Luận Văn Thạc Sĩ: Chế Tạo Microcantilever và Ứng Dụng Trong Phát Hiện DNA Chỉ Thị Ung Thư Gan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet chế tạo microcantilever và ứng dụng trong phát hiện dna chỉ thị ung thư gan, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất giải pháp cải

• Tác giả: Nguyễn Duy Khanh
• Người hướng dẫn: TS. Tống Duy Hiển
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Chế Tạo Microcantilever Phát Hiện DNA Chỉ Thị Ung Thư Gan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan về microcantilever
• 1.2. Nguyên lý hoạt động của microcantilever
• 1.3. Mô hình độ uốn tĩnh
• 1.4. Mô hình động
• 1.5. Yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF)
• 1.6. Ảnh hưởng của nhiệt độ
• 1.7. Giới hạn phát hiện và tín hiệu trên nhiễu
• 1.8. Chế tạo microcantilever
• 1.9. Ứng dụng của microcantilever
• 1.10. DNA chỉ thị ung thư gan
• 1.10.1. Tổng quan về DNA
• 1.10.2. Trình tự DNA và quá trình nhân đôi
• 1.10.3. Đặc tính hóa lý của DNA
• 1.10.4. Ung thư gan
• 1.10.4.1. Ung thư là gì?
• 1.10.4.2. Ung thư gan là gì?
• 1.10.4.3. Những yếu tố nguy cơ dẫn đến ung thư gan
• 2. CHƯƠNG 2: QUY TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CHẾ TẠO MICROCANTILEVER
• 2.1. Quy trình chế tạo Microcantilever
• 2.2. Sơ đồ khối của quy trình chế tạo
• 2.3. Wafer cho chế tạo Microcantilever
• 2.4. Ăn mòn lớp SiN mặt trước để tạo hình thanh dao động
• 2.5. Ăn mòn lớp SiN mặt sau
• 2.6. Ăn mòn lớp SiO2 mặt sau
• 2.7. Ăn mòn lớp SiO2 hi sinh để thu được cantilever
• 2.8. Các thiết bị chính cho việc chế tạo và đo đạc
• 2.8.1. Máy quang khắc Suss MJB4
• 2.8.2. Hệ ăn mòn DRIE (Deep Reactive Ions Etching) SAMCO RIE – 200iP
• 2.8.3. Máy đo chiều dày cơ Dektak 150
• 2.8.4. Hệ đo tần số và độ lệch SCALA
• 3. CHƯƠNG 3: QUY TRÌNH BIẾN ĐỔI BỀ MẶT ĐỂ GẮN KẾT DNA CHỈ THỊ UNG THƯ GAN
• 3.1. Tạo đơn lớp phân tử Cysteamine lên thanh dao động phủ vàng
• 3.2. Gắn phân tử GAD lên phân tử Cysteamine
• 3.3. Cố định đơn chuỗi DNA (DNA receptor) lên phân tử Cysteamine
• 3.4. Lai hóa DNA đích (DNA target) vào đơn chuỗi DNA
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Kết quả chế tạo thanh dao động SiN
• 4.2. Hình ảnh của chip cantilever đã chế tạo
• 4.3. Tần số và chỉ số chất lượng (quality factor-QF) của thanh dao động đã chế tạo
• 4.4. Kết quả thực nghiệm sử dụng microcantilevers phát hiện DNA
• 4.5. Tần số và QF của chip cantilever
• 4.6. Độ dịch chuyển tần số trước và sau khi gắn kết Cysteamine lên thanh dao động
• 4.7. Độ lệch của thanh dao động trước và sau khi gắn kết Cysteamine và ứng suất của đơn lớp Cysteamine
• 4.8. Thời gian lai hóa DNA
• 4.9. Mối quan hệ giữa nồng độ DNA target và sự thay đổi tần số của thanh dao động
• KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG NGHIÊN CỨU
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về chế tạo microcantilever phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Chế tạo microcantilever là một trong những bước tiến quan trọng trong công nghệ phát hiện các chất sinh học, đặc biệt là DNA chỉ thị ung thư gan. Microcantilever hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi tần số cộng hưởng khi có khối lượng chất hấp phụ. Độ nhạy của thiết bị này phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo. Việc phát hiện sớm ung thư gan thông qua các chỉ thị sinh học là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả điều trị.

1.1. Nguyên lý hoạt động của microcantilever trong phát hiện DNA

Microcantilever hoạt động dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng khi hấp phụ các phân tử DNA. Khi khối lượng của DNA gắn kết lên bề mặt, tần số cộng hưởng sẽ thay đổi, từ đó cho phép phát hiện sự hiện diện của các chỉ thị ung thư. Nguyên lý này giúp tăng cường độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện các biomarker.

