Nghiên cứu và chế tạo cảm biến sinh học điện hoá độ nhạy cao sử dụng điện cực in các bon ứng dụng trong chẩn đoán bệnh sớm (tt)

Cảm biến sinh học điện hóa với ưu điểm độ nhạy và độ chọn lọc cao, thời gian phân tích ngắn, cho phép phát hiện chất cần phân tích ở nồng độ thấp, đơn giản và rẻ tiền, khả năng tích hợp

1

MỞ ĐẦU

Ung thư là bệnh có tỷ lệ bệnh nhân tử vong cao đứng thứ hai trên thế giới với hơn 200 loại ung thư khác nhau Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) xếp Việt Nam ở vị trí 78 trên 172 quốc gia, vùng lãnh thổ được khảo sát với tỉ lệ tử vong 110/100.000 người, nằm trong 50 nước thuộc nhóm 2 của bản đồ ung thư thế giới Tuy nhiên, phần lớn bệnh nhân mắc bệnh ung thư tại Việt Nam đến khám

và điều trị ở giai đoạn khối u đã chuyển thành ác tính và di căn nên tỷ lệ chữa khỏi bệnh là thấp, chi phí điều trị tốn kém Hiện nay, việc khám và chữa bệnh ung thư tại các bệnh viện chủ yếu dựa vào các phương pháp truyền thống như siêu âm, chụp cộng hưởng từ và sinh thiết Kết quả của các phương pháp này phụ thuộc vào kích thước và đặc tính của khối u nên thường phát hiện khi bệnh

ở giai đoạn đã phát triển và không hiệu quả trong phát hiện ung thư giai đoạn sớm Các chỉ dấu khối u thường được sinh ra từ tế bào ung thư và biểu mô và

có nồng độ cao hơn mức ở người bình thường Các chỉ dấu khối u có thể xác định được bằng các kỹ thuật truyền thống như ELISA, PCR, miễn dịch phóng

xạ (RIA), phổ huỳnh quang, phổ khối và sắc kí Các kỹ thuật này cho phép phát hiện chỉ dấu khối u với độ chính xác và độ chọn lọc cao; tuy nhiên yêu cầu thời gian phân tích lâu, chi phí hóa chất cao, phân tích đơn lẻ từng chất chỉ dấu Cảm biến sinh học điện hóa với ưu điểm độ nhạy và độ chọn lọc cao, thời gian phân tích ngắn, cho phép phát hiện chất cần phân tích ở nồng độ thấp, đơn giản và rẻ tiền, khả năng tích hợp trong các thiết bị đo cầm tay ứng dụng phép phân tích tại chỗ đang là phương pháp được ưu tiên lựa chọn để phát hiện

chỉ dấu khối u Chính vì vậy, tác giả quyết định chọn đề tài “Nghiên cứu và

chế tạo cảm biến sinh học điện hóa độ nhạy cao sử dụng điện cực in các bon ứng dụng trong chẩn đoán bệnh sớm”

Mục tiêu nghiên cứu của luận án:

(1) Phát triển cảm biến sinh học phổ tổng trở điện hóa sử dụng điện cực in lưới thương mại với chi phí thấp hướng đến ứng dụng thực tế trong các thiết bị cầm tay

(2) Cải tiến và phát triển các kỹ thuật biến tính bề mặt điện mực in các bon nhằm nâng cao hiệu suất cố định đầu thu sinh học cũng như tăng cường đáp ứng tín hiệu đối với cảm biến phổ tổng trở điện hóa

(3) Chế tạo cảm biến sinh hóa điện hóa có độ nhạy và độ chọn lọc cao phát hiện chỉ dấu khối u (bao gồm các kháng nguyên α-hCG, PSA, AFP) ứng dụng trong chẩn đoán sớm một số bệnh ung thư và cảm biến điện hóa enzyme xác định glucose trong máu

Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu:

Phương pháp nghiên cứu của luận án là phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

2

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:

