Cảm biến sinh học điện hóa độ nhạy cao cho chẩn đoán bệnh sớm

LỜI CẢM ƠN

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ

MỞ ĐẦU

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

1.1. Cảm biến sinh học

1.2. Đầu thu sinh học

1.3. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu

1.4. Phương pháp cố định đầu thu sinh học

1.4.1. Các phương pháp cố định kháng thể

1.4.1.1. Hấp phụ vật lý

1.4.1.2. Liên kết cộng hóa trị

1.4.1.3. Ái lực tương tác sinh học

1.5. Cảm biến sinh học điện hóa

1.5.1. Điện cực điện hóa

1.5.2. Phân loại cảm biến sinh học điện hóa

1.5.2.1. Cảm biến đo dòng

1.5.2.2. Cảm biến đo điện thế

1.5.2.3. Cảm biến đo độ dẫn

1.5.2.4. Cảm biến đo phổ tổng trở

1.6. Ung thư và một số chất chỉ dấu khối u

1.6.1. Chỉ dấu α-hCG và ung thư tế bào mầm tinh

1.6.2. Chỉ dấu PSA và ung thư tiền liệt tuyến

1.6.3. Chỉ dấu AFP và ung thư gan nguyên phát

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

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ngoài nước

1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước

1.7.3. Định hướng nghiên cứu của luận án

2. 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)

2.1.1.1. Mô hình mạch điện tương đương Randles

2.1.1.2. Biểu diễn phổ tổng trở trong mặt phẳng phức

2.1.2. Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV)

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

2.2.1. Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM)

2.2.2. Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS)

2.2.3. Phổ tán xạ Raman

2.3. Công nghệ vi lưu ly tâm

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

2.3.2. Vận chuyển dung dịch trong chíp vi lưu ly tâm

2.4. Quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến

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

2.4.2. Màng đơn lớp tự lắp ghép (SAM) alkanethiol

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 PPy-PPa và erGO

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

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

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

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

2.4.6. Quy hoạch số liệu thực nghiệm

2.4.6.1. Độ nhạy của cảm biến

2.4.6.2. Khoảng tuyến tính của cảm biến

2.4.6.3. Độ lặp lại của cảm biến

2.4.6.4. Giới hạn phát hiện của cảm biến

2.4.6.5. Độ chọn lọc của cảm biến

3. CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU α-hCG ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN U TẾ BÀO MẦM TINH

3.1. Điện cực và linh kiện

3.2. Quy trình cố định mAb hCG trên điện cực vàng

3.3. Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM

3.3.1. Vi cân tinh thể thạch anh

3.3.2. Khảo sát hoạt động của cảm biến

3.4. Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE

3.5. Kết quả và thảo luận

3.5.1. Cảm biến miễn dịch nhạy khối lượng mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM

3.5.1.1. Hiệu suất cố định kháng thể

3.5.1.2. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

3.5.2. Cảm biến miễn dịch phổ tổng trở mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE

3.5.2.1. Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ

3.5.2.2. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

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

4.1. Điện cực và linh kiện

4.2. Tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực SPCE

4.3. Cố định aptamer

4.4. Kết quả và thảo luận

4.4.1. Cảm biến aptamer phổ tổng trở điện hóa

4.4.2. Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/SPAuE

4.4.2.1. Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ

4.4.2.2. Ảnh hưởng của nồng độ aptamer lên tín hiệu cảm biến

4.4.3. Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/AuNPs-SPCE

4.4.3.1. Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ

4.4.3.2. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

4.4.3.3. Độ chọn lọc của cảm biến

5. CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU AFP ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN UNG THƯ GAN

5.1. Hóa chất và điện cực

5.2. Cố định mAb AFP lên điện cực PPy-PPa/SPCE và PPy-PPa/erGO-SPCE

5.3. Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính bởi SAM (p-ATP)

5.4. Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính bởi vật liệu lai poly(p-ATP) và hạt nano vàng

5.5. Kết quả và thảo luận

5.5.1. Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPy-PPa/SPCE

5.5.1.1. Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa trên điện cực SPCE

5.5.1.2. Tối ưu hóa tỷ số hợp phần của monome Pa với Py

5.5.1.3. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

5.5.2. Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPa-PPy/erGO-SPCE

5.5.2.1. Khử điện hóa GO trên SPCE

5.5.2.2. Hình thái học bề mặt điện cực

5.5.2.3. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

5.5.3. Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/SAM (p-ATP)/AuNPs-SPCE

