Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến phát hiện sarcosine bằng

Kỹ thuật polyme đánh dấu phân tử MIP, một phương pháp mới dựa trên các đặc tính linh động và đa dạng của các tương tác sinh học như kháng nguyên – kháng thể, enzyme và cơ chất, đã được n

NGỤY PHAN TÍN 1

Lời đầu tiên của luận văn tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất tới

TS Trương Thị Ngọc Liên và PGS TS Nguyễn Ngọc Trung những người thầy

đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi trong công việc giúp tôi hoàn thành tốt luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn NCS Phí Văn Toàn, người đã cùng tôi nghiên cứu, thực hiện và hoàn thành các số liệu cho luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tới các anh chị trong phòng lab Biosensor đã tạo mọi điều kiện về vật tư, trang thiết bị và tận tình giúp đỡ tôi trong công tác nghiên cứu, học tập tại trường

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình tôi vì đã đứng sau, ủng hộ và cổ vũ tôi để tôi có thể hoàn thành quá trình học tập nghiên cứu vừa qua

Đề tài này được thực hiện dưới sự hỗ trợ của Quỹ phát triển khoa học và công nghệ quốc gia (NAFOSTED), Mã số 103.99-2012.12 (23-Vật lý) và đề tài VLIR- UOS, Mã số ZEIN2013RIP022

NGỤY PHAN TÍN 2

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là luận văn nghiên cứu của tôi Tất cả các kết quả đạt được do tôi thực hiện và chưa được trình bày trong bất kỳ luận văn thạc sỹ nào khác Các số liệu, lý thuyết tham khảo được trích dẫn từ các tài liệu gốc

Hà Nội, ngày 20/11/2015 Học viên

Ngụy Phan Tín

NGỤY PHAN TÍN 3

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU 7

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 8

MỞ ĐẦU 9

Chương 1 – TỔNG QUAN 13

1.1 Bệnh ung thư tiền liệt tuyến và các chỉ dấu sinh học 13

1.1.1 Tình hình bệnh ung thư tiền liệt tuyến hiện nay 13

1.1.2 Tuyến tiền liệt và bệnh ung thư tiền liệt tuyến 14

1.1.3 Dấu hiệu và nguyên nhân gây bệnh 14

1.1.4 Tầm soát và chẩn đoán bệnh 16

1.1.5 Điều trị 18

1.1.6 Các chỉ dấu sinh học cho UTTLT 19

1.2 Công nghệ polymer in phân tử (Molecular Imprinted Polymer-MIP) 24

1.2.1 Tổng quan về công nghệ MIP 24

1.2.2 Nguyên lý đánh dấu phân tử 25

1.2.3 Lịch sử nghiên cứu và phát triển 30

1.2.4 Ưu điểm của công nghệ MIP 33

1.3 Cảm biến phổ tổng trở điện hóa 33

1.3.1 Phổ trở kháng phức điện hóa 33

1.3.2 Lý thuyết mạch điện xoay chiều và trở kháng phức 34

1.3.3 Các phần trở kháng trong mạch điện 36

1.3.4 Mô hình mạch tương đương 44

1.3.5 Biểu diễn trở kháng phức 45

1.3.6 Cảm biến tổng trở Faradaic 47

Chương 2-THỰC NGHIỆM 50

2.1 Hóa chất và thiết bị 50

2.1.1 Hoá chất 50

2.1.2 Thiết bị phân tích điện hóa 51

2.1.3 Điện cực in các bon (SPCE) và in vàng (SPAuE) 52

2.1.4 Các thiết bị phụ trợ 52

2.2 Quy trình công nghệ chế tạo cảm biến sarcosine - MIP 53

2.2.1 Chuẩn bị điện cực in carbon biến tính hạt vàng (AuNPs-modifed SPCE) 53

NGỤY PHAN TÍN 4

2.2.2 Quy trình công nghệ chế tạo MIP/SPAuE và

sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE 54

2.2.3 Đo nồng độ Sarcosine 57

Chương 3 – KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 58

3.1 Ảnh hưởng của vật liệu đế điện cực đến quá trình tạo màng MIP (NIP) 58

3.2 Phân tích đặc tính điện hóa qua các bước chế tạo cảm biến 61

3.3 Khảo sát hoạt động của cảm biến sarcosine-MIP/SPAuE 64

3.4 Khảo sát hoạt động của cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE 68

3.4.1 Tối ưu hoá các điều kiện chế tạo cảm biến 68

3.4.2 Đặc trưng chuẩn của cảm biến sarcosine-MIP/(NIP)/AuNPs/SPCE 73

3.4.3 Độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến 75

3.4.4 Tính chọn lọc của cảm biến 77

KẾT LUẬN 79

HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

NGỤY PHAN TÍN 5

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Các bước quy trình chế tạo của công nghệ in polymer phân tử (MIP) 26 Hình 1 2 a) In phân tử sử dụng liên kết cộng hóa trị; b) In phân tử sử dụng liên kết không cộng hóa trị 28 Hình 1 3 Phức chelate giữa ion kim loại đồng với các monomer

vinylimidazol và mẫu axit amin 28 Hình 1 4 Mô hình Helmholtz a) Sự sắp xếp chặt của các ion; b) Sự thay đổi của Cd khi áp điện thế 39 Hình 1 5 Mô hình Gouy-Chapman a) Sự sắp xếp của các ion theo cách khuếch tán; b) Sự thay đổi của Cd với điện áp 39 Hình 1 6 Mô hình Stern a) Sự sắp xếp của các ion theo cách khuếch tán; b) Sự thay đổi của Cd với điện áp 40 Hình 1 7 Mô hình Grahame a) Sự sắp xếp của các ion theo cách

khuếch tán; b) Sự thay đổi của Cd với điện áp 41 Hình 1 8 Mô hình Borris Sự sắp xếp của các ion theo cách khuếch tán 42 Hình 1 9 Một số mô hình tương đương a) Mô hình Randles dạng đơn giản; b) Mô hình Randles dạng half a fuel-cell 45 Hình 1 10 Đồ thị Nyquist cho mô hình chỉ gồm tụ và trở song song 45 Hình 1 11 Đồ thị Bode biểu diễn sự thay đổi biên độ a) và pha theo hàm logarith của tần số góc b) 46 Hình 1 12 Biểu diễn phổ trở kháng phức trên các mặt phẳng khác nhau 46 Hình 1 13 Cơ chế truyền điện tích của cảm biến trở kháng điện hóa dựa trên công nghệ MIP 47 Hình 2 1 Cửa sổ làm việc của phần mềm Ivium 51 Hình 2 2 Đặc trưng dòng-thế khi hệ điện cực được quét CV 20 vòng trong dung dịch PBS 100 mM chứa 1 mM HAuCl4 với tốc độ quét 50

mV trong dải điện áp từ -0.6 V đến 0.5 V so với điện cực Ag/AgCl 53 Hình 2 3 Sơ đồ quy trình chế tạo cảm biến điện hóa phổ tổng trở phát hiện sarcosine sử dụng điện cực SPCE 54 Hình 3 1 Ảnh SEM của màng sarcosine-MIP a) trên điện cực SPAuE; b) trên điện cực AuNPs/SPCE Đặc trưng dòng-thế của quá trình

polymer hóa c) trên điện cực SPAuE và d) trên điện cực AuNPs/SPCE 58 Hình 3 2 Phổ EIS của cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE sau mỗi bước thực hiện quy trình chế tạo 62

NGỤY PHAN TÍN 6

Hình 3 3 a) Phổ EIS của cảm biến sarcosine-MIP (15 CVs)/SPAuE đáp ứng tại các nồng độ khác nhau; b) Đường đặc trưng chuẩn của các cảm biến sarcosine-MIP/SPAuE và NIP/SPAuE 65 Hình 3 4 Phổ EIS ứng với các nồng độ sarcosine khác nhau của cảm biến a) sarcosine-MIP (7 CVs)/SPAuE và b) sarcosine-MIP (5

CVs)/SPAuE 67 Hình 3 5 Đáp ứng phổ trở kháng phức của cảm biến sarcosine-MIP sử dụng điện cực AuNPs/SPCE với sự phân bố hạt vàng khác nhau theo số vòng quét (10, 15, 20 CVs) 70 Hình 3 6 Ảnh SEM của điện cực SPCE sau khi biến tính AuNPs (sử dụng phương pháp điện hóa quét thế vòng) với số vòng khác nhau 5, 10,

15 và 20 CVs 71 Hình 3 7 Đáp ứng phổ trở kháng phức của cảm biến sarcosine-

MIP/AuNPs (20 CVs)/SPCE sử dụng vòng quét polymer hóa MIP khác nhau (7, 15, 20 CVs) 72 Hình 3 8 a) Phổ EIS của cảm biến sarcosine-MIP (15

CVs)/AuNPs/SPCE đáp ứng tại các nồng độ khác nhau; b) Đường đặc trưng chuẩn của các cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE và

NIP/AuNPs/SPCE 74 Hình 3 9 Độ ổn định của cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE sau các thời gian bảo quản khác nhau 77 Hình 3 10 Cấu trúc hóa học của Sarcosine, Alanine, Lysine 77 Hình 3 11 Độ chọn lọc của cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE với các chất phân tích khác nhau có cấu trúc và tính chất tương tự như

sarcosine 78

NGỤY PHAN TÍN 7

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Một số liên kết hydro thường gặp 32 Bảng 3 1 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/ SPCE sau mỗi bước biến tính 63 Bảng 3 2 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến sarcosine-MIP/SPAuE và NIP/SPAuE 66 Bảng 3 3 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến sarcsoien-MIP (7 CVs)/SPAuE và sarcosine-MIP (5

CVs)/SPAuE 68 Bảng 3 4 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của các cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE với số vòng quét tạo hạt vàng khác nhau 10, 15 và 20 CVs 69 Bảng 3 5 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của các cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE với số vòng quét tạo màng khác nhau 7, 15 và 20 CVs 73 Bảng 3 6 Giá trị các thành phần trong mạch tương đương Randles của cảm biến sarcosine-MIP (15 CVs)/AuNPs/SPCE và NIP (15

