Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN trên cơ sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong y sinh học

MẲU 14/KHCN (Ban hành kèm th eo Q u yế t định s ổ /Q Đ -Đ H Q G H N n g y th n g 10 năm c ủ a G iả m đ ố c Đ i h ọc Q u ố c g ia H N ộ i) ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI BÁO CÁO TỎNG KÉT KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI HỌC QUÓC GIA Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng y sinh học Mã số đề tài: QGTĐ 12.01 Chủ n h iệm đ ề tài: GS.TSKH Nguyễn Hoàng Lương đ h ọ c QUÔC g i a h NỘl_ ị t r u n g tầ m t h õ n g T!N THƯV1ẸN 000£000045® Hà Nội, 2015 _ PH ÀN I TH Ô NG TIN CHUNG 1.1 Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN sở m àng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng y sinh học 1.2 M ã số: QGTĐ.12.01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Chức danh, học vị, họ tên Đơn vị cơng tác GS.TSKH Nguyễn Hồng Lương Trường Đại học Khoa học Tự nhiên PGS.TS Nguyễn Hồng Hải Vai trò thực đề tẩi Chủ trì Đại học Quốc gia Hà Nội Thành viên TS Nguyễn Hoàng Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thư ký PGS.TS Mai Anh Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Thành viên PGS.TS Nguyễn Thế Bình Đại học Quốc gia Hà Nội Thành viên PGS.TS Chừ Đức Trình Trường Đại học Cơng nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội Thành viên ThS Lun Mạnh Quỳnh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành viên ThS Nguyễn Minh Hiếu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành viên 1.4 Đơn vị chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội 1.5 Thòi gian thực hiện: 1.5.1 Theo họp đồng: từ tháng năm 2012 đến tháng năm 2015 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng năm 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng năm 2012 đến tháng năm 2015 1.6 Những thay đổi so vói thuyét minh ban đầu (nếu có): (v ề mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến C quan quản lý) - Tên đề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng y sinh học” theo thuyết minh đề cương đề tài phê duyệt - M ốc thời gian mục 19 (Tóm tắt kế hoạch lộ trình thực hiện) thuyết minh đề cương đề tài phê duyệt dịch chuyển tháng 6/2012 để phù họp với thời điểm đề tài phê duyệt 23/5/2012 - Đây đề tài nghiên cứu khoa học Đại học Quốc gia Hà N ội hợp tác Đại học Quốc gia Hà N ội Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Cho đến Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh chưa phê duyệt đề tài Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh tham gia hợp tác Do vậy, sàn phẩm đề tài số báo đăng tạp chí quốc tế giài pháp hữu ích là: - Số báo đăng tạp chí quốc tế: 02 - Số giài pháp hữu ích: Khơng Các thay đổi Đại học Quốc gia Hà Nội phê duyệt ngày 08/10/2013 1.7 Tổng kinh phí đưực phê duyệt đề tài: 1200 triệu đồng PHẢN II TỎNG QUAN KÉT QUẢ NGHIÊN c ứ u Đặt vấn đề Dịch bệnh virut gây nên hiểm họa khơng chi Việt Nam mà vấn đề giới thách thức nhà khoa học việc tìm kiếm phương pháp phương tiện, thiết bị để phát hiện, phân lập, điều trị hạn chế, phòng ngừa dịch bệnh Việc phát sớm