- Về lý luận khoa học: các kết quả thu được của luận án đã góp phần làm sáng

tỏ cơ chế hoạt động cảm biến sinh học điện hóa phổ tổng trở sử dụng đầu thu sinh học tự nhiên (kháng thể) và đầu thu sinh học bán tổng hợp aptamer

- Về thực tiễn: kết quả nghiên cứu của luận án hướng tới phát triển cảm biến sinh học có cấu trúc đơn giản, giá thành thấp, thời gian phân tích ngắn, độ nhạy

và độ chọn lọc cao, cho phép phát hiện chỉ dấu khối u trong giai đoạn sớm của bệnh Cảm biến sinh học đã chế tạo có định hướng ứng dụng trong các thiết bị cầm tay đáp ứng yêu cầu xét nghiệm tại chỗ

Những đóng góp mới của luận án:

1 Luận án đã đóng góp các kết quả mới về công nghệ chế tạo hạt nano vàng phân tán đều trên bề mặt điện cực in lưới mực in các bon nhằm thay thế điện cực in lưới mực in vàng Hơn thế nữa giải pháp công nghệ này giúp phân tán đều đầu thu sinh học trên bề mặt điện cực, nhờ đó nâng cao hiệu suất bắt cặp giữa đầu thu và chỉ dấu sinh học cần phân tích

2 Luận án đóng góp ba giải pháp biến tính bề mặt điện cực in lưới mực in các bon bằng hệ vật liệu mới nhằm nâng cao hiệu suất cố định đầu thu sinh học

và đáp ứng tín hiệu đối với cảm biến phổ tổng trở điện hóa Hệ vật liệu bao gồm: (i) Polyme dẫn đồng trùng hợp polypyrrole-polypyrrole cacboxyl (PPy-PPa); (ii) Vật liệu lai cấu trúc nano hai chiều giữa polyme đồng trùng hợp PPy-PPa và ôxít graphene dạng khử điện hóa (erGO); (iii) Vật liệu lai giữa poly(para-aminothiophenol) và hạt nano vàng

3 Ứng dụng thành công đầu thu sinh học bán tổng hợp aptamer trong chế tạo cảm biến phổ tổng trở điện hóa xác định chỉ dấu ung thư tiền liệt tuyến Kết quả nghiên cứu này là tiền đề cho định hướng nghiên cứu về cảm biến phổ tổng trở điện hóa phát hiện chỉ dấu sinh học với chi phí thấp, không yêu cầu điều kiện bảo quản nghiêm ngặt

4 Ứng dụng thành công cấu trúc đa lớp giữa vật liệu polyme ôxy hóa-khử Osmium và enzyme trong cảm biến cảm biến điện hóa enzyme thế hệ thứ

2 Kết quả nghiên cứu này là tiền đề cho định hướng nghiên cứu về cảm biến điện hóa đo dòng phát hiện chỉ dấu sinh học trên cơ sở tác nhân sinh học enzyme

5 Xây dựng quy trình chế tạo quy mô phòng thí nghiệm 06 cảm biến điện hóa

sử dụng điện cực in lưới mực in các bon cho phép xác định nồng độ chỉ dấu khối u trong ngưỡng phát hiện sớm các bệnh ung thư (ung thư u tế bào mầm tinh, ung thư tiền liệt tuyến và ung thư gan) Các cảm biến đã chế tạo có độ nhạy và độ chọn lọc cao, yêu cầu lượng mẫu phân tích nhỏ (cỡ 3µL), thời gian phân tích nhanh (khoảng 30 phút), thao tác đơn giản, có khả năng tích hợp với thiết bị cầm tay