CVs)/AuNPs/SPCE 75 Bảng 3 7 Giá trị các thành phần trong đường chuẩn của 7 cảm biến sarcosine-MIP/AuNPs/SPCE 76

NGỤY PHAN TÍN 8

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

p-ATP (4-ATP) Para-Aminothiophenol

Hiện nay tỉ lệ tử vong của ung thư tiền liệt tuyến đã giảm đi rất nhiều so với trước đây nhờ các phương pháp chẩn đoán sớm Phương pháp chẩn đoán được

sử dụng phổ biến nhất hiện nay là đo lường chỉ dấu nồng độ kháng nguyên PSA trong máu Tuy nhiên phương pháp sử dụng kháng nguyên PSA để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến còn nhiều hạn chế do nồng độ kháng nguyên PSA thay đổi do nhiều yếu tố ảnh hưởng hoặc bệnh trạng khác mà không phải ung thư tiền liệt tuyến như: tổn thương tiền liệt tuyến, bệnh tiền liệt tuyến lành tính, viêm tiền liệt tuyến [51] Do đó một yêu cầu cấp thiết được đặt ra là phải tìm thêm các chỉ dấu sinh học mới nhằm hỗ trợ cho việc chẩn đoán sớm cũng như theo dõi chính xác bệnh Cho đến nay, nhiều chỉ dấu mới đã và đang được nghiên cứu Đầu tiên phải kể đến chỉ số phi (f), được xác định dựa trên tỉ lệ giữa nồng độ kháng nguyên PSA tự do và kháng nguyên PSA toàn phần có trong huyết thanh người Ngoài ra, một số chất protein và amino axit có trong huyết thanh và nước tiểu của người bệnh như PCA3, Kallin, sarcosine and proline cũng đang được nghiên cứu xem xét khả năng ứng dụng như một chỉ dấu sinh học [27, 72, 73] Trong số đó, các nghiên cứu gần đây đã cho thấy nồng độ sarcosine có sự thay đổi đáng kể giữa người bình thường với người mắc bệnh cũng như trong suốt quá trình bệnh di căn thành ác tính [40] Ngoài ra, các nghiên cứu cũng cho thấy do sarcosine đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển hóa glysine Việc kiểm soát nồng độ sarcosine trong quá trình này có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình hình thành và xâm lấn của các tế bào ung thư [18]. Chính vì các nguyên nhân này, việc phát hiện và theo dõi sự thay đổi nồng độ của

[36, 68]

Kỹ thuật polyme đánh dấu phân tử (MIP), một phương pháp mới dựa trên các đặc tính linh động và đa dạng của các tương tác sinh học như kháng nguyên – kháng thể, enzyme và cơ chất, đã được nghiên cứu để xác định nồng độ các phân tử có độ chính xác cao, đơn giản và chi phí hợp lý Phương pháp này cho phép thiết kế và chế tạo các đầu thu sinh học nhân tạo có tính chọn lọc và độ đặc hiệu được xác định trước, ứng dụng trong các lĩnh vực phân tách, phân tích, xúc tác, hay cảm biến sinh hóa [12, 61] MIP thường sử dụng ma trận polymer

được tạo thành từ các phân tử mẫu phân tích tương tác với các gốc monomer hóa và các phân tử liên kết chéo Sau khi loại bỏ các chất phân tích (mẫu phân tích), màng polymer sẽ xuất hiện các khuôn in có khả năng nhận dạng phân tử với độ đặc hiệu và chọn lọc cao Độ chọn lọc của phương pháp khá cao do dựa vào các yếu tố hình dạng, kích thước và các nhóm chức hóa học của chất cần phân tích [26, 80] Chính vì vậy, phương pháp này không chỉ có thể nhận dạng các

chất sinh học mà còn đặc biệt hữu ích với các chất hóa học Công nghệ này có

độ bền và ổn định cao hơn so với các vật liệu sinh học tự nhiên trong các môi trường khắc nghiệt như độ pH cao, áp suất cao hay nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp MIP dạng màng hoặc dạng hạt có thể sử dụng được trong nhiều tháng mà không có tổn thất về hiệu quả sử dụng cũng như yêu cầu bảo quản đơn giản hơn

so với chất sinh học tự nhiên

NGỤY PHAN TÍN 11

Để khảo sát và đánh giá hoạt động của cảm biến, chúng tôi sử dụng phương pháp đo phổ tổng trở Nguyên lý của phương pháp đo này dựa trên sự thay đổi tín hiệu trở kháng của điện cực khi có bất kỳ vật chất cần phát hiện nào bám dính với bề mặt điện cực Do mỗi một loại vật liệu có một tính chất điện đặc trưng sẽ dẫn đến làm thay đổi tính chất điện của điện cực, đồng thời cũng dẫn đến sự thay đổi về hình thái học trên bề mặt điện cực làm cho các giá trị như điện dung lớp kép hay điện trở truyền điện tích thay đổi khá lớn [17, 20] Dựa vào

mô hình mạch điện tương đương Randles, tổng trở thu được cho phép phân tích đóng góp của các quá trình điện hóa như khuếch tán, điện tích lớp kép, phản

ứng hóa học… vào quá trình truyền điện tích trên bề mặt điện cực Qua đó,

chúng ta không chỉ có thể theo dõi và kiểm soát các bước khác nhau của quá trình chế tạo mà còn có thể đánh giá hình thái bề mặt của màng MIP một cách

rõ ràng [24, 56] Phương pháp đo phổ tổng kết hợp với công nghệ MIP cho phép

xác định nồng độ của sarcosine một cách đơn giản, nhanh chóng thông qua việc tính toán sự thay đổi các đặc tính điện tương ứng của cảm biến khi sarcosine tái liên kết với các vị trị nhận dạng trong màng MIP

Xuất phát từ những ưu điểm nêu trên, dưới sự cố vấn của giáo viên hướng dẫn,

tác giả đã đưa ra đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến phát hiện

sarcosine bằng công nghệ polymer in phân tử (MIP)”

Lịch sử nghiên cứu và tình hình nghiên cứu

Hiện nay trên thế giới, việc ứng dụng công nghệ MIP để xác định các chất hóa học có cấu trúc đơn giản và nhỏ là khá phổ biến Tuy nhiên, đây có thể là lần đầu tiên màng polymer MIP được biến tính trên điệc cực in carbon, và cũng là lần đầu tiên điện cực phát hiện sarcosine trên màng MIP được nghiên cứu chế tạo

Mục đích nghiên cứu của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Trong nghiên cứu này, tác giả đã tiến hành nghiên cứu thiết kế và chế tạo cảm biến phát hiện nồng độ sarcosine bằng công nghệ polymer in phân tử (MIP)

NGỤY PHAN TÍN 12

trong điều kiện phòng thí nghiệm, có khả năng phát triển và hoàn thiện để tiến hành đo nồng độ sarcosine trong mẫu nước tiểu

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Nghiên cứu hoàn thiện quy trình công nghệ tạo hạt Au kích thước nano (AuNPs) trên điện cực in các bon (SPCE) bằng phương pháp điện hóa

- Nghiên cứu và hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo màng sarcosine MIP trên một số đế có độ dẫn khác nhau

- Nghiên cứu và hoàn thiện quy trình công nghệ chế tạo cảm biến phát hiện sarcosine dựa trên công nghệ MIP

- Khảo sát các yếu tố ảnh hưởng và đánh giá hoạt động của cảm biến

- Khảo sát tính chọn lọc, độ đặc hiệu và tính ổn định của cảm biến

Mặc dù đã rất cố gắng trong việc nghiên cứu và hoàn thành luận văn nhưng trong cũng không tránh khỏi những sai sót Kính mong các thầy (cô) giáo thông cảm và rút kinh nghiệm cho tác giả

NGỤY PHAN TÍN 13

Chương 1 – TỔNG QUAN 1.1 Bệnh ung thư tiền liệt tuyến và các chỉ dấu sinh học

1.1.1 Tình hình bệnh ung thư tiền liệt tuyến hiện nay

Ung thư tiền liệt tuyến (UTTLT) là một trong những bệnh ung thư phổ biến trên thế giới, xảy ra ở nam giới Theo thống kê của tổ chức Y tế Thế giới WHO, trong năm 2012, ung thư tiền liệt tuyến có số ca mắc bệnh đứng hàng thứ tư trên thế giới sau ung thư phổi, ung thư dạ dày và ung thư vú UTTLT xuất hiện trên các đối tượng là nam giới ở độ tuổi trên 50, độ tuổi mắc bệnh trung bình là 65 tuổi [13] Năm 2012 số ca mắc bệnh là hơn 1,1 triêụ ca, chiếm 15% tổng số ca mắc bệnh ung thư ở nam giới Trong đó ¾ số ca mắc bệnh là ở các bệnh nhân trên 75 tuổi, có rất ít ca dưới 50 tuổi Số ca mắc bệnh chủ yếu phân bố ở các nước phát triển, chiếm 68% ca mắc bệnh, trong đó ở Úc, Newzealand và Mỹ (chủ yếu là các bệnh nhân gốc phi) có tỉ lệ đàn ông mắc bệnh cao nhất [81, 82] Trên thế giới hơn 300 nghìn bệnh nhân nam mắc bệnh đã tử vong, chiếm khoảng 20% số ca mắc bệnh

Bệnh UTTLT có khả năng chữa lành nếu được phát hiện sớm Nhờ các phương pháp chẩn đoán sớm ngày càng được hoàn thiện trong những năm gần đây mà hiện nay, tỉ lệ tử vong đã giảm đi rất nhiều Phương pháp chẩn đoán được sử dụng phổ biến nhất hiện nay là đo lường chỉ dấu nồng độ kháng nguyên PSA trong máu Các nghiên cứu gần đây về chỉ dấu này ngày càng được hoàn thiện

và ứng dụng rộng rãi giúp cho việc phát hiện sớm, chẩn đoán cũng như theo dõi quá trình phát triển của bệnh đã được cải thiện rất nhiều Các trường hợp mắc bệnh đã được phát hiện sớm hơn, số ca phát hiện muộn giảm từ 33% xuống còn 7% (thống kê đại học München / Đức) [79] Tuy nhiên, chỉ dấu này vẫn còn tồn tại những điểm hạn chế ví dụ như nồng độ kháng nguyên PSA trong huyết thanh

có thể bị ảnh hưởng bởi các bệnh liên quan đến tuyến tiền liệt Do vậy, hiện nay các chỉ dấu mới về bệnh UTTLT đang được nghiên cứu để hỗ trợ chẩn đoán sớm và theo dõi tiến trình phát triển của bệnh