1.2. Lợi ích của việc phát hiện sớm ung thư gan

Việc phát hiện sớm ung thư gan thông qua các chỉ thị sinh học như DNA có thể giúp cải thiện tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân. Các phương pháp truyền thống thường không đủ nhạy để phát hiện ở giai đoạn đầu. Microcantilever cung cấp một giải pháp hiệu quả và nhanh chóng, giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị kịp thời.

II. Thách thức trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Mặc dù công nghệ microcantilever mang lại nhiều lợi ích, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan. Các yếu tố như độ nhạy, độ chính xác và khả năng phát hiện trong môi trường phức tạp là những vấn đề cần được giải quyết. Việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và cải thiện độ nhạy của thiết bị là rất quan trọng.

2.1. Độ nhạy và độ chính xác của microcantilever

Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước, vật liệu và quy trình chế tạo. Cần phải tối ưu hóa các yếu tố này để đạt được độ nhạy cao nhất trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện các thông số này.

2.2. Ảnh hưởng của môi trường đến kết quả phát hiện

Môi trường xung quanh có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của việc phát hiện DNA. Các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm và sự hiện diện của các chất khác có thể làm giảm hiệu quả của microcantilever. Cần có các biện pháp kiểm soát môi trường để đảm bảo kết quả phát hiện chính xác.

III. Phương pháp chế tạo microcantilever phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Quy trình chế tạo microcantilever bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc lựa chọn vật liệu đến các kỹ thuật chế tạo tinh vi. Các phương pháp như ăn mòn, quang khắc và gắn kết DNA là những bước cần thiết để tạo ra thiết bị có độ nhạy cao. Việc áp dụng công nghệ nano trong chế tạo giúp nâng cao hiệu quả phát hiện.

3.1. Quy trình chế tạo microcantilever

Quy trình chế tạo microcantilever bao gồm các bước như chuẩn bị wafer, ăn mòn lớp SiN và SiO2, và gắn kết các phân tử DNA. Mỗi bước đều cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Việc tối ưu hóa quy trình này là rất quan trọng để đạt được độ nhạy cao.

3.2. Kỹ thuật gắn kết DNA lên microcantilever

Gắn kết DNA lên bề mặt microcantilever là một bước quan trọng trong quy trình phát hiện. Sử dụng các phân tử như Cysteamine và Glutaraldehyde giúp cố định DNA một cách hiệu quả. Kỹ thuật này cần được tối ưu hóa để đảm bảo rằng DNA được gắn kết chắc chắn và có thể phát hiện được.

IV. Ứng dụng thực tiễn của microcantilever trong phát hiện ung thư gan

Microcantilever đã được chứng minh là một công cụ hiệu quả trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng thiết bị này có thể phát hiện được nồng độ DNA rất thấp, từ đó giúp phát hiện sớm bệnh ung thư. Ứng dụng này không chỉ giúp nâng cao khả năng chẩn đoán mà còn mở ra hướng đi mới trong nghiên cứu và điều trị ung thư.

4.1. Kết quả nghiên cứu sử dụng microcantilever

Nghiên cứu đã chỉ ra rằng microcantilever có thể phát hiện được nồng độ DNA chỉ thị ung thư gan ở mức rất thấp, cho thấy tiềm năng ứng dụng trong y học. Các kết quả này mở ra cơ hội cho việc phát triển các phương pháp chẩn đoán mới, hiệu quả hơn.

4.2. Tương lai của microcantilever trong y học

Với sự phát triển không ngừng của công nghệ nano, microcantilever hứa hẹn sẽ trở thành một công cụ quan trọng trong việc phát hiện và chẩn đoán các bệnh lý khác nhau. Tương lai của công nghệ này rất sáng sủa, với nhiều ứng dụng tiềm năng trong y học và nghiên cứu.

V. Kết luận và định hướng nghiên cứu trong tương lai

Chế tạo microcantilever để phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan là một bước tiến quan trọng trong công nghệ y học. Mặc dù còn nhiều thách thức, nhưng với những nghiên cứu và cải tiến liên tục, công nghệ này có thể mang lại nhiều giá trị cho việc phát hiện và điều trị ung thư. Định hướng nghiên cứu trong tương lai sẽ tập trung vào việc cải thiện độ nhạy và khả năng phát hiện trong các điều kiện khác nhau.

5.1. Định hướng nghiên cứu tiếp theo

Các nghiên cứu tiếp theo sẽ tập trung vào việc tối ưu hóa quy trình chế tạo và cải thiện độ nhạy của microcantilever. Việc phát triển các phương pháp mới để gắn kết DNA và phát hiện các biomarker sẽ là ưu tiên hàng đầu.