nguồn gây bệnh loại virut gây hỗ trợ nhiều công tác điều trị, khoanh vùng, dập dịch sau Các phương pháp phân tích nhanh virut thường sừ dụng nuôi cấy tế bào, ELISA, PCR, nhiên phương pháp đòi hỏi việc lấy mẫu, thao tác mẫu với yêu cầu khắt khe thiết bị, sinh phẩm đắt tiền, phải thực phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn Tổ chức Y tế giới với người đào tạo Hơn nữa, phương pháp truyền thống phải chờ từ vài đến vài ngày có kết quà Để bổ sung cho phương pháp truyền thống trên, phương pháp hiệu dùng để phát nhanh virut phát triển sâu rộng gần sử dụng cảm biển sinh học có độ nhạy cao, độ chọn lọc cao, dễ dàng sử dụng, thời gian phân tích nhanh cho kết đáng tin cậy Càm biến chia thành ba loại cảm biến vật lý, hóa học sinh học Cảm biến vật lý hoạt động dựa thay đổi tính chất vật lý bề mặt cùa cảm biến sinh trình đo đạc thường dùng để đo khoảng cách, nhiệt độ, áp suất, Cảm biến hóa học hoạt động dựa biến đổi hóa học chất thơng qua phản ứng hóa học thuờng dùng để phát chất độc hại Cảm biển sinh học loại cảm biến dựa sờ loại cảm biến vật lý hóa học sử dụng để phát biến đổi chất dựa phản ửng sinh học Việc phát triển cảm biến sinh học đáp ứng tốt yêu cầu kỹ thuật thị trường vấn đề viện nghiên cứu hãng sản xuất hàng đầu giới quan tâm, đầu tư Cảm biến sinh học cỏ cấu tạo đặc biệt bao gồm phận cảm nhận sinh học kết hợp với chuyển đổi tín hiệu Thành phần cảm nhận sinh học thường vật liệu sinh học liên kết phản ứng với chất (chất cần phân tích) sinh sản phẩm làm thay đổi tín hiệu q trình phân tích Thành phần sinh học hoạt động yếu tố nhận biết liên kết với chuyển đổi tín hiệu Đây thành phần quan trọng cảm biến sinh học, ảnh hường đến độ nhạy độ chọn lọc càm biến Hiện nay, thành phần sinh học đuợc sử dụng cảm biến sinh học chủ yếu loại enzym, ADN, ARN, kháng thể vật liệu sinh học khác Bộ phận chuyển đổi hay gọi cảm biển chuyển đổi tín hiệu khơng điện phản ứng sinỉ học tạo thành tín hiệu điện, quang, nhiệt Tín hiệu định lượng địnỉ tính, phụ thuộc vào ứng dụng loại chuyển đổi cảm biến sinh học Một nhữnị loại cảm biến sinh học quan trọng càm biến ADN hoạt động dựa chế phát bắt cặ] chuỗi AD N dò gắn bề mặt cảm biến chuỗi ADN đích đối tượng cần đo Khi có bắt cặp (lai hóa) mật độ điện tích bề mặt cảm biến có phân bố lại, làm thay đổ điện trở trở kháng bề mặt Nồng độ ADN dò đích lớn tín hiệu thu càn] lớn (ờ nhiệt độ) Hiện nghiên cứu phát triển cảm biến ADN tập trung chủ yếu vài cải thiện độ nhạy, tính chọn lọc khà lặp lại cảm biến sinh học Gần đây, kết họp công nghệ vi điện tử, sinh học phân tử vật liệu nano làm cho cảm biến sinh học ngày ứng dụng nhiều lĩnh vực Nhũng năm 90 kỳ trước, nhóm Fodor công bố kỹ thuật liên quan tới việc gắn kết đoạn mã A D N lên bề mặt cảm biển để phát đồng thời nhiều thông tin, sử dụng phương pháp đánh dấu [1-3] Những phương pháp đòi hỏi nhiều kiến thức di truyền học sinh học phân tử nhiều bước phân tích tương đối phức tạp Thêm vào đó, việc sử dụng phương pháp đánh dấu phần tử AD N thách thức cho nhà khoa học tối ưu thông số đo đạc Sau nhiều nhóm khác cơng bố kết với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo cảm biến nhanh hơn, nhạy hon sử dụng phương pháp phân tích không đánh dấu Năm 1998, Okahata cộng công bố kết nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N sử dụng vi cân sờ tinh thể thạch anh QCM [4], phương pháp dựa mối quan hệ tần số dao động tinh thể quartz đối tượng tương tác vào bề mặt cảm biến giúp cho độ nhạy lên tới femto gram Tuy vậy, tồn phương pháp dễ bị ảnh hưởng bời môi trường đo (nhạy với đối tượng tác động lên bề mặt) Peter cộng [5], Liu cộng [6] nhóm Peng [7,8] báo cáo kết họ dựa phân tích quang học sử dụng hợp chất huỳnh quang, chấm lượng tử sử dụng dao động Plasmon bề mặt để phát tương tác chuỗi ADN protein Phương pháp quang thường có độ chọn lọc độ xác cao chi phí thiết bị đắt đỏ việc thiết lập cấu hình tương đối phức tạp So với phương pháp khác cảm biến điện hóa coi thích họp để phát triển cảm biến sinh học lẽ cảm biến loại cho phép chuyển đổi trực tiếp tín hiệu sinh hóa tương tác protein-protein, kháng sinh - kháng thể, hay lai hóa AD N thành tín hiệu điện Điều cho phép thực phép phân tích điện hóa đon giản dựa phương pháp đo dòng, đo [9,10] tiếp cận sử dụng polymer dẫn (CPs) [11,12] Có thể tham khảo cảm biến A D N điện hóa cơng trình [13] Đ e phát triển cảm biến sinh học tăng độ nhạy cảm biến có nhiều cách phương pháp tăng diện tích bề mặt điện cực cảm biến Đ ể không làm tăng kích thước cảm biến phương pháp tạo màng xốp cho điện cực phương pháp chưa thử nghiệm Màng kim loại xốp tạo thành nhiều phương pháp khác phương pháp hóa ướt, phún xạ kết họp ăn mòn điện hóa, quang hóa, Trong đề tài này, nhỏm tác giả thử nghiệm chế tạo càm biến A D N sở màng xốp kim loại A D N dò cố định lên bề mặt cảm biến Khi đưa A D N đích lên bề mặt cảm biến, tượng bắt cặp A D N dò ADN đích làm thay đổi tín hiệu đầu cùa cảm biến, cho ta biết nồng độ A D N ừong dung dịch Đ ối tượng sinh học thừ nghiệm chọn lựa đề tài virut Rubella gây bệnh Rubella (hay gọi Ru-bê-on, bệnh sởi Đức) bệnh truyền nhiễm Bệnh lưu hành tồn thể giới, thường xuất vào mùa đơng xuân, xảy thành dịch Tuy bệnh Rubella bệnh lây nhiễm không nguy cấp (không gây nên biến chứng nguy hiểm, không gây chết người) bệnh sởi thường (thuờng gây biến chứng trầm trọng: viêm phổi, viêm phế quản, viêm não, viêm tim, viêm tai giữa, rối loạn tiêu hóa ) lại nghiêm trọng có khả gây nên dị tật bẩm sinh nặng nề bào thai Gần đây, số người sốt phát ban (do virut R/abella) V iệt Nam tăng cao Ở người không mang thai, nhiễm Rubella tình trạng nhiễm virus thống qua, tự khỏi sau vài ngày với phụ nữ có thai, đặc biệt thai nhỏ, nới thụ thai, nhiễm Rubella gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến thai nhi, gọi hội chứng Rubella bẩm sinh Tùy vào thời điểm nhiễm bệnh, tỷ lệ bị hội chửng Rubella bẩm sinh thay đổi: 80% thai 12 tuần, 54% thai 13-14 tuần, 35% tuổi thai 13-16 tuần, 10% thai 16 tuần sau 20 tuần tỷ lệ không đáng kể Một bé sơ sinh bị nhiễm Rubella bẩm sinh có nhiều tổn thương như: mắt bị cườm, tăng áp nội nhãn, mắt nhỏ; teo động mạch phổi, bất toàn vách tim; điếc; viêm não, viêm màng não; thiếu máu, thiếu tiều cầu; viêm gan, gan lách to, vàng da Để ngăn ngừa việc nhiễm Rubella