NGỤY PHAN TÍN 14

1.1.2 Tuyến tiền liệt và bệnh ung thư tiền liệt tuyến

a) Tuyến tiền liệt

Tuyến tiền liệt là một bộ phận của hệ sinh dục nam, có chức năng sản xuất và lưu trữ tinh trùng Tuyến tiền liệt nằm trong khung chậu, dưới bàng quang và trước trực tràng và bao quanh đoạn đầu của niệu đạo Một chức năng khác của tuyến tiền liệt là hỗ trợ kiểm soát nước tiểu thông qua việc tạo áp lực trực tiếp lên phần niệu đạo mà tuyến tiền liệt bao quanh Do đặc thù về vị trí, cho nên các bệnh về tuyến tiền liệt thường ảnh hưởng đến việc đi tiểu, xuất tinh Trong bệnh UTTLT, các tế bào của các tuyến tiền liệt biến đổi thành tế bào ung thư

b) Ung thư tiền liệt tuyến

Ung thư tuyến tiền liệt hay còn gọi là ung thư tiền liệt tuyến (UTTLT) là một loại ung thư phát triển trong tuyến tiền liệt, thường xuất hiện ở nam giới trên 50 tuổi, đặc biệt các bệnh nhân có nguồn gốc Mỹ-Phi có tỉ lệ mắc bệnh rất cao UTTLT thường phát triển khá chậm, tuy nhiên, nếu không được chữa trị kịp thời thì có thể sẽ xảy ra trường hợp ung thư di căn Các tế bào ung thư có thể di căn (lan) từ tuyến tiền liệt sang các bộ phận khác của cơ thể, đặc biệt là vào xương và các hạch bạch huyết UTTLT có thể gây đau đớn và khó khăn trong việc đi tiểu, quan hệ tình dục gặp vấn đề, hoặc rối loạn chức năng cương dương Các triệu chứng khác có khả năng phát triển trong giai đoạn sau của bệnh

1.1.3 Dấu hiệu và nguyên nhân gây bệnh

a) Dấu hiệu mắc bệnh

Ở thời kì đầu, UTTLT không có triệu chứng rõ ràng, bệnh thường chỉ được phát hiện khi đi khám xác định nồng độ PSA định kỳ Khi ung thư tiến triển đến một giai đoạn bệnh nhất định, khối u đủ lớn và chèn ép hoặc xâm lấn vào niệu đạo, người bệnh mới có các triệu chứng rối loạn đi tiểu như: đi tiểu thường xuyên,

đi tiểu đêm, khó tiểu hoặc tiểu ngắt quãng, tiểu ra máu (máu trong nước tiểu), đau khi tiểu Tuy nhiên, đôi khi các triệu chứng này có thể bị gây ra bởi các bệnh khác về tuyến tiền liệt như bệnh tăng sản tuyến tiền liệt lành tính

NGỤY PHAN TÍN 15

Ngoài ra, do tuyến tiền liệt bao quanh một phần của đường niệu đạo cho nên UTTLT có thể làm rối loạn chức năng tiết niệu và tuyến tiền liệt cũng tiết chất dịch tạo thành tinh dịch theo ống dẫn tinh vào niệu đạo cho nên ung thư tuyến tiền liệt cũng có thể gây ra rối loạn các chức năng và hoạt động tình dục, chẳng hạn như khó đạt được sự cương cứng hoặc đau khi xuất tinh

UTTLT ở các giai đoạn sau có thể di căn sang các bộ phận khác của cơ thể và gây ra nhiều triệu chứng khác Các triệu chứng thường gặp nhất là đau xương, thường ở các đốt sống (xương cột sống), xương chậu, hay xương sườn Ung thư còn di căn vào các xương khác, thường là phần gần đầu của xương đùi Ung thư tuyến tiền liệt di căn vào cột sống cũng có thể đè lên tủy sống gây ra yếu chân và đại tiện, tiểu tiện không tự chủ

họ có bệnh UTTLT Một nghiên cứu trong năm 2010 phát hiện ra tế bào đáy của tuyến tiền liệt là những nơi phổ biến nhất để bắt đầu cho những mầm mống của UTTLT

Ngoài ra các nghiên cứu thống kê cũng cho thấy UTTLT có sự liên quan rất nhiều về mặt di truyền Nếu trong gia đình có anh, em trai hoặc bố bị ung thư tuyến tiền liệt, thì nguy cơ mắc bệnh có thể tăng lên gấp đôi Các nghiên cứu về cặp song sinh ở Scandinavia đã đưa ra nhận xét rằng 40% nguy cơ ung thư tuyến tiền liệt có thể được giải thích bằng yếu tố di truyền Thêm nữa, theo thống kê trên thế giới, tỉ lệ mắc và chết vì bệnh UTTLT của những đàn ông Mỹ gốc phi cao hơn nhiều lần so với những người da trắng hoặc gốc Tây Ban Nha

Và tỉ lệ người mắc bệnh ở các nước như Mỹ, Úc, Newzealnad cao hơn so với các khu vực khác như châu Á và châu Âu

NGỤY PHAN TÍN 16

1.1.4 Tầm soát và chẩn đoán bệnh

Bệnh UTTLT có thể được chữa lành nếu được phát hiện sớm Để xác định có

bị bệnh hay không, chúng ta cần đi khám và làm các xét nghiệm:

a) Các phương pháp tầm soát bệnh

Để phát hiê ̣n các bất thường về kı́ch thước, thể tı́ch, mâ ̣t đô ̣, các nhân cứng, sự xâm lấn qua các cấu trúc lân câ ̣n quanh tuyến tiền liệt

PSA là kháng nguyên đặc hiệu cho tiền liệt tuyến, do các tế bào tiền liệt tuyến sinh ra khi xảy ra tổn thương ở các tế bào này Hiện nay, xét nghiệm nồng độ PSA trong máu là một phương pháp được phổ biến rộng rãi trong chẩn đoán sớm UTTLT cũng như trong các giai đoạn điều trị để theo dõi tiến trình phát triển các tế bào ung thư Giá trị của nồng độ PSA thu được sẽ được phân tích để đưa ra các kết luận sau:

- Dưới 4 ng/mL: bình thường không bị mắc bệnh

- Từ 4 đến 10 ng/mL: chưa thể đưa ra được kết luận chính xác về khả năng mắc bệnh nhưng cần theo dõi thêm

- Trên 10 ng/mL: đáng nghi ngờ, có khả năng mắc ung thư cao

Nếu các triệu chứng thăm khám và xét nghiệm nồng độ PSA đưa ra các kết quả nghi ngờ về có khả năng mắc bệnh ung thư thì lời khuyên cho các bệnh nhân là nên đi sinh thiết để có được kết luận chính xác về khả năng mắc bệnh

 Sinh thiết tuyến tiền liệt

Đây là một phương pháp khá đơn giản Các bác sỹ sử dụng sinh thiết cốt lõi dùng kim là phương pháp chính để dò tìm ung thư tiền liệt tuyến Để đảm bảo sinh thiết đúng vị trí, kỹ thuật siêu âm được sử dụng là phương pháp xác định

vị trí Khi sinh thiết, bác sĩ sẽ trích lấy một mẩu nhỏ ở vị trí bị nghi ngờ là các

mô bị ung thư, và sẽ quan sát mô này dưới kính hiển vi để xem có bất cứ tế bào ung thư nào không

b) Chẩn đoán bệnh

NGỤY PHAN TÍN 17

Sau khi đã đưa ra được kết luận về việc mắc bệnh UTTLT, bệnh nhân cần được làm thêm các xét nghiệm, thăm khám để đánh giá và xác định giai đoạn ung thư Việc chẩn đoán giai đoạn rất quan trọng và không thể bỏ qua Điều này sẽ

hỗ trợ cho việc lựa chọn các phương pháp điều trị phù hợp Ngoài việc dựa vào các triệu chứng lâm sàng, kết quả đo PSA và giải phẫu bệnh, người bệnh cần được làm thêm một số chẩn đoán hình để có thể phân chính xác giai đoạn của bệnh

Các bước của quá trình chẩn đoán:

 Đo nồng độ PSA: nồng đô ̣ PSA càng cao thı̀ nguy cơ di căn càng

nhiều

 Thang điểm Gleason: Sau khi làm sinh thiết tuyến tiền liệt, một nhà

nghiên cứu bệnh học sẽ xem xét các mẫu dưới kính hiển vi Nếu có

sự hiện diện của tế bào ung thư, nhà nghiên cứu bệnh học sẽ báo cáo tình trạng cấp độ của khối u Cấp độ này cho biết có bao nhiêu tế bào khối u khác nhau từ các mô tuyến tiền liệt bình thường và cho biết khối u có khả năng phát triển nhanh như thế nào Hệ thống Gleason được sử dụng để chia cấp độ các khối u tuyến tiền liệt (chia giai đoạn theo kiểu Whitmore-Jewett là một phương pháp khác đôi khi cũng được sử dụng) Điểm Gleason được xác định bằng cách cho điểm từ

3 đến 5 cho hai loại mô phổ biến nhất trong mẫu sinh thiết Hai điểm này được cộng la ̣i để được điểm Gleason từ 2 đến 10 Điểm Gleason thấp (từ 6 trở xuống) đồng nghĩa với bệnh ung thư tiến triển chậm Điểm Gleason cao (từ 8 đến 10) là mô ̣t cảnh báo về khả năng tiến triển nhanh của căn bệnh Song song, bác sĩ giải phẫu bê ̣nh cũng sẽ xem xét thể tích khối bướu chiếm bao nhiêu phần trăm thể tı́ch tuyến tiền liê ̣t Nếu bê ̣nh nhân có một khối bướu nhỏ và điểm Gleason thấp, bác sı̃ có thể sẽ chọn phương pháp điều trị nhẹ nhàng hơn