Chương 4 Cảm biến aptamer phát hiện chỉ dấu PSA ứng dụng chẩn đóa ung

thư tiền liệt tuyến

Chương 5 Cảm biến miễn dịch phát hiện chỉ dấu AFP ứng dụng chẩn đoán

ung thư gan

Chương 6 Cảm biến điện hóa glucose

CHƯƠNG 1 CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN BỆNH SỚM

1.1 Cảm biến sinh học

Theo Hiệp hội Quốc tế về Hóa học và Hóa học ứng dụng (IUPAC – Internatonal Union of Pure and Applied Chemistry), cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin, phân tích định lượng hoặc bán định lượng của chất cần phân tích thông qua việc sử dụng đầu thu sinh học được cố định lên bộ phận chuyển đổi tín hiệu [101, 168] Cấu tạo của một cảm biến sinh học bao gồm ba phần chính: đầu thu sinh học, bộ phận chuyển đổi và bộ phận xử lý đọc tín hiệu

1.2 Cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là cảm biến hoạt động dựa trên nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu do tương tác sinh học thành tín hiệu điện của hệ điện hóa (tín hiệu dòng, tín hiệu điện áp, tín hiệu độ dẫn, tín hiệu tổng trở) [123, 263] Cảm biến loại này có ưu điểm như thời gian đáp ứng nhanh, độ nhạy và độ chọn lọc cao và được ứng dụng trong các phép phân tích y sinh trong y tế, trong công nghệ sinh học thực phẩm hoặc kiểm soát các thông số môi trường [24, 188, 207]

Cảm biến sinh học phổ tổng trở điện hóa dựa trên nguyên tắc nhận biết tương tác sinh học xảy ra trên bề mặt điện cực và làm thay đổi trở kháng phức của hệ điện hóa Phép đo phổ tổng trở được khảo sát trong dung dịch điện ly

có cặp chất ôxy hóa-khử được gọi là phổ tổng trở Faradaic (EIS faradaic); trong dung dịch điện ly không có cặp chất ôxy hóa-khử được gọi là phổ tổng trở không Faradaic (EIS nonfaradaic) [31] Mô hình mạch tương đương Randles được áp dụng đối với hệ điện hóa khảo sát trong dung dịch điện ly có cặp chất ôxy hóa-khử, bao gồm 3 thành phần là Rs là điện trở của dung dịch điện ly, Rct điện trở truyền điện tích, Cdl là điện dung lớp kép, trở kháng Warburg ZW

1.2.1 Điện cực điện hóa

4

Hình 1.18 Điện cực in lưới màng dày của hãng BioDevice Technology (Nhật Bản)

(a) điện cực làm việc mực in các bon; (b) điện cực làm việc mực in vàng

Điện cực in lưới màng dày có nhiều ưu điểm như: giá thành thấp, cho phép sản xuất hàng loạt, thiết kế linh hoạt, độ lặp lại cao, nguồn nguyên liệu phong phú Điện cực làm việc sử dụng mực in cácbon hay kim loại (vàng hoặc platin), điện cực so sánh sử dụng mực in Ag/AgCl Mực in cácbon với ưu điểm dòng phông nền thấp và giá thành rẻ và khả năng tương thích sinh học cao nên được lựa chọn trong cảm biến sinh học [151]

1.2.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa

1.2.2.1 Cảm biến đo dòng

1.2.2.2 Cảm biến đo điện thế

1.2.2.3 Cảm biến đo độ dẫn

1.2.2.4 Cảm biến đo phổ tổng trở

1.3 Ung thư và một số chỉ điểm khối u

1.3.1 Chỉ dấu hCG và ung thư tế bào mầm tinh

hCG (Human chorionic gonadotropin) thuộc họ nội tiết glycoprotein được sản sinh từ các cộng bào nuôi của nhau thai và tế bào mầm của khối u [31] Nồng độ hCG đối với người bình thường ở cả nam và nữ không mang thai nằm trong khoảng 0 ÷ 5 mIU/mL; đối với phụ nữ tiền mãn kinh là thấp hơn 9,5 mIU/mL Khi nồng độ chỉ dấu hCG tăng thì có thể bệnh nhân mắc các bệnh lý liên quan đến u lá nuôi thời kì thai nghén đối với nữ, u tế bào mầm xuất hiện trong cơ quan sinh dục của cả nam và nữ [12, 18, 68, 153]