5.2. Tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Ngoài việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan, microcantilever còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như phát hiện virus, vi khuẩn và các chất độc hại. Tiềm năng ứng dụng của công nghệ này là rất lớn và cần được khai thác triệt để.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Microcantilever là một thiết bị cảm biến cơ học vi mô có khả năng phát hiện các chất sinh học và hóa học với độ nhạy cao, được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y sinh và công nghệ nano. Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc chủ yếu vào tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF), trong đó tần số cộng hưởng tăng khi kích thước microcantilever giảm. Nghiên cứu này tập trung vào việc chế tạo microcantilever bằng vật liệu Silicon Nitride (SiN) với độ dày khoảng 1 µm, kích thước chiều dài 500 µm và chiều rộng 100 µm, đồng thời ứng dụng microcantilever trong phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan, cụ thể là DNA P53 – một biomarker quan trọng trong chuẩn đoán ung thư gan.

Mục tiêu nghiên cứu là phát triển quy trình chế tạo microcantilever tại Việt Nam, khảo sát đặc tính tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng của microcantilever, cũng như biến đổi bề mặt để gắn kết DNA receptor và thực hiện lai hóa DNA target nhằm phát hiện chỉ thị ung thư gan. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2014-2015 tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một công cụ cảm biến sinh học có độ nhạy cao, khả năng phát hiện DNA với khối lượng nhỏ đến attogram, góp phần nâng cao hiệu quả chuẩn đoán sớm ung thư gan – một trong những bệnh ung thư phổ biến và nguy hiểm tại Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng mở ra hướng ứng dụng microcantilever trong phát hiện các biomarker khác, hỗ trợ phát triển các thiết bị lab-on-a-chip trong y học hiện đại.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình hoạt động chính của microcantilever: mô hình tĩnh và mô hình động.

• Mô hình tĩnh: Microcantilever bị uốn cong do sự thay đổi ứng suất bề mặt khi các phân tử hấp phụ lên một mặt hoặc cả hai mặt của thanh dao động. Độ lệch uốn được mô tả bởi phương trình Stoney, liên quan đến sự khác biệt ứng suất giữa mặt trên và mặt dưới thanh. Độ lệch này không nhất thiết tỷ lệ thuận với khối lượng hấp phụ mà còn phụ thuộc vào ứng suất bề mặt.

• Mô hình động: Microcantilever dao động với tần số cộng hưởng $f_0$ ban đầu. Khi có khối lượng sinh học hoặc hóa học gắn kết, khối lượng hiệu dụng tăng lên làm giảm tần số cộng hưởng. Sự thay đổi tần số cộng hưởng $\Delta f$ được dùng để tính toán khối lượng hấp phụ theo công thức:

$$ \Delta m = -2 m \frac{\Delta f}{f_0} $$

Trong đó, $m$ là khối lượng hiệu dụng của microcantilever. Yếu tố chất lượng QF thể hiện độ hẹp của phổ tần số cộng hưởng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhạy và độ phân giải của cảm biến.

Ngoài ra, nghiên cứu áp dụng các lý thuyết về vật liệu màng mỏng, kỹ thuật phủ màng SiN bằng LPCVD, và công nghệ khắc DRIE để chế tạo microcantilever với kích thước và đặc tính vật lý phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thu thập từ quá trình chế tạo microcantilever tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, bao gồm các thông số vật lý (độ dày, chiều dài, chiều rộng), tần số cộng hưởng, yếu tố chất lượng QF, và các kết quả đo lường sự thay đổi tần số khi gắn kết các phân tử sinh học.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kỹ thuật quang khắc Suss MJB4 để tạo hình photoresist, hệ DRIE SAMCO RIE-200iP để khắc các lớp SiN, SiO2 và Si, kết hợp đo đạc tần số cộng hưởng và độ lệch bằng hệ SCALA. Phân tích dữ liệu dựa trên các mô hình cơ học Euler-Bernoulli và các công thức tính toán tần số cộng hưởng, độ lệch, và khối lượng hấp phụ.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình chế tạo và khảo sát microcantilever kéo dài khoảng 12 tháng, từ việc chuẩn bị wafer, phủ màng SiO2 và SiN, quang khắc, khắc ướt và khắc khô, đến biến đổi bề mặt và thực hiện lai hóa DNA receptor với DNA target.

• Cỡ mẫu: Chế tạo và khảo sát khoảng 80 microcantilever trên các chip khác nhau để đánh giá tính đồng nhất và độ ổn định của thiết bị.

