, trường hợp phát muộn không đảm bảo trình phát triển bình thường bào thai, mà dẫn tới di ung thư thể mẹ ĐẶNG THỊ THÙY NGA 80 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 KẾT LUẬN Trong trình chế tạo cảm biến sinh học sử dụng linh kiện vi cân tinh thể thạch anh QCM chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến u nuôi thời kì thai nghén thu số kết sau: ™ Xác lập quy trình chuẩn công nghệ chế tạo màng SAM ™ Khai thác ứng dụng thành công hệ đo sử dụng thiết bị QCM 200 với linh kiện vi cân tinh thể QCM ™ Gắn kết kháng thể hCG PSA lên điện cực linh kiện QCM thông qua màng SAM ™ Chế tạo thành công cảm biến hCG-QCM PSA ứng dụng xác định nồng độ kháng nguyên hCG PSA dung dịch ™ Khảo sát hoạt động cảm biến xây dựng đường chuẩn thay đổi tín hiệu tần số dao động linh kiện QCM theo nồng độ kháng nguyên hCG PSA có mặt dung dịch đo Đã ứng dụng thành công cảm biến PSA-QCM xác định nồng độ kháng nguyên PSA máu bệnh phẩm bệnh nhân ung thư tiền liệt tuyến Cảm biến PSA-QCM cho kết hoàn toàn phù hợp với kết chẩn đoán theo phương pháp định lượng máy miễn dịch Hướng nghiên cứu tiếp theo: Các kết nghiên cứu thu luận án bước đầu có ý nghĩa thực tiễn lớn lao Với thành công việc ứng dụng thành công màng SAM để gắn kết thành phần sinh học lên điện cực kim loại mở hướng công nghệ hoàn toàn khả thi chế tạo thử nghiệm cảm biến sinh học chẩn đoán sớm bệnh ung thư Ngoài ra, cảm biến sinh học sử dụng linh kiện QCM ứng dụng virut H5N1, H1N1,…và khuẩn khuẩn tả Ecoli ĐẶNG THỊ THÙY NGA 81 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Balladur et al, “Determination of the main forces driving DNA oligonucleotide adsorption onto aminated silica wafers.” Journal of Colloid and Interface Science 1997, 18-408 [2] Guilbault et al, “A piezoelectric immunobiosensor for atrazine in drinking water” Biosens Bioelectron.1992, 411–419 [3] Jinyan Jia et al, “Carbon Nanotubes Based Glucose Needle − type Biosensor”, Sensors 2008, 1712 – 1718 [4] Fink, “Electrical conduction through DNA molecules”, Nature, 1999, 407 – 410 [5] X Wang Ling Chen et al, “Tyrosinase biosensor based on interdigitated electrodes for herbicides determination”, Journal of Electrochem Science 2006, 55 − 61 [6] M Passamano, “QCM DNA − sensor for GMOs detection”, Sensors and Actuators B 2006, 177 − 181 [7] S Tombelli, “Piezoelectric biosensors: Strategies for coupling nucleic acids to piezoelectric devices”, 2005, 48 − 56 [8] T Ahuj et al, “Biomolercular immobilization on conducting polymers for biosensing applications”, Biomaterials, 2007, 791 − 805 [9] Dorothee Grieshaberet al, “Electrochemical Biosensors − Sensor Principles and Architectures”, Sensors 2008, 1400 − 1458 [10] F Kleinjung et al, “Fibre − optic genosensor for specific determination of femtomolar DNA oligomers”, Analytica Chimica Acta 1997, 51 − 58 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 82 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 [11]J Ngwainbi et al, “Piezoelectric Crystal Biosensors, Biosensors & Bioelectronics” 1990, 13 – 26 [12] S Tombelli, “A DNA piezoelectric biosensor assay coupled with a polymerase chain reaction for bacterial toxicity determination in environmental samples”, Analytica Chimica Acta 2000, – [13] T Deng et al, “Quartz