 Chu ̣p cắt lớp (CT): để đánh giá lan truyền trong khung xương chậu

NGỤY PHAN TÍN 18

 Chu ̣p cô ̣ng hưởng từ xoắn ốc nội trực tràng: để xem xét cẩn thận các

nang tuyến tiền liệt và túi tinh

 Xạ hình xương: giúp phát hiện các di căn vào xương

Sau khi thực hiện các biện pháp chẩn đoán, UTTLT có thể được chia thành bốn giai đoạn dựa trên hệ thống phân loại TNM phổ biến hiện này Các thông tin của hệ thống này bao gồm kích thước của khối u, số lượng hạch bạch huyết có liên quan, và sự hiện diện của bất kỳ di căn nào khác Sự phân biệt quan trọng nhất đối với bất kỳ hệ thống chia giai đoạn ung thư nào đó là ung thư vẫn còn nằm giới hạn trong tuyến tiền liệt hay đã di căn ra ngoài Trong hệ thống TNM, giai đoạn ung thư lâm sàng T1 và T2 chỉ nằm trong tuyến tiền liệt, còn T3 và T4 có nghĩa là ung thư đã di căn sang nơi khác

1.1.5 Điều trị

Mô ̣t khi đã có chẩn đoán xác đi ̣nh và chẩn đoán giai đoa ̣n, các bác sı̃ sẽ đưa ra các phác đồ điều tri ̣ thı́ch hơ ̣p cho từng bê ̣nh nhân Các phương pháp điều tri ̣ hiê ̣u quả bao gồm :

 Phẫu thuật

Đây là loại phẫu thuật cắt bỏ toàn bộ tuyến tiền liệt và các mô xung quanh Phẫu thuật này được chỉ định khi ung thư vẫn còn khu trú bên trong tiền liệt tuyến, chưa lan ra ngoài (giai đoa ̣n I và II) Phẫu thuật cắt tiền liệt tuyến có thể thực hiện bằng mổ hở hoặc mổ nội soi

 Xạ trị ngoài

Đây là phương pháp điều trị sử dụng tia bức xa ̣ năng lượng cao để tiêu diê ̣t các

tế bào ung thư Ưu điểm của phương pháp này là hiê ̣u quả và có thể chı̉ đi ̣nh cho mo ̣i giai đoa ̣n bê ̣nh khi cần thiết

 Liệu pháp nội tiết tố

Nguyên lý của điều tri ̣ nô ̣i tiết là triê ̣t tiêu các nô ̣i tiết tố nam (các Androgen, trong đó chủ yếu là Testosterone) Khi không còn các nô ̣i tiết tố nam, bê ̣nh sẽ thoái triển Có 2 phương pháp điều tri ̣ nô ̣i tiết :

NGỤY PHAN TÍN 19

- Triê ̣t tiêu nô ̣i tiết tố nam bằng phẫu thuâ ̣t cắt tinh hoàn Phẫu thuâ ̣t đươ ̣c sử du ̣ng nhiều nhất hiê ̣n nay là cắt tinh hoàn trong vỏ bao, vừa đa ̣t hiê ̣u quả điều tri ̣ vừa thẩm mỹ

- Triê ̣t tiêu nô ̣i tiết tố nam bằng điều tri ̣ nô ̣i khoa Bê ̣nh nhân sẽ đươ ̣c dùng thuốc để triê ̣t tiêu nô ̣i tiết tố nam Phương pháp đươ ̣c chı̉ đi ̣nh khi bê ̣nh nhân từ chối phẫu thuâ ̣t hoă ̣c khi bê ̣nh nhân có chống chı̉ đi ̣nh phẫu thuâ ̣t

1.1.6 Các chỉ dấu sinh học cho UTTLT

a) Chỉ dấu sinh học (PSA) trong máu

Hiện nay, phương pháp chẩn đoán sớm bệnh UTTLT được sử dụng rộng rãi và phổ biến là đo nồng độ kháng nguyên đặc hiệu với UTTLT (PSA) toàn phần trong máu PSA còn được gọi là gamma-seminoprotein hoặc kallikrein-3 (KLK3), là một enzyme glycoprotein được mã hóa ở người do gen KLK3 PSA

là một thành viên của họ peptidase kallikrein có liên quan và được tiết ra bởi các tế bào biểu mô của tuyến tiền liệt Các PSA serine protease đã được phát hiện trong huyết thanh vào năm 1980 Kể từ đó nó đã tạo một cuộc cách mạng hóa về việc phát hiện và kiểm soát bệnh UTTLT Về mặt sinh học, PSA đóng vai trò cho quá trình tinh dịch hóa lỏng và bài tiết vào huyết tương tinh Thông thường, ở nam giới khoẻ mạnh, việc xuất ngược dòng vào máu của PSA là một hiện tượng rất hiếm thấy Nhưng trong trường hợp các bệnh nhân nam mắc các bệnh về tuyến tiền liệt như UTTLT hoặc các bệnh về rối loạn tuyến tiền liệt, nồng độ PSA trong máu tăng khá cao Thông thường nồng độ nồng độ PSA trong huyết thanh người dưới 4 ng/mL Chỉ khi có sự phá hủy của màng đáy tế bào biểu mô tuyền tiền liệt mới dẫn đến rò rỉ PSA chảy ngược vào máu Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra mối tương quan mạnh mẽ giữa nồng độ PSA tăng lên bất thường trong huyết thanh và nguy cơ mắc bệnh UTTLT [10, 43] Từ

những nghiên cứu này người ta đã đưa ra các tiêu chuẩn để có thể sử dụng PSA như một thông số chẩn đoán nguy cơ mắc bệnh UTTLT nhiều năm trước [10]

Một số nghiên cứu gần đây với số lượng lớn tình nguyện viên tham gia ở Thụy Điển có các chỉ số PSA từ 0 - 10 ng/mL và lớn hơn 10 ng/mL đã cho thấy không

NGỤY PHAN TÍN 20

chỉ các bệnh nhân có nồng độ PSA cao thì mới có tỉ lệ mắc bệnh lớn mà cả những bệnh nhân có nồng độ PSA thấp cũng có tỉ lệ mắc bệnh khá cao Tỉ lệ nhiễm bệnh tăng lên theo sự tăng của PSA trong máu Và những bệnh nhân có nồng độ PSA ở dải xám (4 - 10 ng/mL) vẫn có tỉ lệ mắc bệnh đáng kể nhất định sau một thời gian theo dõi [5] Qua các nghiên cứu tương tự, các bác sĩ đã xem xét PSA như là một chỉ dấu liên tục, với khả năng phản ánh nguy cơ mắc bệnh UTTLT ngày càng lớn Chính vì thế, PSA bên cạnh việc sử dụng trong chẩn đoán sớm còn được ứng dụng để theo dõi tiến trình phát triển bệnh một cách lâu

dài

Tuy nhiên, như đã bàn luận ở các phần trước, PSA mặc dù rất nhạy với bệnh UTTLT nhưng tính đặc hiệu cao đối với bệnh này không cao, do nồng PSA trong máu có thể bị tăng lên do các bệnh về tuyến tiền liệt như viêm tuyến tiền liệt hoặc lành tính tuyến tiền liệt tăng sản [82] Điều này dẫn đến độ đặc hiệu thấp

và giá trị tiên đoán dương tính thấp nếu một phép đo PSA duy nhất được sử dụng để dự đoán UTTLT, đặc biệt khi nồng độ PSA nằm trong "vùng xám", 4-

10 ng/mL Trong các trường hợp nghiên cứu chỉ có khoảng 25% bệnh nhân có nồng độ PSA cao trong máu là mắc bệnh UTTLT và được chẩn đoán sau khi thực hiện sinh thiết kiểm tra các tế bào nghi ngờ là tế bào ung thư [7] Do những hạn chế như đã nêu trên nên bên cạnh việc nghiên cứu sâu về nồng độ PSA trong máu, các nhà nghiên cứu còn đang tìm các hướng đi mới cho việc chẩn đoán và theo dõi UTTLT được tốt hơn

Các báo cáo trong những năm gần đây cho thấy thay vì chỉ dựa vào việc xác định nồng độ PSA đơn thuần như ban đầu để chẩn đoán bệnh UTTLT, người ta còn sử dụng thêm chỉ số %fPSA để tăng độ đặc hiệu của phương pháp chẩn đoán, đặc biệt là trong dải xám 4-10 ng/mL Tuy nhiên, các tác giả đã kết luận rằng chỉ số %fPSA chỉ có giá trị hữu ích khi đạt giá trị cực đoan dưới 7% và bị ảnh hưởng nếu bệnh nhân mắc bệnh u tuyến tiền liệt lành tính BPH [71] Vì vậy, cho đến những năm đầu thế kỷ 21, các nhà nghiên cứu đã tập trung vào các dạng con khác nhau của fPSA như bPSA có thể làm marker cho bệnh BPH nhưng

NGỤY PHAN TÍN 21

không phân biệt được BPH và UTTLT [70]; hay iPSA có thể phân biệt được PSA

và BPH nhưng bị hạn chế về các thử nghiệm thương mại [74]; hoặc proPSA có tiềm năng rất lớn trong việc tăng độ đặc hiệu của %fPSA, đặc biệt chỉ số [-2] proPSA đã được FDA đề xuất ứng dụng trong chẩn đoán UTTLT dựa trên sự kết hợp giữa 3 chỉ số [-2] proPSA, tPSA và fPSA [52] Từ năm 2010, chỉ số Prostate Health Index phi đã được sử dụng trong chẩn đoán UTTLT và không mắc UTTLT với những bệnh nhân có chỉ số PSA trong dải 4-10 ng/mL và kết quả DRE âm tính; đặc biệt, chỉ số này có tiềm năng lớn trong việc phát hiện UTTLT ác tính [32, 34]