• Lý do lựa chọn phương pháp: Phương pháp top-down với công nghệ quang khắc và khắc DRIE cho phép kiểm soát chính xác kích thước và hình dạng microcantilever, phù hợp với yêu cầu độ nhạy cao và khả năng tích hợp trong các hệ thống cảm biến sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công microcantilever SiN: Microcantilever có kích thước chiều dài 500 µm, rộng 100 µm, độ dày 1 µm được chế tạo thành công với độ đồng đều cao trên wafer. Tốc độ ăn mòn SiN trung bình đạt khoảng 2,114 nm/s, tốc độ ăn mòn SiO2 khoảng 0,673 nm/s, và tốc độ ăn mòn Si là 0,04161 µm/s. Thời gian ăn mòn được kiểm soát chính xác để đảm bảo cấu trúc microcantilever hoàn chỉnh.

2. Đặc tính tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng QF: Các microcantilever đo được tần số cộng hưởng dao động trong khoảng từ 20 kHz đến 100 kHz với yếu tố chất lượng QF trung bình trên 20, một số mẫu đạt QF tối đa lên đến 29. Yếu tố chất lượng cao giúp cải thiện độ phân giải tần số, giảm nhiễu và tăng độ nhạy phát hiện.

3. Biến đổi bề mặt và gắn kết DNA receptor: Sử dụng lớp phủ vàng 20 nm trên microcantilever để gắn kết phân tử Cysteamine và Glutaraldehyde (GAD), tạo điều kiện cố định đơn chuỗi DNA receptor. Thời gian lai hóa DNA target với DNA receptor được khảo sát, cho thấy mối quan hệ tuyến tính giữa nồng độ DNA target và độ dịch chuyển tần số microcantilever.

4. Phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan P53: Microcantilever có khả năng phát hiện DNA target với độ nhạy cao, khối lượng DNA gắn kết được xác định ở mức attogram, tương đương với các nghiên cứu quốc tế. Độ dịch chuyển tần số tăng theo nồng độ DNA target, chứng tỏ tính chọn lọc và hiệu quả của cảm biến.

Thảo luận kết quả

Kết quả chế tạo microcantilever SiN tại Việt Nam đánh dấu bước tiến quan trọng trong lĩnh vực công nghệ nano và cảm biến sinh học. Tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng QF đạt được phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế, đảm bảo độ nhạy và độ ổn định của thiết bị. Việc sử dụng quy trình DRIE với chu kỳ phủ/khắc Bosch cho phép tạo ra các thành tường thẳng đứng, chính xác, góp phần nâng cao chất lượng microcantilever.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, microcantilever SiN trong nghiên cứu này có khả năng phát hiện DNA với khối lượng nhỏ đến 1,65 attogram, tương đương với kết quả của nhóm B.Yang. Điều này chứng tỏ hiệu quả của phương pháp biến đổi bề mặt bằng Cysteamine và GAD trong việc cố định DNA receptor và lai hóa DNA target.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa nồng độ DNA target và độ dịch chuyển tần số, cũng như bảng thống kê các thông số tần số cộng hưởng và QF của từng microcantilever. Các kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng microcantilever trong phát hiện biomarker ung thư gan, góp phần nâng cao khả năng chuẩn đoán sớm và chính xác.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chế tạo microcantilever: Cải tiến quy trình phủ màng SiN để kiểm soát ứng suất trong lớp màng, nâng cao độ bền và độ ổn định của microcantilever. Thời gian thực hiện dự kiến 6-12 tháng, do phòng thí nghiệm công nghệ nano chủ trì.

2. Phát triển hệ thống đo tần số cộng hưởng tự động: Xây dựng hệ thống đo đạc và phân tích tần số cộng hưởng tự động, tăng cường độ chính xác và giảm sai số trong quá trình khảo sát. Mục tiêu nâng cao độ phân giải tần số dưới 10 Hz trong vòng 1 năm.

3. Mở rộng ứng dụng phát hiện các biomarker khác: Nghiên cứu biến đổi bề mặt microcantilever để phát hiện các loại DNA hoặc protein chỉ thị bệnh khác như ung thư phổi, ung thư vú. Thời gian nghiên cứu 2 năm, phối hợp với các viện y học.

4. Tích hợp microcantilever vào hệ thống lab-on-a-chip: Phát triển thiết bị cảm biến tích hợp microcantilever với hệ thống vi lưu để thực hiện phân tích mẫu sinh học nhanh, chính xác và tự động. Mục tiêu thương mại hóa trong 3-5 năm, hợp tác với doanh nghiệp công nghệ sinh học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và cảm biến sinh học: Nghiên cứu cung cấp quy trình chế tạo microcantilever SiN và ứng dụng phát hiện DNA, hỗ trợ phát triển các thiết bị cảm biến mới.