cho thai nhi, người mẹ cằn tiêm chủng ngừa loại bệnh Trước đây, người ta khuyến cáo nên có thai sớm tháng sau chủng ngừa Rubella vaccin virut sống làm yếu Tuy nhiên, theo khuyến cio năm 2002 Trung tâm Kiểm soát bệnh Hoa Kỳ (CDC) phụ nữ phép có thai tháng sau tiêm chủng Thời gian ủ bệnh từ 12 - 23 ngày sau tiếp xúc với nguồn lây Thời gian người bệnh bị nhiễm virut, chưa có biểu bệnh Do vậy, việc phát sónn hỗ trợ nhiều công tác điều trị, khoanh vùng, dập dịch sau cỏ vai trò quan trọng việc đưa định sử dụng vắc xin liều hạn, bảo vệ người mẹ thai nhi Mục tiêu Nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N có độ nhạy cao sở màng xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng phát virut Rubella Phương pháp nghiên cứu Trong khuôn khổ đề tài, hai loại cảm biến thử nghiệm chế tạo cảm biến kiểu lược cảm biến điện cực tròn Cảm biến kiểu lược ché tạo phương pháp phún xạ điện cực Pt đế Silicon Mặt nạ thiết kế dựa CorelDravv Clewin sau tính tốn điện dung điện trờ tương thích Điện cực sau chế tạo nhạy hóa dung dịch : \: HOC NHỈỀNẢ/ "v % r“ PHÊ DUYÊT CỦA GIÁM ĐỐC ĐHQGHN ORS.TS Phụ ỉục Giải trinh kinh phí khoản chi K in h p h í N ộ i dung TT ị Tông (T r ã ) X â y d ự n g đê cưcrag c h i tiê t 2 • T h u th ậ p v v iê t tô n g q u a n tà i G iả i t r ì n h (Số lượng, ãơỉĩ giá, thành tiền) C ăn (Dựa vẩn liệ u Thu thập tư liệ u (mua thuê) D ịc h tài liệu tham khảo (sô ừans X đơn giá) _ V iê t tông quan tư liệ u o Đ iê u tr a , k h ả o sát, th í n g h iệ m , 770 th u th ậ p số liệ u , n g h iê n cứu C hi.phí tàu xe cơng tác p h í 60 C h i cho lư ợ t cán vào TP T T 23 rị H C M công tác C hi Dhí thuê mướn 710 T T 4 /| “ X e m c h i tiê t ỡ m ục 19 C hi p hí hoạt động chuyên m ô n A -r Chi pbi cho đào tạo : (300) (Chi p h ỉ thuê mướn NCS, học viên cao học Phù hợp với mục 25) B ao gồm : - C h i p h í thuê mướn (d ụ c 3): 180 triệ u đồng ị - Chi phí m ua nsruyên vật liệu (m ục 5) v h ộ i thảo khoa học (m ục 6): 120 triệ u đồng Thuê, mua săm trang tỉiiêt bị, nguyên vật liệu V M u a trang th iê t b ị H ộ i th ả o k h ọ a học, v iế t báo cáo 293 45 V iê t báo cáo tô n g k ế t 12 Nghiệm thu 10 C hi khác 65 In ân, p ho toco p y Quản lý p hí T n g k in h p h í > 67 tổng kết, nghiệm'thu ■ Hội'thảo * VM u a ' vã n p h ò n g phâm ■ Thuê trang th iê t b ị Mua nguyên vật liệu 293 , Các'họị'thảơ- ckuỵên đề Nghiệm thu cuôi kỳ nghiệm thu cẩp , TT9Ệ I T T 4 /: í , \ 1Ậ 60 -m 1200; K ý tên G S T S K H N g u y ễ n H oàữg L ix m g 2 1ỉ 1 Phụ lụ c Mô tả h oạt động khoa học hai Đ H Q G tron g khuôn khổ đề tài Ị N ộ i d u n g n g h iê n cứu K \Ta h iê n cửu chê tạo tính, chát m n 2; T h c h iê n G h i Sử dụns phưo'na pháp ĐHQGHN k iim lo i xố p cẩu trú c nano bằna m ó i tiên tiến p th a n s pháp quang hóa N vshdên cứu chê tạo cảm biên điện hóa ĐHQGHN trrê n CO' sờ m àng k im lo i xốp có cấu vậ t liệ u nano qua m ặt nạ trrú c nano b ẳn phưo'ns pháp sc-reen có độ phân siải đủ cao p r r in tin s í Sử dụns phươns pháp in N v g h iê n cứu chê tạo h t nano k im loại ĐHQGHN Vcà c h ứ c hóa h t nano k im loại ì Thực tạ i Đ H Q G H N ứrng: d ụ n a sắn kế t A D N N í s h iê n cửu