Bên cạnh các chỉ số chẩn đoán dựa trên PSA, các nghiên cứu còn xem xét các chất khác trong họ kallikrein như KLK2 hay KLK11 trong huyết thanh đã thu được những kết quả khả quan trong việc phát hiện UTTLT, nhưng hiện nay các chất này thiếu những thử nghiệm thương mại nên khả năng phổ biến rộng rãi là không chắc chắn

b) Chỉ dấu sinh học phát hiện trong nước tiểu

Ngoài các nghiên cứu về các chỉ dấu trong huyết thanh, một xu hướng nghiên cứu chỉ dấu mới phát hiện UTTLT là một số thành phần protein và amoni axit trong nước tiểu Phương pháp xác định UTTLT trong nước tiểu có ưu thế đơn giản, không xâm lấn Một số nghiên cứu được công bố đã tìm ra một số sự khác biệt trong thành phần nước tiểu giữa người thường, người mắc bệnh ở giai đoạn đầu và bệnh nhân ở giai đoạn đã di căn

PCA3 là một RNA không được mã hóa sang protein, xuất hiện đáng kể trong UTTLT, mà không có bất kỳ mối tương quan nào với thể tích khối u tiền liệt tuyến hoặc bệnh tuyến tiền liệt khác (BPH) [30] PCA3 có thể dễ dàng đo được trong nước tiểu dựa một bộ khuếch đại mã hóa trung gian (TMA) Định lượng nồng độ mRNA PCA3 có thể dự đoán kết quả sinh thiết tuyến tiền liệt với một

NGỤY PHAN TÍN 22

tốc độ đặc hiệu cao hơn so với PSA và cả với %fPSA [25] Một pháp đồ nomograms mới dựa trên PCA3 đã được đưa vào ứng dụng trong thực hành lâm sàng Kiểm tra PCA3 có thể mang đến sự hỗ trợ cần thiết và quan trọng trong các tình huống khó khăn mà kết quả kiểm tra PSA không thể đưa ra những chẩn đoán chính xác với các kết quả sinh thiết tuyến tiền liệt âm tính hay đồng thời mắc một số bệnh về tuyến tiền liệt khác hoặc trong trường hợp cần kiểm soát tình trạng bệnh chủ động Tuy nhiên PCA3 vẫn có những điểm hạn chế khi quy trình thao tác đo lường phức tạp và đắt đỏ, chưa thể giải quyết được vấn đề độ nhạy thấp ở dải giá trị PCA cao hay mối quan hệ với thể tích khối u và quá trình

di căn Mặc dù vậy, PCA3 vẫn thể hiện giá trị chẩn đoán lâm sàng cao trong những năm gần đây làm tăng khả năng dự đoán Đặc biệt, một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng khi kết hợp PCA3 kết hợp với các dấu hiệu chẩn đoán khác, độ chính xác thu được với các trường hợp âm lên đến 99% [28, 75] Gần đây, kết quả từ các nghiên cứu lâm sàng có liên quan được so sánh với kiểm tra PSA đã cho thấy chỉ dấu PCA3 hoàn toàn có thể ứng dụng trong chẩn đoán UTTLT khi kết hợp với các phương pháp khác như MRI [41]

 Sarcosine

Sarcosine hay còn gọi là N-methyl glysine là chất được sinh ra trong quá trình chuyển hóa và phân giải Glysine Các nghiên cứu cho thấy có sự tăng đáng kể nồng độ sarcosine trong tăng lên khá lớn ở người mắc bệnh so với những bệnh nhân lành tính [40] Ngoài ra, các kết quả nghiên cứu cũng cho thấy sarcosine có một vai trò đáng kể trong quá trình tiến triển của bệnh UTTLT [18] Một số báo cáo đã chỉ ra rằng sarcosine có thể ức chế quá trình di căn của các tế bào UTTLT;

và việc kiểm soát nồng độ sarcosine có ý nghĩa rất lớn trong việc chẩn đoán và theo dõi tiến trình bệnh [14, 45, 46, 53]

Sự thay đổi nồng độ của sarcosine có thể được tìm thấy đồng thời trong huyết thanh hoặc trong nước tiểu Trong những năm vừa qua, một số nghiên cứu về sarcosine trong huyết thanh đã được thực hiện nhưng kết quả thu được khá hạn chế Một số nghiên cứu đã công bố cho thấy sự khác biệt của nồng độ sarcosine

NGỤY PHAN TÍN 23

trong máu tại giai đoạn phát triển sớm và di căn của UTTLT Tuy nhiên, một số nhóm nghiên cứu tuyên bố rằng họ không tìm thấy sự khác biệt về nồng độ sarcosine giữa các giai đoạn phát triển của UTTLT [39, 47] Tuy nhiên, cũng có một số nhà nghiên cứu thu được một số kết quả tích cực về ý nghĩa của nồng độ sarcosine trong máu đối với chẩn đoán UTTLT cho các bệnh nhân có chỉ số tPSA trong dải dưới 4 ng/mL Kết quả cho thấy giá trị dự đoán của sarcosine cao hơn so với dự đoán bằng tPSA và %fPSA [45] Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu về mối quan hệ giữa nồng độ sarcosine trong máu và các giai đoạn UTTLT vẫn cần thêm kết quả kiểm chứng độc lập khác để có thể đưa ra các kết luận chính xác

Năm 2009, Sreekumar và nhóm đã công bố kết quả nghiên cứu được công nhận rộng rãi về vai trò tiềm năng của sarcosine để phát hiện và chẩn đoán UTTLT

[68] Nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thực nghiệm kiểm tra so sánh khả năng chẩn đoán chính xác giữa sarcosine và PSA với các bệnh nhân có chỉ số PSA trong dải xám (4 -10 ng/mL) Kết quả thu được cho thấy sarcosine có chỉ số AUC cao hơn so với PSA

Ngược lại, cũng giống như sarcosine trong máu, một nghiên cứu khác cũng thực hiện các thí nghiệm chứng minh so sánh nồng của sarcosine trong nước tiểu của các bệnh nhân mắc bệnh UTTLT và không mắc bệnh có nồng độ trung bình tương đương nhau khoảng 6-7 ng/mL bằng phương pháp sắc ký khí, kết quả thu được cho thấy nồng độ sarcosine trong các bệnh nhân này là không có sự khác biệt rõ ràng và giá trị AUC của sarcosine thấp hơn %fPSA nhưng ngang bằng PSA [36] Do đó hiện nay vẫn chưa thể khẳng định rằng sarcosine có thể ứng dụng trong chẩn đoán sớm UTTLT

Trong một báo cáo nghiên cứu về sarcosine, thống kê cho thấy đến năm 2013

đã có 5 báo cáo về sarcosine trong mô khối u, 31 báo cáo về sarcosine trong huyết thanh và 78 báo cáo về sarcosine trong nước tiểu Các kết quả nghiên cứu cho thấy vai trò của sarosine trong chẩn đoán và theo dõi UTTLT Tuy các kết quả còn có những tranh cãi về khả năng chẩn đoán sớm của sarosine Tuy nhiên

NGỤY PHAN TÍN 24

một số các báo cáo gần đây đã cho thấy sarcosine có sự khác biệt lớn về nồng

độ trong nước tiểu giữa người lành, người mắc bệnh UTTLT và những người bị UTTLT di căn [14, 40] Điều này cho thấy sarcosine có tiềm năng lớn trong việc theo dõi và kiểm soát bệnh UTTLTvà cần phải được nghiên cứu cẩn trọng và sâu hơn nữa

1.2 Công nghệ polymer in phân tử (Molecular Imprinted Polymer-MIP)

1.2.1 Tổng quan về công nghệ MIP

Công nghệ polymer in phân tử (MIP) là một kỹ thuật cho phép chế tạo các đầu thu sinh học nhân tạo bằng cách tổng hợp các chuỗi polymer nhằm thay thế các đầu thu sinh học tự nhiên như enzyme hay kháng thể, v.v.v Công nghệ này được nghiên cứu và phát triển dựa trên các cơ chế tương tác của enzyme với cơ chất hay các cơ chế tương tác kháng nguyên-kháng thể trong một số trường hợp đặc thù Để phát triển và hoàn thiện công nghệ MIP, nhiều bí mật về hệ thống miễn dịch cũng như các phản ứng miễn dịch và các cơ chế tương tác sinh học

đã được các nhà nghiên cứu làm sáng tỏ

Trong các tương tác sinh học như tương tác giữa các cặp kháng nguyên-kháng thể hay tương tác giữa enzyme và cơ chất của nó, tính đặc hiệu, độ chọn lọc của các tương tác này phụ thuộc mạnh không những vào số lượng và độ mạnh yếu của các liên kết mà còn liên quan chặt chẽ đến cấu trúc ba chiều của các protein

Về bản chất, kháng thể hay các enzyme là các phân tử protein có kích thước lớn, được tạo thành từ các chuỗi amino axit mạch dài mà trình tự sắp xếp của chúng được quy định bởi mã gen Một số chuỗi protein phức còn chứa thêm các gốc đường, lipid hoặc các nhóm photphat để đảm nhiệm các chức năng khác nhau trong cơ thể Chính vì đặc tính phức tạp về cấu trúc hình dạng này của kháng nguyên kháng thể và enzyme nên các tương tác của chúng rất đa dạng, không trùng lặp, có độ đặc hiệu và tính chọn lọc cao đối với nhóm chức sinh học cũng như các chất hoá học [61]

Chính vì vậy, các tương tác sinh học giữa kháng - nguyên kháng thể hay các tương tác tương tự đã giúp các nhà khoa học sáng tạo ra nhiều kỹ thuật mới

