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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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 sớmNghiên 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
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THỊ NGỌC TRÂM 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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT Hà Nội - 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI ĐỖ THỊ NGỌC TRÂM 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 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Thị Ngọc Liên GS.TS Patrick Wagner Hà Nội - 2018 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tơi xin bày lòng biết ơn sâu sắc đến tập thể cán hướng dẫn PGS.TS Trương Thị Ngọc Liên trường Đại học Bách khoa Hà Nội GS.TS Patrick Wagner trường Đại học KU Leuven, Vương quốc Bỉ nhiệt tình bảo, định hướng giúp đỡ mặt khoa học để tơi hồn thành luận án tiến sĩ Tơi xin chân thành cảm ơn thành viên phòng thí nghiệm Cảm biến sinh học thuộc Bộ môn Vật liệu Điện tử, phòng thí nghiệm GS Yoshiakia Ukita thuộc Đại học Yamanashi Nhật Bản, phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia Vật liệu Linh kiện Điện tử, Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc Cơng nghệ nano y sinh thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ, Khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi giúp tơi thực thí nghiệm thời gian nghiên cứu Tôi xin chân thành cảm ơn hỗ trợ tài đề tài NAFOSTED mã số 103.99.2012.12, đề tài VLIR-UOS mã số ZEIN2013RIP022 đề tài AUN/SEED-Net CRC 2016-2018 Tôi xin cảm ơn tới ban lãnh đạo Viện Vật lý kỹ thuật trường Đại học Bách khoa Hà Nội tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ thời gian học tập Tôi xin cảm ơn tập thể thầy cô, anh chị bạn bè đồng nghiệp thuộc môn Vật liệu điện tử, Viện Hóa học Viện Cơng nghệ sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học Cơng nghệ Việt Nam hỗ trợ đóng góp ý kiến q báu mặt chun mơn trình thực đề tài Cuối cùng, tác giả xin dành tình cảm chân thành sâu sắc tới gia đình ln sát cánh, chia sẻ khó khăn, thơng cảm động viên suốt trình học tập, nghiên cứu Tác giả Đỗ Thị Ngọc Trâm i LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tác giả thực hướng dẫn PGS.TS Trương Thị Ngọc Liên GS.TS Patrick Wagner Các số liệu kết luận án trung thực chưa tác giả khác công bố công trình Tất cơng trình cơng bố chung với thầy hướng dẫn khoa học đồng nghiệp đồng ý tác giả trước đưa vào luận án Hà Nội, ngày…… tháng……năm 2018 TM tập thể hướng dẫn Tác giả luận án PGS.TS Trương Thị Ngọc Liên Đỗ Thị Ngọc Trâm ii MỤC LỤC DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG x DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ xi MỞ ĐẦU CHƯƠNG CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN BỆNH SỚM 1.1 Cảm biến sinh học 1.1.1 Đầu thu sinh học 1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu 13 1.1.3 Phương pháp cố định đầu thu sinh học 15 1.1.4 Các phương pháp cố định kháng thể 17 1.1.4.1 Hấp phụ vật lý 18 1.1.4.2 Liên kết cộng hóa trị 18 1.1.4.3 Ái lực tương tác sinh học 20 1.2 Cảm biến sinh học điện hóa 21 1.2.1 Điện cực điện hóa 21 1.2.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa 24 1.2.2.1 Cảm biến đo dòng 24 1.2.2.2 Cảm biến đo điện 26 1.2.2.3 Cảm biến đo độ dẫn 28 1.2.2.4 Cảm biến đo phổ tổng trở 29 1.3 Ung thư số chất dấu khối u 32 1.3.1 Chỉ dấu α-hCG ung thư tế bào mầm tinh 34 1.3.2 Chỉ dấu PSA ung thư tiền liệt tuyến 35 1.3.3 Chỉ dấu AFP ung thư gan nguyên phát 36 1.4 Nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng phát dấu khối u 36 1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 36 1.