crystal microblance bioaffinity sensor for biotin based on mixed self-assembled monolayers and mestastable moleculer complex receptor”, Biosensor & Bioelectronic 2005,1545 − 1552 [14] K M Hansen, “Microcantilever biosensors”, Methods 2005, 57 – 64 [15] H P.Lang, “Cantilever array sensor”, Material today 2005, 30 – 36 [16] http://www.fractal.org [17] Ilaria Mannelli et al, “Quartz crystal microbalance (QCM) affinity biosensor for genetically modified organisms (GMOs) detection”, Biosensors and Bioelectronics 2003, 129 − 140 [18] T Hianik, “The study of the binding of globular proteins to DNA using mass detection and electrochemical indicator methods”, Journal of Electroanalytical Chemistry 2004, 19 − 24 [19]Nguyễn Ngọc Lanh, Miễn Dịch Học, NXB Y Học 2003, 314-322 [20]http://www.infopia21.com/pds/infopia_presentation_en.ppt [21] Hyun Soo Jang, “Optical fiber SPR biosensor with sandwich assay for the detection of Prostate Specific Antigen”, Optics Communications 282, 2009, 2827–2830 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 83 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 [22] Jeong Hoon Lee, “Immunoassay of prostate-specific antigen(PSA)using resonant frequency shift of piezoelectric nano mechanical micro cantilever’’, Biosensors and Bioelectronics 20, 2005, 2157–2162 [23]Nguyễn Đức Nghĩa, Viện Khoa Học Công Nghệ Việt Nam, “Hóa Học Nano Công Nghệ Nền Và Vật Liệu Nguồn”, NXB Khoa Học Tự Nhiên Và Công Nghệ Hà Nội 2007,169-193 [24] Mirsky, et al, “Capacitive monitoring of protein immobilization and antigenantibody reactions on monomolecular alkylthiol films on gold electrodes Biosens” Bioelectron 1997, 977-989 [25] Martin et al, “Characterization of a quartz crystal microbalance with simultaneous mass and liquid loading” Anal Chem.1991, 2272-2281 [26] Morita et al, “ Immobilization of liposomes onto quartz crystal microbalance to detect interaction between liposomes and proteins” J Colloid Interface Sci 2006, 672-678 [27] Kim et al, “Characteristics of a label-free piezoelectric immunosensor detecting Pseudomonas aeruginosa” Sensors and Actuators B 2004 , 432–438 [28] Park et al, “Thiolated salmonella antibody immobilization onto the gold surface of piezoelectric quartz crystal” Biosens Bioelectron.1998, 1091–1097 [29] Park et al, “Operational characteristics of an antibody - immobilized QCM system detecting Salmonella spp” Biosensors & Bioelectronics 2000, 167–172 [30] Mecea et al, “From quartz crystal microbalance to fundamental principles of mass measurements” Analytical Letters 2005, 753–767 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 84 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 [31] Thamara Mangalika Peduru Hewa, “Development and evaluation of QCM sensors for the detection of influenza virus from clinical samples”, RMIT University, 2007, 150-160 [32] K S Ma et al, “DNA hybridization detection by label free versus impedance amplifying label with impedance spectroscopy”, Sensor & Actuator B 2006, 58 – 64 [33] http://www.affymetrix.com [34] Fung, “Self-assembled monolayers as the coating in a quartz piezoelectric crystal immunosensor to detect Salmonella in aqueous solution” Anal Chem 2001, 5302-5309 [35] SRS-Stanfort Research