NGỤY PHAN TÍN 25

trong sinh học, hóa học (phân tích) và y học Các nhà khoa học đã ứng dụng những hiểu biết trong lĩnh vực này để phát triển các công thức tiêm chủng, các công cụ phân tích mới (ví dụ, xét nghiệm miễn dịch, sắc ký kháng nguyên-kháng thể, cả hai đều dựa trên kháng thể cố định) hoặc các cách tiếp cận mới trong việc tổng hợp và xúc tác (ví dụ dựa trên kháng thể xúc tác) Tuy rằng các kết quả đạt được rất khả quan nhưng họ cũng đã sớm nhận thấy những hạn chế của các phương pháp mới Hầu như tất cả các vật liệu sinh học được sử dụng cho thấy các vấn đề về khả năng ổn định trong các môi trường có điều kiện cực đoan về nhiệt độ hoặc độ pH hay trong các dung môi hữu cơ hay các quá trình tiêu hóa bằng vi sinh vật và tác nhân phân hủy nói chung Do đặc tính sinh học vượt trội của kháng nguyên - kháng thể nên chúng dễ bị phân hủy trong các môi trường cực đoan dẫn đến hạn chế ngăn ứng dụng trong một số trường hợp Thêm nữa, các vật liệu sinh học tự nhiên này còn rất đắt đỏ, thời gian sống ngắn, cần các điều kiện bảo quản phức tạp và khắt khe nên khả năng linh động trong ứng dụng rất hạn chế [1, 31, 57] Ngoài ra, chúng ta cũng không thể chế tạo ra các kháng thể để chống lại các chất độc cũng như các chất ức chế miễn dịch do ảnh hưởng bất lợi của chúng lên cơ chế phản ứng miễn dịch [77]

Công nghệ MIP ra đời chính là để giải quyết những hạn chế này của các tương tác sinh học tự nhiên Về cơ bản, công nghệ MIP vẫn giữ nguyên các nguyên tắc đặc trưng sinh học nhưng phương pháp lại được thực hiện hoàn toàn bằng phương pháp hoá học

1.2.2 Nguyên lý đánh dấu phân tử

In phân tử, MI, là một kỹ thuật tổng hợp các chuỗi polymer mô phỏng các đầu thu sinh học, ví dụ như các kháng thể hoặc các enzyme [12, 80] Về cơ bản, MIP được tạo từ năm thành phần khác nhau: mẫu (chất) cần phân tích, monomer chức năng, thành phần liên kết chéo, thành phần làm xốp và thành phần khởi tạo Trong đó, hai yếu tố cuối xác định hình thái học của polymer Trong hình 1.1 trình bày các bước quy trình công nghệ chế tạo MIP Đầu tiên, phân tử mẫu (các kháng nguyên hoặc chất phân tích) được kết hợp với các monomer chức

NGỤY PHAN TÍN 26

năng là các phân tử đồng thời chứa cả nhóm chức có khả năng tương tác (liên kết cộng hóa trị hoặc liên kết không cộng hóa trị) và một nhóm chức có chức có khả năng polymer hóa (thường là một liên kết đôi) Trong bước thứ hai, quá trình polymer hóa được bắt đầu với một lượng lớn các phân tử liên kết chéo chứa ít nhất hai nhóm chức có khả năng polymer hóa Các phân tử liên kết chéo này rất cần thiết để tạo ra được một mạng lưới polymer 3D cứng, giúp duy trì được khuôn in của mẫu/chất cần phân tích với đặc tính chọn lọc cao Sau bước tách loại các phân tử chất phân tích, MIP được tạo ra có khả năng nhận biết một cách đặc hiệu dựa trên hình dạng, kích thước và các vị trí tương tác chọn lọc với phân tử mẫu trong các khuôn in trong mạng polymer

Hình 1 1 Các bước quy trình chế tạo của công nghệ in polymer phân tử (MIP)

Trong công nghệ MIP, tương tác hóa học giữa mẫu phân tích và monomer đóng vai trò rất quan trọng trong việc xác định độ đặc hiệu và tính chọn lọc Trong tương tác này, mẫu phân tích và các nhóm chức của nó sẽ quyết định monomer chức năng được lựa chọn Tính đặc hiệu của khuôn in được tạo thành được xác định chủ yếu bởi độ mạnh của tương tác giữa monomer và mẫu, nói chung, liên

NGỤY PHAN TÍN 27

kết càng mạnh ái lực càng tốt Ngoài ra, số lượng các điểm tương tác giữa các mẫu/ chất phân tích và khuôn in càng nhiều càng tốt Về mặt lý thuyết cần ít nhất ba điểm tương tác để xác định một cấu trúc ba chiều của phân tử mẫu trong khuôn in Tùy theo loại tương tác hóa học giữa mẫu và monomer chức năng mà MIP được chia làm hai loại:

 MIP dựa trên tương tác không cộng hóa trị (noncovalent): Như đã nêu ở trên, ái lực giữa mẫu và các monomer chức năng càng mạnh càng tốt Do vậy trong trường hợp phân tử mẫu có chứa các nhóm amino thì các monomer chức năng nhóm acidic ví dụ như axit acrylic hoặc methacrylic

sẽ được chọn để cho kết quả tốt nhất Tuy nhiên, đối với trường hợp phân

tử mẫu có chứa nhóm carboxylic axit thì lựa chọn tốt nhất của monomer chức năng phải là vinylpyridine Các monomer này sẽ tạo ra các tương tác ion với mẫu Các tương tác ion mạnh hơn liên kết hydro lẫn các tương tác kỵ nước hoặc ưa nước Trong công nghệ MIP này, việc sử dụng nhiều loại liên kết khác nhau cùng lúc hoàn toàn có thể xảy ra như: liên kết ion

và /hoặc liên kết hydro, liên kết tĩnh điện, tương tác ưa nước /kỵ nước và /hoặc tương tác van der Waals

 MIP dựa trên tương tác dựa trên tương tác cộng hóa trị (covalent): Trong trường hợp chế tạo MIP sử dụng tương tác cộng hóa trị, việc chọn lựa các monomer chức năng sẽ phức tạp hơn Các monomer này phải tạo được liên kết cộng hóa trị với các mẫu trước khi in, phụ thuộc vào tính chất hóa học của mẫu mà các monomer sẽ khác nhau Ví dụ như các mẫu chứa nhóm cis-diol thường được este hóa với axit vinyl-boronic để tạo thành bis-ester thuận nghịch Nếu điều này là không thể thực hiện, lựa chọn thay thế là chế tạo bazơ Schiff (azomethines) với yêu cầu một nhóm amin trên mẫu và một nhóm axit cacboxyl trên monomer chức năng hoặc ngược lại Trên hình 1.2 trình bày mô hình in phân tử sử dụng liên kết cộng hóa trị và không cộng hóa trị

Hình 1 3 Phức chelate giữa ion kim loại đồng với các monomer vinylimidazol

và mẫu axit amin

Các thành phần liên kết chéo cung cấp lên đến 90% các nhóm polymer hóa; do vậy chúng quyết định "tính chất hóa học polymer" của MIP Các chất liên kết chéo đóng vai trò như một dung môi cho mẫu và các porogen Một yếu tố quan trọng cần chú ý đó là số lượng các nhóm chức có thể polymer trên mỗi phân tử liên kết chéo Chất liên kết chéo điển hình được sử dụng cho việc chế tạo MIP

NGỤY PHAN TÍN 29

là dimethacrylate ethyleneglycol (EGDMA) và divinylbenzene (DVB), cả hai đều chỉ chứa hai nhóm vinyl có thể trùng hợp Gần đây người ta đã chỉ ra rằng các chất liên kết chéo có hơn hai nhóm chức polymer hóa, ví dụ trimethylolpropane trimethacrylate (TRIM), dẫn đến vật liệu xốp hơn, cải thiện đặc tính chuyển động khối (khả năng tiếp cận tốt hơn với các khuôn in), do đó dẫn đến hiệu suất bắt cặp tốt hơn của MIP

Hầu hết MIP ngày nay được tạo dựa trên quá trình polymer hóa gốc tự do tiêu chuẩn trong môi trường phân tán [80] Nhân tố khởi tạo cho quá trình trùng hợp phải được lựa chọn dựa trên độ tin cậy của nó Có một vài hợp chất azo-bis như AIBN, thường được sử dụng trong qua trình polymer hóa khởi tạo bằng nhiệt, nhưng đối với các quá trình khởi tạo bằng UV, ABCHC có sự tin cậy hơn AIBN Đối với một số phương pháp tiếp cận đặc biệt, mà quá trình in phân tử diễn ra trong môi trường dung dịch nước, chất khởi tạo tan trong nước như ABDV nên được chọn

Các porogen (dung môi) đóng vai trò lớn trong việc hình thành các lỗ xốp trong mạng polymer Trong điều kiện của quá trình trùng hợp phân tán điển hình, các polymer kết tủa khi được tạo thành, vẫn còn có chứa một lượng lớn các porogen trong các lỗ xốp Đối với một khuôn in được tạo ra thành công, mẫu phải được hòa tan trong porogen (đôi khi hỗn hợp đã được đun nóng để đảm bảo điều này), nhưng porogen được lựa chọn phải đảm bảo không cạnh tranh với các monomer chức năng tương tác với các mẫu Nếu các tương tác này, chủ yếu được dựa trên các liên kết hydro thì các porogen proton sẽ gây trở ngại và hạn chế ít nhất một phần của mẫu tương tác với các monomer chức năng Trong trường hợp như vậy một porogen proton phân cực nên được sử dụng Ngoài ra, hỗn hợp phản ứng nên hòa tan hoàn toàn trong nước, vì nước cạnh tranh rất hiệu quả với các liên kết hydro Oxy hòa tan trong dung dịch nên được loại bỏ khỏi porogen bằng cách thổi khí nitơ, vì nói chung oxy có xu hướng ức chế trùng hợp cực đoan Một số porogen thường được sử dụng là DMF, DMSO, ACN, THF và chloroform