5.5.3.1. Ảnh hưởng của mật độ hạt nano vàng

5.5.3.2. Ảnh hưởng của thời gian tạo màng SAM

5.5.3.3. Đặc trưng điện hóa sau mỗi bước công nghệ

5.5.3.4. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

5.5.4. Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE

5.5.4.1. Poly(p-ATP) kết hợp hạt nano vàng trên điện cực AuNPs-SPCE

5.5.4.2. Phổ tán xạ Raman của màng poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE

5.5.4.3. Đặc trưng điện hóa sau các bước công nghệ

5.5.4.4. Đặc trưng chuẩn của cảm biến

6. CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE

6.1. Glucose và đường huyết

6.2. Cảm biến điện hóa enzyme GOx

6.3. Polyme ôxy hóa khử Osmium và cảm biến GOx

6.3.1. Hóa chất và thiết bị

6.3.2. Quy trình chế tạo cảm biến (GOx/Osmium)n/AuNPs-SPCE

6.4. Kết quả và thảo luận

6.4.1. Khảo sát hình thái bề mặt cấu trúc đa lớp (GOx/Osmium)

6.4.2. Khảo sát ảnh hưởng của số lớp (GOx/Osmium)

6.4.3. Đáp ứng dòng-thế của cảm biến (GOx/Osmium)4/AuNPs-SPCE

TÀI LIỆU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. Cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa là một công nghệ tiên tiến trong lĩnh vực y tế, cho phép phát hiện và chẩn đoán bệnh sớm thông qua việc đo lường các chỉ dấu sinh học. Cảm biến sinh học sử dụng các đầu thu sinh học để nhận diện các chất chỉ dấu trong mẫu thử. Đầu thu sinh học có thể là kháng thể, aptamer hoặc các phân tử sinh học khác. Cảm biến điện hóa có khả năng chuyển đổi các tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện, giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện bệnh. Đặc biệt, độ nhạy cao của cảm biến là yếu tố quyết định trong việc phát hiện sớm các bệnh lý nghiêm trọng như ung thư. Theo nghiên cứu, các cảm biến này có thể phát hiện nồng độ rất thấp của các chỉ dấu sinh học, từ đó hỗ trợ bác sĩ trong việc chẩn đoán và điều trị kịp thời.

1.1. Đầu thu sinh học

Đầu thu sinh học là thành phần quan trọng trong cấu trúc của cảm biến sinh học. Chúng có khả năng nhận diện các chất chỉ dấu sinh học thông qua các cơ chế tương tác như liên kết cộng hóa trị hoặc hấp phụ vật lý. Việc lựa chọn đầu thu sinh học phù hợp sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của cảm biến. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc sử dụng kháng thể đơn dòng (mAb) có thể nâng cao đáng kể độ nhạy của cảm biến. Cảm biến sinh học điện hóa với đầu thu kháng thể có thể phát hiện các chỉ dấu như α-hCG, PSA và AFP, từ đó hỗ trợ trong việc chẩn đoán sớm các loại ung thư khác nhau.

1.2. Bộ phận chuyển đổi tín hiệu

Bộ phận chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến sinh học điện hóa đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi các tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện. Các phương pháp chuyển đổi tín hiệu phổ biến bao gồm đo dòng, đo điện thế và đo độ dẫn. Mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên, việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa độ nhạy và độ chính xác của cảm biến. Cảm biến điện hóa có thể sử dụng các điện cực như điện cực in lưới vàng hoặc carbon để tăng cường khả năng phát hiện. Nghiên cứu cho thấy rằng việc tối ưu hóa cấu trúc điện cực có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến trong việc phát hiện các chỉ dấu sinh học.

II. Ứng dụng trong chẩn đoán bệnh

Cảm biến sinh học điện hóa đã được áp dụng rộng rãi trong việc chẩn đoán sớm các bệnh lý, đặc biệt là ung thư. Việc phát hiện các chỉ dấu khối u như α-hCG, PSA và AFP thông qua cảm biến sinh học điện hóa đã mở ra hướng đi mới trong y học. Chẩn đoán bệnh sớm không chỉ giúp nâng cao tỷ lệ sống sót mà còn giảm thiểu chi phí điều trị. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng cảm biến có thể phát hiện nồng độ chỉ dấu khối u trong huyết thanh với độ nhạy cao, từ đó hỗ trợ bác sĩ trong việc đưa ra quyết định điều trị kịp thời. Công nghệ sinh học kết hợp với cảm biến sinh học điện hóa đã tạo ra những bước tiến vượt bậc trong lĩnh vực y tế, giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

2.1. Phát hiện sớm ung thư

Phát hiện sớm ung thư là một trong những ứng dụng quan trọng nhất của cảm biến sinh học điện hóa. Các chỉ dấu khối u như α-hCG, PSA và AFP có thể được phát hiện với độ nhạy cao, giúp bác sĩ chẩn đoán bệnh sớm và đưa ra phương pháp điều trị hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến sinh học điện hóa có thể phát hiện nồng độ chỉ dấu khối u thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Điều này không chỉ giúp nâng cao khả năng phát hiện mà còn giảm thiểu thời gian chờ đợi kết quả xét nghiệm cho bệnh nhân.

2.2. Ứng dụng trong y tế

Cảm biến sinh học điện hóa không chỉ được sử dụng trong chẩn đoán ung thư mà còn có thể áp dụng trong nhiều lĩnh vực y tế khác. Ví dụ, cảm biến có thể được sử dụng để theo dõi nồng độ glucose trong máu, giúp bệnh nhân tiểu đường kiểm soát tình trạng sức khỏe của mình. Ngoài ra, cảm biến cũng có thể được áp dụng trong việc phát hiện các bệnh truyền nhiễm thông qua việc đo lường các chỉ dấu sinh học trong mẫu thử. Cảm biến sinh học đã chứng minh được giá trị thực tiễn trong việc cải thiện chất lượng chăm sóc sức khỏe và nâng cao hiệu quả điều trị.

Nghiên cứu và chế tạo cảm biến sinh học điện hóa độ nhạy cao ứng dụng trong chẩn đoán bệnh sớm