Systems, Operation and Service Manual, QCM200 - Quartz Crystal Microbalance, Digital Controller, QCM5 MHz Crystal Oscillator, 2009 [36] Fung et al, “Self-assembled monolayers as the coating in a quartz piezoelectric crystal immunosensor to detect Salmonella in aqueous solution” Anal Chem 2001, 5302-5309 [37]Marco Mascini, “Immobilization of biomolecules”, Grenoble, 2004 [38]Zhang et al, “Layer-by-layer assembly: From conventional to unconventional methods” Chem Commun 2007, 1395-1405 [39] TS Trần Văn Thuận, PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu, Chẩn đoán điều trị ung thư, NXB Y học, 2007, 282-362 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 85 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ LINH KIỆN QCM I.1 Cảm biến sinh học I.1.1 Ứng dụng I.1.2 Cấu tạo I.1.3 Tiêu chuẩn đánh giá cảm biến sinh học 12 I.2 Cảm biến sinh học sử dụng linh kiện QCM 13 I.2.1 Linh kiện QCM 13 I.2.2 Tinh thể Quartz 14 I.2.3 Linh kiện vi cân tinh thể thạch anh 17 I.2.4 Một số cấu trúc QCM 20 I.2.5 Nguyên lý hoạt động cảm biến sinh học sở linh kiện QCM 21 CHƯƠNG II: CẢM BIẾN SINH HỌC KHÁNG NGUYÊN - KHÁNG THỂ 23 II.1 Cấu trúc kháng nguyên kháng thể [23] 23 II.1.1 Kháng nguyên 23 II.1.2 Kháng thể 26 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 86 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 II.2 Phản ứng kết hợp kháng nguyên-kháng thể 34 II.2.1 Khái niệm 34 II.2.2 Cơ chế kết hợp kháng nguyên-kháng thể 34 II.2.3 Ứng dụng cảm biến sinh học kháng nguyên - kháng thể 37 II.3 Một số phương pháp phát bệnh ung thư 39 II.3.1 Ung thư tiền liệt tuyến 39 II.3.2 U nuôi thời kì thai nghén [39] 47 CHƯƠNG III: QUY TRÌNH THỰC NGHIỆM 51 III.1 SAM (self-assembled monolayer) [27] 51 III.1.1 Màng mỏng đơn lớp theo công nghệ tự lắp ghép (self-asembled monolayer-SAM) 52 III.1.2 Màng mỏng tự lắp ghép alkanethiols (SAM of alkanethiols) 54 III.2 Quy trình chế tạo cảm biến PSA –QCM 57 III.2.1 Hóa chất 57 III.2.2 Thiết bị đo 58 III.2.3 Quy trình chế tạo 60 III.2.4 Tiến hành thí nghiệm 62 III.3 Quy trình chế tạo cảm biến hCG Alpha – QCM (hCG α- QCM) 63 III.3.1 Hóa chất 63 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 87 CAO HỌC VẬT LÝ KỸ THUẬT 2008-2010 III.3.2 Thiết bị đo 63 III.3.3 Quy trình chế tạo 63 III.3.4 Tiến hành thí nghiệm 64 IV.1 Màng SAM - kháng thể 65 IV.1.1 Khảo sát chế hình thành màng SAM 65 IV.1.2 Hiệu suất cố định kháng thể PSA 66 IV.1.3 Khảo sát số thông số ảnh hưởng đến hoạt động cảm biến 69 IV.2 Cảm biến PSA-QCM 73 IV.2.1 Xây dựng cảm biến PSA-QCM 73 IV.2.2 Khảo sát hoạt động cảm biến mẫu thực 76 KẾT LUẬN 81 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 ĐẶNG THỊ THÙY NGA 88 ... cứu chế tạo cảm biến sinh học chẩn đoán sớm hai loại bệnh ung thư: Tiền liệt tuyến u nuôi thời kì thai nghén Luận văn gồm có chương: Chương 1: Trình bày cấu tạo khả ứng dụng cảm biến sinh học. .. khả làm việc cảm biến sinh học Một số cảm biến dạng cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than cảm biến thử thai - Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không làm... thành chế tạo cảm biến sinh học cao chúng thường sử dụng lần Do vậy, tăng cường khả tái sử dụng cảm biến biến sinh học nhiệm vụ cấp thiết hàng đầu việc giảm giá thành sản phẩm I.2 Cảm biến sinh học