NGỤY PHAN TÍN 30

1.2.3 Lịch sử nghiên cứu và phát triển

Hàng thập kỷ trước, khi bản chất của các phản ứng miễn dịch vẫn còn đang được thảo luận, Linus Pauling đã đề xuất lý thuyết mang tính hướng dẫn về việc chế tạo kháng thể vào năm 1940 [44] Theo lý thuyết này các phân tử kháng thể chứa các nhóm chức linh hoạt, xoắn quanh các kháng nguyên cần quan tâm khác nhau, do đó có thể bắt chúng trong một "pocket" tương tác được chế tạo đặc biệt, mà các nhóm tương tác được sắp xếp tương ứng hoàn hảo với các nhóm chức tìm thấy trên bề mặt kháng nguyên Lý thuyết này đã bị bác bỏ sau đó khi các thông tin chi tiết về tương tác phức tạp giữa kháng nguyên kháng thể được biết rõ hơn Tuy nhiên đây là lý thuyết hữu ích và ý tưởng để kháng nguyên có khả năng hoạt động như một mẫu cho việc hình thành kháng thể đặc hiệu (vị trí liên kết) trong thực tế đã truyền cảm hứng cho khái niệm in phân tử

Trong thập niên 1970, Wulff et al đã phát triển một phương pháp in dựa trên liên kết cộng hóa trị cố định của các mẫu đường cis-diol thông qua este boronate vinyl nối với các monomer chức năng[12] Các phân tử mẫu được tách xuất từ mạng polymer bằng phương pháp thủy phân Những khuôn in trống MIP còn lại cho thấy độ đặc hiệu cao đối với các loại mẫu đường Nhược điểm của phương pháp này là bước tạo dẫn xuất các mẫu tốn nhiều thời gian trước khi polymer hóa và quá trình đạt đến trạng thái cân bằng chậm trong suốt quá trình

áp dụng MIP cho việc phân tách sinh học Quá trình sau là do sự cần thiết của các mẫu để hình thành liên kết cộng hóa trị với các loại polymer cho quá trình nhận dạng

Mosbach và nhóm đã đi tiên phong theo con đường sử dụng liên kết không cộng hóa trị để chế tạo MIP, mà chỉ cần sử dụng mẫu tự gắn kết (self-assembly) và monomer chức năng [12, 54] Các "monomer chức năng" có khả năng polymer hóa có thể kết hợp với các mẫu thông qua nhiều loại tương tác khác nhau, bao gồm cả liên kết H, lực hút tĩnh điện và tương tác kỵ nước Các nhóm chức polymerhóa của monomer chức năng kết hợp một lần nữa trong mạng polymer liên kết chéo mật độ cao và vì thế một lần nữa khuôn in đặc hiệu được tạo ra

NGỤY PHAN TÍN 31

trong mạng polymer Sau khi tách xuất mẫu trong điều kiện tương đối nhẹ nhàng, MIP không cộng hóa trị đã được sử dụng thành công trong các lĩnh vực như kỹ thuật phân tách, xúc tác và công nghệ cảm biến Do chỉ có các tương tác không cộng hóa trị tác dụng đồng thời trong cả hai quá trình in và áp dụng MIP nên quá trình động học hấp phụ thường nhanh hơn nhiều so với trong trường hợp sử dụng liên kết cộng hóa trị

Hiện nay, trên thế giới có hai xu hướng phát triển công nghệ MIP chủ yếu là MIP dạng hạt nano dựa trên liên kết cộng hóa trị và MIP dạng màng nano dựa trên các tương tác không cộng hóa trị Trước đây, MIP được chế tạo bằng các công nghệ cũ với các hạt MIP có kích thước lớn và phải trải qua quá trình sàng lọc để thu được các hạt có kích thước mong muốn từ 5-50 µm cho các ứng dụng khác nhau [61] Phương pháp này rất tốn thời gian và hóa chất; các khuôn in có kích thước không đồng nhất và cần rất nhiều phân tử mẫu để có thể tạo ra được các tương tác có ái lực mạnh; khả năng phân tán nhiệt kém [50] Chính vì vậy các nhà nghiên cứu đã tập trung nghiên cứu để có thể thu được các polymer in phân

tử có kích thước nano với các tính chất tốt hơn

MIP dạng hạt nano có tỉ lệ giữa diện tích bề mặt và thể tích tốt hơn dẫn tới các phân tử mẫu có thể dễ dàng xâm nhập các khuôn chọn lọc và cải thiện động học tái liên kết Thêm nữa hạt MIP nano dễ dàng tồn tại trong dung dịch nên dễ dàng

sử dụng trong các ứng dụng phân tích, thay thế enzyme, vận chuyển thuốc và thay thế kháng thể hay trong cảm biến cũng như điện di mao dẫn [61] Tuy nhiên, MIP dạng hạt nano không dễ chế tạo với phương pháp tiếp cận chủ yếu là phương pháp tiền sắp xếp sử dụng liên kết cộng hóa trị, giảm các vị trí không đặc hiệu Quy trình chế tạo hạt MIP nano có yêu cầu cao về bậc của các thành phần liên kết chéo và tương tác mạnh giữa monomer và mẫu Phương pháp tổng hợp phổ biến nhất là polymer hóa kết tủa, polymer hóa thể sữa kích thước micromet hoặc minimet, dạng lõi vỏ hay quá trình polymer hóa các gốc tự do Mặc dù yêu cầu chế tạo rất phức tạp nhưng ái lực liên của hạt MIP nano rất lớn,

Bảng 1 1 Một số liên kết hydro thường gặp

Nói chung, tùy thuộc vào các chất cần phân tích khác nhau và các yêu cầu về

độ chính xác mà chúng ta lựa chọn phương pháp tiếp cận phù hợp để chế tạo MIP dạng hạt hoặc màng với các phép đo tương ứng Hiện nay, các nghiên cứu

về công nghệ MIP vẫn đang được tiến hành một cách chi tiết, sâu sắc để có thể tối ưu hóa được quy trình chế tạo MIP trở nên đơn giản, tiện lợi và có tính đặc hiệu cao

NGỤY PHAN TÍN 33

1.2.4 Ưu điểm của công nghệ MIP

Không giống như các thành phần sinh học, MIP bền và ổn định trong các môi trường cực đoan có độ pH, áp suất và nhiệt độ rất cao (dưới 180 oC) hoặc rất thấp hoặc trong các môi trường dung môi hữu cơ thường được sử dụng trong các ứng dụng phân tích hoặc xúc tác [16, 23, 35, 55] Với những ưu điểm như vậy, MIP có thể sử dụng trong nhiều tháng mà không có bất kì một tổn thất nào về hiệu năng cũng như không yêu cầu điều kiện bảo quản quá khắt khe Ngoài ra,

do MIP được chế tạo bằng cách tổng hợp theo phương pháp hoá học nên đơn giản và rẻ hơn nhiều so với các chất sinh học như kháng nguyên kháng thể [80] Tuy nhiên công nghệ MIP chưa có một quy trình chuẩn để chế tạo do mỗi một đối tượng phân tích có một cấu trúc và tính chất khác nhau nên yêu cầu các thành phần hóa học cấu tạo nên MIP cũng khác nhau [66] Tùy vào đặc điểm của mỗi đối tượng mà MIP được chế tạo theo một quy trình riêng

Mặt khác, MIP đã chỉ ra khả năng ứng dụng tương tự như các bản sao sinh học của chúng cũng như ái lực pha tĩnh có tính chọn lọc cao trong hóa phân tích, thay thế cho các kháng thể trong xét nghiệm miễn dịch, làm chất xúc tác như enzyme hoặc là thành phần nhận dạng cho việc phát triển "sinh học"

Với những ưu điểm của mình, MIP được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của hóa sinh như chromatography, electrochromatography và công nghệ màng mỏng để phát hiện và phân tách rất nhiều chất khác nhau như carbonhydrate, amino axit, peptide và protein cũng như dư lượng thuốc trừ sâu và thuốc kháng sinh 1.3 Cảm biến phổ tổng trở điện hóa

1.3.1 Phổ trở kháng phức điện hóa

Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) được biết đến như là một công cụ hiệu quả để nghiên cứu các quá trình điện động học và các đặc tính liên kết giữa các chất phân tích và điện cực trong hơn một thập kỷ qua [22] Đây cũng là một kỹ

thuật phân tích, khảo sát đặc tích bề mặt điện hóa một cách hiệu quả và nhạy bén [8, 38] Phương pháp EIS là một kỹ thuật đo lường không phá hủy mẫu hay

xâm lấn, không yêu cầu các thiết bị đắt tiền và phức tạp, dễ dàng triển khai [24]

NGỤY PHAN TÍN 34

Bản chất của phương pháp này phát triển từ trên phương pháp phổ trở kháng phức dựa trên kỹ thuật điện xoay chiều (AC) đã từ lâu được ứng dụng trong nghiên cứu tính chất điện - vật lý của các hệ vật liệu Trở kháng phức thu được dựa trên tỉ lệ giữa điện áp xoay chiều hình sin áp lên hệ điện cực và tín hiệu dòng phản hồi lệch pha thu được Dựa vào việc so sánh các đặc tính điện xoay chiều của phổ trở kháng phức với các mô hình mạch tương đương, chúng ta có thể xác định các thông số cơ bản của mạch điện như điện trở, tụ điện… để phân tích và đánh giá các tính chất dẫn điện, điện môi, cấu trúc hình học và các quá trình phản ứng trên điện cực

Một trong những thí nghiệm ứng dụng đầu tiên của phổ trở kháng phức là nghiên cứu các quá trình điện môi trong các môi trường phân cực Các phần tử thụ động như điện trở, tụ điện, cuộn cảm, trở kháng được sử dụng như là các tham số đặc trưng để miêu tả và phân tích các hệ điện hoá Đó cũng là một trong các ứng dụng cơ bản để nghiên cứu động học phản ứng điện cực trong các hệ dung dịch

Lý thuyết đầu tiên được phát triển bởi Randles, De Levy, Sluytes, và Delanaye Một số công trình đã tập trung vào các đặc tính cơ bản của kỹ thuật trở kháng, đặc biệt là trong các môi trường lỏng