1.3.2 Ung thư tiền liệt tuyến và kháng nguyên PSA

PSA là một glycoprotein được mã hóa bởi gen KLK3 (Kallikrein-3) được tiết ra bởi các tế bào biểu mô của tuyến tiền liệt bình thường và mô bướu [14, 128] Nồng độ PSA trong huyết thanh thường thấp hơn 4 ng/mL và gia tăng trong ung thư tiền liệt tuyến (UTTLT) cũng như một số bệnh lý khác như phì đại tuyến tiền liệt, viêm tuyến tiền liệt Giá trị nồng độ PSA nằm trong “vùng xám” có giá trị từ 4 đến 10 ng/mL có nguy cơ mắc UTTLT

1.3.3 Chỉ dấu sinh học AFP và ung thư gan nguyên phát

AFP là chỉ dấu sinh học ứng dụng trong chẩn đoán và điều trị ung thư gan nguyên phát Người bình thường có AFP thấp hơn 10 ng/mL AFP tăng cao

Điện cực làm việc cácbon (2,64 mm 2 ) Điện cực đối

Điện so sánh Ag/AgCl

Vùng mặt

nạ không thấm nước

Tiếp xúc thiết bị

Điện cực làm việc vàng (3,67 mm 2 )

5

trong phần lớn bệnh nhân ung thư gan nguyên phát và bệnh viêm gan siêu vi

Ở người có khối u bướu gan mà không có bệnh lý ở gan trước đó, ngưỡng AFP tăng cao hơn 100 ng/mL có giá trị chẩn đoán ung thư gan nguyên phát

1.4 Nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng phát hiện chỉ dấu khối u

CHƯƠNG 2 THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp điện hóa

2.1.1 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS)

Phổ tổng trở điện hóa là một công cụ hiệu quả cho phép nghiên cứu các hiện tượng hóa lý xảy ra trên bề mặt phân chia rắn-lỏng Nguyên lý của EIS dựa trên việc phân tích trở kháng phức thu nhận được khi đặt điện áp xoay chiều lên hệ điện hóa với tần số được thay đổi liên tục từ giá trị cao đến thấp

Ưu điểm của cảm biến sinh học điện hóa phổ tổng trở là điện áp đặt trên điện cực rất nhỏ nên không làm ảnh hưởng đến hoạt tính của các thành phần sinh học Phổ trở kháng phức thực nghiệm được mô phỏng bằng mô hình mạch tương đương Randles

2.1.2 Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV)

Nguyên lý cơ bản của phương pháp CV là áp đặt một điện thế biến đổi tuần hoàn lên điện cực làm việc và ghi lại dòng tuân theo định luật Nernst Phương pháp này cho phép điều khiển quá trình phản ứng điện hóa thông qua các thông

số điện áp, tốc độ quét thế Trong nội dung luận án, tác giả sử dụng phương pháp CV để tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực SPCE, tổng hợp vật liệu polyme, khử điện hóa graphene oxít trên điện cực SPCE Ngoài ra, phương pháp CV còn giúp cho việc phân tính tính chất lớp vật liệu polyme biến tính trên bề mặt điện cực và đánh giá tương tác kháng nguyên – kháng thể thông qua việc xác định các thông số đặc trưng Epa, Epc, Ipa, Ipc

2.2 Phương pháp khảo sát tính chất và hình thái học vật liệu

2.3 Công nghệ vi lưu ly tâm

2.3.1 Giới thiệu

2.3.2 Thiết kế và quy trình chế tạo chíp vi lưu ly tâm

Chíp vi lưu ly tâm kiểu cấu trúc van xi phông bằng phương pháp khuôn đúc sử dụng vật liệu polydimethylsiloxane (PDMS) ứng dụng kết hợp với điện cực thương mại của hãng DropSens mã DRP-110 và DRP-AUTR10 Việc thu nhỏ kích thước buồng phản ứng sẽ giảm đáng kể lượng dung dịch hóa chất và mẫu phân tích tiêu hao từ 100 µL trong phương pháp nhỏ giọt giảm xuống còn