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 47 1.4.3 Định hướng nghiên cứu luận án 47 iii CHƯƠNG THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 49 2.1 Phương pháp điện hóa 49 2.1.1 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) 49 2.1.1.1 Mơ hình mạch điện tương đương Randles 50 2.1.1.2 Biểu diễn phổ tổng trở mặt phẳng phức 51 2.1.2 Phương pháp quét tuần hoàn (CV) 53 2.2 Phương pháp khảo sát tính chất hình thái học vật liệu 54 2.2.1 Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) 54 2.2.2 Phổ tán xạ lượng tia X (EDS) 54 2.2.3 Phổ tán xạ Raman 54 2.3 Công nghệ vi lưu ly tâm 55 2.3.1 Giới thiệu 55 2.3.2 Thiết kế quy trình chế tạo chíp vi lưu ly tâm 55 2.3.3 Vận chuyển dung dịch chíp vi lưu ly tâm 57 2.4 Quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến 58 2.4.1 Tổng hợp hạt nano vàng điện cực làm việc SPCE 58 2.4.2 Màng đơn lớp tự lắp ghép (SAM) alkanethiol 58 2.4.3 Tổng hợp vật liệu polyme phương pháp trùng hợp điện hóa 59 2.4.3.1 Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa 59 2.4.3.2 Vật liệu lai cấu trúc nano hai chiều polyme đồng trùng hợp PPy-PPa erGO 60 2.4.3.3 Vật liệu lai poly(p-ATP) hạt nano vàng 61 2.4.4 Cố định đầu thu sinh học liên kết cộng hóa trị 61 2.4.4.1 Liên kết cộng hóa trị thơng qua nhóm amin đầu thu sinh học 62 2.4.4.2 Liên kết cộng hóa trị thơng qua nhóm cacboxyl đầu thu sinh học 63 2.5 Khảo sát hoạt động cảm biến phổ tổng trở điện hóa 63 2.6 Quy hoạch số liệu thực nghiệm 65 2.6.1 Độ nhạy cảm biến 65 2.6.2 Khoảng tuyến tính cảm biến 66 2.6.3 Độ lặp lại cảm biến 66 2.6.4 Giới hạn phát cảm biến 66 iv 2.6.5 Độ chọn lọc cảm biến 67 CHƯƠNG CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU α-hCG ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN U TẾ BÀO MẦM TINH 68 3.1 Mở đầu 68 3.2 Thực nghiệm 69 3.2.1 Hóa chất 69 3.2.2 Điện cực linh kiện 70 3.2.3 Quy trình cố định mAb hCG điện cực vàng 71 3.2.4 Khảo sát hoạt động cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM 72 3.2.4.1 Vi cân tinh thể thạch anh 72 3.2.4.2 Khảo sát hoạt động cảm biến 73 3.2.5 Khảo sát hoạt động cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE 73 3.3 Kết thảo luận 74 3.3.1 Cảm biến miễn dịch nhạy khối lượng mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM 74 3.3.1.1 Hiệu suất cố định kháng thể 74 3.3.1.2 Đặc trưng chuẩn cảm biến 75 3.3.2 Cảm biến miễn dịch phổ tổng trở mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE 77 3.3.2.1 Đặc tính điện hóa sau bước cơng nghệ 77 3.3.2.2 Đặc trưng chuẩn cảm biến 79 3.4 Kết luận 81 CHƯƠNG CẢM BIẾN APTAMER PHÁT HIỆN CHỈ DẤU PSA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN 82 4.1 Mở đầu 82 4.2 Thực nghiệm 83 4.2.1 Hóa chất 83 4.2.2 Điện cực linh kiện 84 4.2.3 Tổng hợp hạt nano vàng điện cực SPCE 84 4.2.4 Cố định aptamer 86 4.3 Kết thảo luận 87 4.3.1 Cảm biến aptamer phổ tổng trở điện hóa 87 4.3.2 Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/SPAuE 88 v 4.3.2.1 Đặc tính điện hóa sau bước cơng nghệ 88 4.3.2.2 Ảnh hưởng nồng độ aptamer lên tín hiệu cảm biến 89 4.3.3 Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/AuNPs-SPCE 90 4.3.3.1 Phân tán aptamer 90 4.3.3.2 Đặc tính điện hóa sau bước công nghệ 93 4.3.3.3 Đặc trưng chuẩn cảm biến 95 4.3.3.4 Độ chọn lọc cảm biến 97 4.4 Kết luận 97 CHƯƠNG CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU AFP ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN UNG THƯ GAN 98 5.1 Mở đầu 98 5.2 Thực nghiệm 99 5.2.1 Hóa chất điện cực 99 5.2.2 Cố định mAb AFP lên điện cực PPy-PPa/SPCE PPy-PPa/erGO-SPCE 99 5.2.3 Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính SAM (p-ATP) 100 5.2.4 Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính vật liệu lai poly(p-ATP) hạt nano vàng 100 5.3 Kết thảo luận 101 5.3.1 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPy-PPa/SPCE 101 5.3.1.1 Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa điện cực SPCE 101 5.3.1.2 Tối ưu hóa tỷ số hợp phần monome Pa với Py 103 5.3.1.3 Đặc trưng chuẩn cảm biến 104 5.3.2 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPa-PPy/erGO-SPCE 107 5.3.2.1 Khử điện hóa GO SPCE 107 5.3.2.2 Hình thái học bề mặt điện cực 111 5.3.2.3 Đặc trưng chuẩn cảm biến 112 5.3.3 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/SAM (p-ATP)/AuNPs-SPCE 115 5.3.3.1 Ảnh hưởng mật độ hạt nano vàng 115 5.3.3.2 Ảnh hưởng thời gian tạo màng SAM 118 5.3.3.3 Đặc trưng điện hóa sau bước cơng nghệ 119 5.3.3.4 Đặc trưng chuẩn cảm biến 120 vi 5.3.4 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE 121 5.3.4.1 Poly(p-ATP) kết hợp hạt nano vàng điện cực AuNPs-SPCE 122 5.3.4.2 Phổ tán xạ Raman màng poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE 124 5.3.4.3 Đặc trưng điện hóa sau bước cơng nghệ 125 5.3.4.4 Đặc trưng chuẩn cảm biến 126 5.4 Kết luận 128 CHƯƠNG CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE 129 6.1 Glucose đường huyết 129 6.2 Cảm biến điện hóa enzyme GOx 130 6.3 Polyme ơxy hóa khử Osmium cảm biến GOx 133 6.4 Thực nghiệm 133 6.4.1 Hóa chất thiết bị 133 6.4.2 Quy trình chế tạo cảm biến (GOx/Osmium)n/AuNPs-SPCE 134 6.5 Kết thảo luận 135 6.5.1 Khảo sát hình thái bề mặt cấu trúc đa lớp (GOx/Osmium) 135 6.5.2 Khảo sát ảnh hưởng số lớp (GOx/Osmium) 136 6.5.3 Đáp ứng dòng-thế cảm biến (GOx/Osmium)4/AuNPs-SPCE 137 6.6 Kết luận 138 KẾT LUẬN 139 KIẾN NGHỊ 140 TÀI LIỆU THAM KHẢO 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 160 PHỤ LỤC - - vii DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Tiếng Anh Tiếng Việt Kháng thể Ab Antibody AFP Alpha-fetoprotein Ag Antigen Kháng nguyên AuNPs Gold nano-particles Hạt nano vàng BSA Bovine serum albumin Albumin huyết bò CA Chronoamperometry Kỹ thuật đo dòng – thời gian CV Cyclic voltammetry Kỹ thuật quét tuần hoàn DNA Deoxyribo nucleic acid Axít deoxyribonucleic DPV Different pulse voltammetry Kỹ thuật đo dòng-thế xung vi phân EDC 1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodimide EDS Energy dispertive spectroscopy Phổ tán xạ lượng EIS Electrochemical impedance spectroscopy Phổ tổng trở điện hóa ELISA Enzyme linked immuno sorbent assay Kỹ thuật miễn dịch gắn enzyme FAD Flavin adenine dinucleotide GDH Glucose dehydrogenase Enzyme glucose dehydrogenase GMC Graphitized mesoporous carbon Các bon lỗ xốp trung bình GOx Glucose oxidase Enzyme glucose oxidase hCG Human chorionic gonadotropin IGCA Immunogold chromatographic assay IUPAC Internatonal union of pure and applied Hiệp hội Quốc tế hóa học hóa chemistry học ứng dụng LOD Limit of detection Giới hạn phát mAb monoclonal antibody Kháng thể đơn dòng MHDA 16-Mercaptohexadecanoic acid Axít 16-mercaptohexadecanoic viii Kỹ thuật miễn dịch sắc kí sử dụng hạt vàng ... THỊ NGỌC TRÂM 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 Ngành: Vật lý kỹ thuật Mã số: 9520401 LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT... hóa ba điện cực sử dụng điện cực làm việc GCE 22 Hình 1.16 Điện cực điện hóa in lưới màng dầy (a) hệ điện cực, (b) hệ điện cực 23 xi Hình 1.17 Điện cực in lưới mực in bon hãng Dropsen... Kháng thể cố định bề mặt điện cực thông qua lực tương tác Avidin/ Streptavidin với Biotin [181] 21 Hình 1.15 Điện cực bon thủy tinh (Glassy carbon electrode - GCE) hệ điện hóa ba điện cực