Hiện nay phương pháp phổ trở kháng phức được dùng ngày càng rộng rãi trong nghiên cứu động học điện hoá dung dịch Đây là một kỹ thuật hữu hiệu để xác định các đặc tính chuyển dịch ion và nghiên cứu phản ứng lớp chuyển tiếp trong các hệ vật liệu Đặc biệt, phương pháp EIS được sử dụng nhiều trong các cảm biến trở kháng để xác định các thành phần sinh học hoặc các chất hóa học cần phân tích

1.3.2 Lý thuyết mạch điện xoay chiều và trở kháng phức

Theo định luật Ohm trở kháng được định nghĩa là tỉ lệ giữa điện áp E và dòng điện I

= ( )

NGỤY PHAN TÍN 35

Mối quan hệ này có hạn chế là chỉ có một thành phần mạch điện , điện trở lý tưởng Điện trở lý tưởng có vài đặc tính đơn giản:

- Nó tuân theo định luật Ohm với mọi cường độ điện áp và dòng điện

- Gía trị điện trở không phụ thuộc tần số

- Dòng xoay chiều AC và tín hiệu điện áp đi qua điện trở là đồng pha với nhau

Tuy nhiên trong thực tế, mạch điện phức tạp hơn, có nhiều thành phần phức, buộc chúng ta phải bỏ đi khái niệm về điện trở thuần Cũng giống như điện trở thuần, trở kháng được sử dụng để đo khả năng mạch điện cản trở dòng điện, nhưng khác với điện trở, trở kháng không bị giới hạn bới các đặc tính đơn giản như trên

Giả sử rằng chúng ta áp một xung kích thích hình sin vào mạch điện, tín hiệu phản hồi thu được sẽ là dạng tín hiệu xoay chiều bao gồm tần số kích thích và các hài bậc cao của nó[48] Tín hiệu xoay chiều này có thể được phân tích như là tổng của các hàm sóng sin (sử dụng phép biến đổi Fourier)

Trở kháng phức điện hóa thường được đo bằng cách kích thích tín hiệu có cường

độ nhỏ để thu được tín hiệu phản hồi có dạng giả tuyến tính (pseudo-linear) Trong hệ tuyến tính, dòng phản hồi tương ứng với điện áp hình sin cũng dạng hình sin cùng tần số nhưng dịch pha

Điện áp kích thích được biểu diễn dưới dạng hàm phụ thuộc thời gian:

NGỤY PHAN TÍN 36

có chứa thành phần pha cũng như biên độ Z( ) có thể được biểu diễn trong hệ toạ độ cực bởi biên độ và góc pha , hoặc trong toạ độ đề các:

Trong đó Re(Z) và Im(Z) là phần thực và phần ảo của trở kháng Z( ).Sự liên

hệ giữa các đại lượng này được biểu diễn:

Cảm kháng không phải là đặc trưng duy nhất của mẫu xác định được từ phép

đo phổ trở kháng phức Các đại lượng khác có thể rút ra từ đo trở kháng và được biểu diễn theo cùng một cách, bao gồm:

- Hằng số điện môi e( ) = Y( )/i = 1/(i Z( ) ) (9)

1.3.3 Các phần trở kháng trong mạch điện

a) Điện trở điện phân (R S , R U )

Điện trở dung dịch giữa bề mặt điện cực, thường là một yếu tố đáng chú ý trong trở kháng điện hóa Hệ máy điện hóa cho mô hình hệ ba điện cực đã bù đắp điện trở dung dịch điện phân giữa điện cực đối và điện cực Ag/AgCl Tuy nhiên bất

cứ điện trở dung dịch nào giữa điện cực làm việc và điện cực Ag/AgCl phải được xem xét khi mô hình hóa hệ điện hóa Điện trở của dung dịch ion phụ thuộc vào nồng độ ion trong dung dịch, loại ion, nhiệt độ và hình thái học bề mặt điện cực

Hầu hết các hệ điện hóa không có sự đồng nhất về phân bố dòng điện đi qua diện tích điện phân xác định Vấn đề chính trong việc tính toán điện trở dung dịch, do đó cần quan tâm đến việc xác định đường đi của dòng điện và hình thái học chất điện phân Tuy nhiên trong thực tế, chúng ta không cần tính toán giá trị này mà lấy được thông qua sử dụng mô hình fit với dữ liệu EIS thực nghiệm thu được

b) Điện trở phân cực (R P )

NGỤY PHAN TÍN 37

Bất cứ khi nào áp một điện thế lớn hơn giá trị thế năng mở mạch của lên điện cực khi đó sẽ xuất hiện hiện tượng phân cực điện cực Khi điện cực bị phân cực,

nó sẽ gây ra một dòng điện di chuyển theo các phản ứng điện hóa diễn ra trên

bề mặt điện cực Độ lớn của dòng điện được điều khiển/ kiểm soát bởi điện động phản ứng và sự khuếch tán của các chất phản ứng theo cả hai hướng đi tới và ra

xa điện cực

Trong hệ điện hóa, điện cực chịu sự ăn mòn đồng đều khi hở mạch, thế hở mạch được kiểm soát bằng sự cân bằng giữa hai phản ứng điện hóa khác nhau Một phản ứng tạo ra dòng cathode và một phản ứng tạo ra dòng anode Thế khử mạch kết thúc tại điện áp mà dòng cathode và anode cân bằng Điện áp này được gọi là thế trộn Giá trị dòng điện cho cả hai quá trình được gọi là dòng ăn mòn

c) Điện trở truyền điện tích (R CT )

Tương tự như điện trở hình thành do quá trình phản ứng điện hóa được kiểm soát động học đơn ở trạng thái cân bằng [11, 48]

Theo như phương trình phản ứng ở trên, các electron bám vào trong chất khử tạo thành chất oxi hóa và khuếch tán trong dung dịch điện phân, như vậy điện tích đã được truyền đi Quá trình truyền điện tích này có tốc độ gần như ngay lập tức Tốc độ truyền phụ thuộc vào loại phản ứng, nhiệt độ, nồng độ các chất phản ứng và điện áp cấp Tại điều kiện điện áp để xác định mức độ của quá trình phân cực, là rất nhỏ, quá trình phân cực chỉ phụ thuộc vào động học truyền điện

tích và hệ thống điện hóa cân bằng Điện trở RCT có thể được tính theo công

thức:

: mật độ dòng điện truyền điện tích

: số electron trao đổi trong quá trình oxi hóa khử

: hằng số Faradays

: hằng số khí lí tưởng

NGỤY PHAN TÍN 38

: nhiệt độ Kelvin

d) Tụ kép (C dl )

Khi cho hai pha tiếp xúc với nhau thì giữa chúng hình thành bề mặt phân pha

và có sự phân bố lại điện tích giữa các pha Trên bề mặt phân pha sẽ tạo nên lớp điện tích kép và xuất hiện bước nhảy thế giữa các pha Lớp điện tích kép được hình thành do các ion từ dung dịch đính vào bề mặt điện cực và các điện tích trái dấu để cân bằng điện trong điện cực Điện tích trong điện cực phân tách với điện tích dung dịch một khoảng cách nhỏ cỡ angstroms Giá trị tụ điện của lớp điện kép phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau: nhiệt độ, nồng độ ion, loại ion, lớp oxi hóa, độ nhám của điện cực, tạp chất hấp phụ Để giải thích sự phân bố điện tích trong lớp kép và giá trị của điện dung Cdl, nhiều mô hình lớp điện tích kép đã được đưa ra: Helmholtz, Gouy-Chapman, Stern và Grahame [11]

 Mô hình Helmholtz (1879)

Mô hình về lớp điện tích kép được đưa ra đầu tiên bởi Helmholtz vào năm 1879

Mô này xem xét sự phân bố điện tích âm điện tích dương theo mô hình cổ điển

ở hai phía của mặt phẳng tiếp giáp để đưa ra thiết kế của một lớp điện tích kép,

mà ở đó các tương tác không bị kéo dài vào trong dung dịch Mô hình bề mặt tiếp giáp này có thể so sánh được với các vấn đề cổ điển của tụ điện mặt phẳng song song Một mặt phẳng là bề mặt tương tác giữa điện cực và dung dịch, bề mặt còn lại là lớp ion tích điện trái dấu trong dung dịch, liên kết chặt với điện cực

Để thuận lợi cho việc tính toán, các ion được coi như là các điện tích điểm, tuy nhiên do các ion có kích thước nên chúng chỉ có thể tồn tại mặt phẳng tiếp cận

cực đại cách bề mặt điện cực một khoảng xH Giá trị tụ điện được xác định bởi công thức:

NGỤY PHAN TÍN 39

Với ∈ là hằng số điện môi tương đối, ∈ là hằng số điện môi của môi trường chân không Giá trị của điện dung Cd không thay đổi khi điện áp áp lên tụ điện thay đổi

Hình 1 4 Mô hình Helmholtz a) Sự sắp xếp chặt của các ion; b) Sự thay đổi của C d khi áp điện thế

Tuy nhiên mô hình này khá đơn giản, bỏ qua các tương tác xa hơn trong dung dịch dẫn tới không giải thích ảnh hưởng của nồng độ dung dịch lên điện dung của lớp kép

E

++++

-

+

+ +

NGỤY PHAN TÍN 40

đơn giản như mô tả của Helmholtz mà có độ dày thay đổi Các ion phân tán tự

do trong dung dịch theo phân bố Boltzmann tạo thành lớp điện tích kép khuếch tán (Hình 1.5a)

Theo mô hình này điện dung lớp kép tốt hơn điện dung của tụ phẳng như đường cong mô phỏng hình 1.5b, nhưng chỉ tại các điện áp gần EZ, tại các vị trí xa hơn, theo giả thiết đầu tiên, Cd không phụ thuộc điện áp Giá trị Cd được xác định theo công thức:

Hình 1 6 Mô hình Stern a) Sự sắp xếp của các ion theo cách khuếch tán; b)

Sự thay đổi của C d với điện áp

Trong thuyết Gouy và Chapman, các ion được coi như các điện tích điểm Tuy nhiên trong thực tế các ion có kích thước xác định cho nên chúng chỉ có thể tiến đến mặt phẳng tiếp cận cực đại nào đó gần điện cực Stern đã kết hợp giữa mô

E

++

+

+

++