5 µL

6

Hình 2.8 Thiết kế giá đỡ gắn với trục quay của máy ly tâm: a) Thứ tự lắp ghép chíp vi lưu

và điện cực; b) Vị trí bốn hệ chíp vi lưu-điện cực được cố định đồng thời trên giá đỡ

2.4 Quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến

2.4.1 Tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực làm việc SPCE

Tiến hành tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực SPCE bằng phương pháp quét thế tuần hoàn Tiến hành nhỏ 35 µL dung dịch HAuCl4 100 µM pha trong dung dịch đệm PBS 100 mM lên trên bề mặt SPCE sao cho bao phủ cả 3 điện cực (bao gồm cả Ag/AgCl, điện cực đối và điện cực làm việc) Tiến hành quét thế tuần hoàn từ -0,6 V ÷ +0,5 V vs Ag/AgCl, tốc độ quét 50 mV/s và bước

nhảy 10 mV

2.4.2 Màng đơn lớp tự lắp ghép (SAM) alkanethiol

- Màng đơn lớp tự lắp ghép SAM (MHDA): Axít 16-mercaptohexadecanoic

(MHDA) là axít hữu cơ chuỗi mạch dài gồm 16 nguyên tử các bon, có một đầu

là nhóm cacboxyl (-COOH) và đầu còn lại là nhóm thiol (-SH) Ngâm toàn bộ phần điện cực làm việc của cảm biến trong 100 µL dung dịch MHDA nồng độ

1 mM phân tán trong dung môi ethanol và giữa tại nhiệt độ phòng trong 12 giờ Sau bước này trên bề mặt điện cực hình thành màng SAM có nhóm chức cacboxyl hướng lên trên bề mặt

- Màng đơn lớp tự lắp ghép SAM (p-ATP): Phân tử p-ATP có cấu trúc mạch

vòng benzen có gắn nhóm chức thiol (-SH) và nhóm chức amin (-NH2) tại vị trí para Điện cực làm việc của cảm biến được ngâm trong 100 µL dung dịch của p-ATP nồng độ 25 mM phân tán trong dung môi ethanol và được ủ tại nhiệt độ phòng trong khoảng thời gian từ 6 đến 24 giờ Như vậy, sau bước này

bề mặt điện cực cảm biến hình thành màng SAM có nhóm amin hướng lên trên bề mặt

2.4.3 Tổng hợp vật liệu polyme bằng phương pháp trùng hợp điện hóa

2.4.3.1 Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa

2.4.3.2 Vật liệu lai cấu trúc nano hai chiều giữa polyme đồng trùng hợp PPa và erGO

PPy-2.4.3.3 Vật liệu lai poly(p-ATP) và hạt nano vàng

2.4.4 Cố định đầu thu sinh học bằng liên kết cộng hóa trị

Chip vi lưu

Điện cực

Giá đỡ

7

2.4.4.1 Liên kết cộng hóa trị thông qua nhóm amin của đầu thu sinh học

cacboxyl (-COOH) trên bề mặt điện cực sử dụng hợp chất NHS và EDC [260]

2.4.4.2 Liên kết cộng hóa trị thông qua nhóm cacboxyl của đầu thu sinh học

Hình 2.12 Cơ chế phản ứng tạo liên kết giữa nhóm cacboxyl (-COOH) của kháng thể và

2.5 Khảo sát hoạt động của cảm biến phổ tổng trở điện hóa

Bước 1 Chuẩn bị mẫu chỉ dấu sinh học cần phân tích

Bước 2 Phản ứng đặc hiệu giữa đầu thu sinh học và chỉ dấu sinh học phân tích Bước 3 Khảo sát phổ tổng trở điện hóa

O OH

O

SPAuE O

S O

S O

S O

S

O

O N O N O O N O O N O O N O

S O

SPAuE O

S O

S O

S S O

Loại bỏ các liên kết không đặc hiệu

S O

SPAuE O

S O

S O

S S

O O

Hình 3.3 Quy trình công nghệ cố định mAb α-hCG lên điện cực vàng thông qua màng SAM