GƠ đ ịn h sợi A D N lên béê m ặt cảm biê n Đ H Q G H N /Đ H Q G Được thực đông TPHCM th i tạ i hai phòna th í Đ H Q G H N /Đ H Q G TPHCM n shiệm trọng điểm ĐHQG TPHCM Được thực phòng Đ H Q G TPHCM ĐHQG TPHCM Sử dụng cône nghệ v i điện tử cho độ phân giải cao C lh ê tạ o th iê t b ị điê u khiên, điệnđidệm tử , p hầ n m ề m đ iề u k h iể n hiển t h ii ĐHQG TPHCM Thực đơn v ị p h ố i họp Đ H Q G TPHCM C lh ứ c hóa bề m ặ t cảm biế n ĐHQG TPHCM Thực tạ i P T N Công Đ )o đ.ạc thử n eh iệ m N í a h iê n cứu chế tạo m àng k im lo i xốp bàằn.g phư ns pháp ăn m òn hóa học N v s h iê n cứu chê tạo cảm biên điện hóa tréên c sỏ' cô n s nghệ v i điện tử tro ng p h h ò n g n ln iè u k ỹ th u ậ t kh c nhau, nghiên cứu c ìn g nghệ gan k ế t k h ô n g đánh dấu c h iu ỗ ỉ A D N lê n cảm b iế n điên hóa C lh ê tạ o th iê t b ị đo dạng xách tay h bên nshệ N ano, Đ H Q G ' TPHCM Đ H Q G H N /Đ H Q G TPHCM Được thực chủ yêu tạ i P T N Đ H Q G TPHCM Ị Phụ lục Diễn giải kinh phí theo năm TT Đ o n vi tính: triệu đ n s K in h phí N ộ i đung Năm th ứ Ị Thu thập v iê t tông quan tài liêu Thu thập tư liệu (mua thuê) i1 ị D ịch tài liệu tham khảo (sô tran X đcm giá) 1V iê t tôn quan tư liệu ỉ1 1 í ! 1 Ị Chi phí tàu xe, cơng tác phí Chi phí thuê mướn ị Điều tra , khảo sát, th í nghiệm , th u thập số liệu, nghiên cửu N ăm th ứ Ị X â y dựnơ đê cưcrag chi tiê t Năm th ứ 1 180 350 240 20 20 20 ị 330 220 160 ; (140) (100) Ị í Chi phí hoạt độns chun mơn C h i phí cho đào tạo (60) ị (Chi phí thuê mướn NCS, học viên cao học Phù hợp với mục 25) Thuê, mua săm trang thiêt bị, nguyên vật liệu 99 96 98 1 Thuê trang thiêt bị Mua vật liệu 99 98 Hội thảo khoa học, viêt báo cáo 15 15 15 15 tổng kết, nghiệm th u H ộ i thảo 96 37 15 V iê t báo cáo tông kêt 12 Nghiệm thu 10 32 22 11 Quản lý phí 30 20 10 Tơng k in h phí 501 375 324 C h i khác Mua văn phòng phâm 1 In ân, photocopy Tơng k in h phí năm 1200 24 Phụ lụ c Diễn giải kinh phí cho cơng tác phí mục phụ lục Stt Khoản chi phí Diễn siài Thành tiền (đ) Đ i lạ i (máy bay) 5.000.000 đ/neười T h u ê chỗ 350.000 đ/nsxrời 10 nsày x6 neười 21.000.000 Ó P'hụ cấp lưu trú 150.000 đ/neười X 10 ngày xổ neười 9.000.000 X X neười 30.00Ồ.000 C h i phí khác h ỉiẽssÉiạíasỊsSiẽỄỄáếỊạíg: ^ W if M W ì ! 0 M ; Trong đó, kinh phí khốn chi 30.000.000 Đê t tà i dự kiến íổ chức 10 hội thảo chuyên đề/năm theo hướng nshiên cửu đề tài ửong nămn h ộ ộ i"th ả o : 100.000 đ X neười chủ ừì + 70.000 đ/người X 20 người dự = l.SOO.OOOá 1.5000 000 đ/hội thảo X 10 hội thảo X năm = 45.000.000 đ 25 ... Nguyên nhân; Ý kiến C quan quản lý) - Tên đề tài Nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng y sinh học theo thuyết minh đề cương đề tài phê duyệt... tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN sở m àng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng y sinh học 1.2 M ã số: QGTĐ.12.01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Chức danh, học. .. sử dụng cho nhiều loại cảm biến khác Nghiên cứu chế tạo ứng dụng hạt nano kim loại hạt nano từ tính Trong khn khổ đề tài, nhóm tác già nehiên cứu chế tạo loại hạt nano vàng, hạt nano platin, nano