3.2.4 Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb α-hCG/SAM(MHDA)/QCM

Cảm biến dựa trên linh kiện QCM được khảo sát ở chế độ đo trong pha lỏng động, độ dòng chảy của dung dịch là 3 mL/giờ, độ pH của dung dịch đo

là 7,4 [64] Sự suy giảm tín hiệu tần số cộng hưởng của linh kiện QCM được ghi nhận ngay trong quá trình bơm dung dịch Thời gian cho mỗi phép phân tích khảo sát tương tác kháng nguyên-kháng thể là 80 phút

9

3.2.5 Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb α-hCG/SAM(MHDA) /SPAuE

Cảm biến được tiến hành đo phổ trở kháng phức trong dung dịch gồm có 0,1

M KCl và 5 mM [Fe(CN)6]3-/4- trong dải tần số từ 100 kHz đến 50 mHz tại thế một chiều 0,16V và thế xoay chiều 10

mV Sử dụng phần mềm khớp (fit) phổ

tổng trở với mô hình mạch tương

đương Randles và xác định giá trị của

thành khối điện môi cản trở quá trình

truyền điện tích đến điện cực, Rct tăng

theo lượng kháng nguyên bắt cặp với

kháng thể

3.3 Kết quả và thảo luận

3.3.1 Cảm biến miễn dịch nhạy khối lượng mAb α- hCG/SAM(MHDA)/QCM

3.3.1.1 Hiệu suất cố định kháng thể

Hiệu suất cố định kháng thể đánh giá theo công thức (Nkháng thể/NNHS) x 100%; kết quả thu được là 2,88% cao hơn so với nghiên cứu của Wang chỉ là 0,14% [299] Như vậy có thể thấy quy trình cố định kháng thể chúng tôi nghiên cứu

là hoàn toàn phù hợp

3.3.1.2 Đặc trưng chuẩn của cảm biến

Khảo sát thống kê với 03 cảm biến độc lập với cùng quy trình chế tạo, tần

số suy giảm mạnh trong khoảng nồng độ kháng nguyên từ 100 pg/mL đến 7,0

Hình 3.6 Độ dịch tần sau mỗi bước chế tạo của

cảm biến nhạy khối lượng sử dụng QCM 5 MHz

-700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0

Hình 3.8 Đường đặc trưng chuẩn

của cảm biến nhạy khối lượng

Hình 3.5 Nguyên lý hoạt động của cảm

biến miễn dịch phổ tổng trở điện hóa

∆R CT -Z im (Ω)

Z re (Ω)

W

R S

R CT Z W Cdl

R S

[Fe(CN) 6 ]

3-/4-e [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

-e

-[Fe(CN) 6 ]

3-/4-e [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

-10

ng/mL và suy giảm không đáng kể khi nồng độ kháng nguyên tăng trong khoảng từ 12 đến 27 ng/mL

3.3.2 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb α-hCG/SAM(MHDA) /SPAuE

Khảo sát với 5 mẫu trắng và 3 mẫu cảm biến độc lập ứng với mỗi điểm nồng độ Kết quả cho thấy Rct thay đổi tuyến tính trong khoảng nồng độ kháng nguyên từ 4 đến 100 ng/mL, giới hạn phát hiện của cảm biến là 9,35 ng/mL với diện tích điện cực làm việc là 3,67 mm2

CHƯƠNG 4 CẢM BIẾN APTAMER PHÁT HIỆN CHỈ DẤU PSA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN

Hình 3.11 Đường đặc trưng chuẩn của

cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA) /SPAuE

11

Hình 4.2 (a) Ảnh hiển vi điện tử quét bề mặt điện cực mực in các bon, (b) Điện cực mực in

các bon SPCE của hãng BioDevice Technology, (c) Hệ thiết bị điện hóa Vertex Invium

4.3 Kết quả và thảo luận

4.3.1 Cảm biến aptamer phổ tổng trở điện hóa

Do DNA aptamer có kích thước nhỏ hơn kháng thể và mang điện tích âm nên tín hiệu của cảm biến có thể được giải thích liên quan đến hai cơ chế xảy

ra đồng thời Đối với cảm biến aptamer sự tăng hay giảm của giá trị Rct phụ thuộc vào cơ chế nào chiếm ưu thế hơn

Kháng nguyên PSA; Aptamer; Ethanolamine; S

[Fe(CN) 6 ] [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

S S S

[Fe(CN) 6 ]

3-/4-e [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

-SPCE

PSA

S

S [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

S

O [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

AuNP

[Fe(CN) 6 ]

3-/4-e

-S S [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

AuNP

S OH

S

S

S S

AuNP

S

O [Fe(CN) 6 ] 3-/4-

AuNP SPCE

[Fe(CN) 6 ]

3-/4-e

-Hình 4.5 Mô hình quá trình động học xảy ra trên bề mặt điện cực trong phép đo trở kháng

AuNPs-SPCE

Cơ chế về hàng rào tĩnh điện: Aptamer được cố định trên bề mặt điện cực sẽ

hình thành hàng rào điện thế âm cản trở điện tử truyền đến bề mặt điện cực Nếu kháng nguyên mang điện tích dương khi phản ứng với aptamer sẽ làm giảm hàng rào tĩnh điện giúp cho sự chuyển điện tử đến điện cực dễ dàng và điện trở Rct giảm [100, 115]

Cơ chế về hiệu ứng không gian: Khi kháng nguyên liên kết đặc hiệu với

aptamer sẽ tạo thành khối điện môi trên bề mặt điện cực, tạo thành vùng không gian cản trở quá trình truyền điện tích đến điện cực dẫn tới Rct tăng [39, 57,

108, 175]

12

4.3.2 Cảm biến PSA-Aptamer/SAM (MHDA)/SPAuE

4.3.2.1 Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ

Aptamer ( 5  g/mL ) /SAM (MHDA)/SPAuE

PSA ( 10 ng/mL ) /Aptamer/SAM (MHDA)/SPAuE

(a)

0 2 4 6 8 10

(e) (d)

(b)

Hình 4.6 Phổ EIS sau mỗi bước công nghệ

chế tạo của cảm biến

PSA-aptamer/SAM(MHDA)/SPAuE

Hình 4.11 Phổ EIS sau mỗi bước công

nghệ chế tạo của cảm biến aptamer/SAM(MHDA)/AuNPs-SPCE

PSA-Kết quả phép đo phổ tổng trở đã cho thấy aptamer được cố định thành công trên bề mặt điện cực thông qua màng SAM của MHDA cũng như đã xảy ra tương tác đặc hiệu giữa aptamer và kháng nguyên PSA trên bề mặt điện cực cảm biến Với điện cực AuNPs-SPCE, hiệu suất cố định aptamer là 56% trong khi điện cực SPAuE là 72% Tuy nhiên, độ nhạy của cảm biến cảm biến sử dụng AuNPs-SPCE đạt 73% trong khi giá trị này chỉ đạt 18% đối với cảm biến

sử dụng điện cực planar SPAuE Việc sử dụng điện cực AuNPs-SPCE giúp phân tán aptamer và tăng hiệu suất bắt cặp giữa aptamer và kháng nguyên PSA

4.3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ aptamer lên tín hiệu cảm biến trên điện cực SPAuE

Trên điện cực SPAuE xác suất cố định aptamer trên điện cực vàng lớn nên hiệu ứng màn chắn tĩnh điện sẽ chiếm ưu thế Tín hiệu cảm biến thăng giáng và không theo quy luận nhất định Đường chuẩn của cảm biến không đáp ứng được yêu cầu tuyến tính trong dải nồng độ thuộc “vùng xám” trong xét nghiệm chẩn

đoán UTTLT