2. Chuyên gia y sinh và chuẩn đoán ung thư: Tham khảo phương pháp phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan bằng microcantilever, ứng dụng trong chuẩn đoán sớm và theo dõi bệnh.

3. Kỹ sư phát triển thiết bị y tế và lab-on-a-chip: Tài liệu chi tiết về quy trình chế tạo và biến đổi bề mặt microcantilever giúp thiết kế các thiết bị cảm biến tích hợp.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, công nghệ nano, kỹ thuật y sinh: Cung cấp kiến thức nền tảng về vật liệu SiN, kỹ thuật quang khắc, khắc DRIE và ứng dụng trong cảm biến sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Microcantilever hoạt động dựa trên nguyên lý nào để phát hiện DNA?
   Microcantilever phát hiện DNA dựa trên sự thay đổi tần số cộng hưởng khi khối lượng DNA gắn kết lên bề mặt thanh dao động. Sự thay đổi này tỷ lệ thuận với khối lượng DNA, cho phép xác định nồng độ DNA target.

2. Tại sao sử dụng vật liệu Silicon Nitride (SiN) cho microcantilever?
   SiN có độ bền cơ học cao, ổn định về nhiệt và điện môi tốt, phù hợp cho việc chế tạo microcantilever với độ dày mỏng và khả năng biến đổi bề mặt để gắn kết phân tử sinh học.

3. Yếu tố chất lượng QF ảnh hưởng thế nào đến độ nhạy của microcantilever?
   QF cao giúp giảm độ rộng phổ tần số cộng hưởng, tăng độ phân giải tần số, giảm nhiễu và tiêu thụ năng lượng thấp, từ đó nâng cao độ nhạy và khả năng phát hiện các khối lượng nhỏ.

4. Quy trình chế tạo microcantilever có thể áp dụng cho các loại cảm biến khác không?
   Có, quy trình top-down với quang khắc và khắc DRIE có thể điều chỉnh để chế tạo các cảm biến MEMS/NEMS khác như cảm biến áp suất, cảm biến sinh học đa chức năng.

5. Microcantilever có thể phát hiện các biomarker ung thư khác ngoài DNA P53 không?
   Có, bằng cách thay đổi phân tử receptor trên bề mặt microcantilever, thiết bị có thể phát hiện các loại biomarker khác như protein, RNA, hoặc các phân tử sinh học khác liên quan đến ung thư hoặc bệnh lý khác.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công microcantilever SiN với kích thước và đặc tính phù hợp cho cảm biến sinh học tại Việt Nam.
• Đặc tính tần số cộng hưởng và yếu tố chất lượng QF đạt mức cao, đảm bảo độ nhạy và độ ổn định của thiết bị.
• Biến đổi bề mặt microcantilever bằng Cysteamine và Glutaraldehyde cho phép cố định DNA receptor và lai hóa DNA target chỉ thị ung thư gan hiệu quả.
• Microcantilever phát hiện DNA với khối lượng nhỏ đến attogram, tương đương với các nghiên cứu quốc tế, mở ra tiềm năng ứng dụng trong chuẩn đoán ung thư sớm.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm tối ưu hóa quy trình chế tạo, phát triển hệ thống đo tự động, mở rộng ứng dụng và tích hợp vào hệ thống lab-on-a-chip.

Hành động tiếp theo: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp hợp tác phát triển công nghệ microcantilever, ứng dụng trong y học và công nghệ sinh học để nâng cao hiệu quả chuẩn đoán và điều trị bệnh ung thư gan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1. Tổng quan về microcantilever Microcantilever là một trong những thiết bị cảm biến cơ học đang được tập trung nghiên cứu gần đây. Loại cảm biến này được ứng dụng để phát hiện các chất sinh học và hóa học. Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào kích thước và vật liệu chế tạo.

Tần số và yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF) là yếu tố quan trọng nhất để đánh giá độ nhạy của loại cảm biến này. Các phân tử hấp phụ lên trên thanh dao động sẽ làm thay đổi tần số và ứng suất của thanh dao động. Hấp phụ phân tử ở mặt trên và mặt dưới của thanh sẽ tạo ra ứng suất mặt trên và mặt dưới của thanh, nếu 2 ứng suất này khác nhau sẽ làm cho thanh cong lên hoặc cong xuống. Một đặc điểm nổi bật của microcantilever là nó có thể hoạt động trong không khí, chân không hay chất lỏng.

Công nghệ cảm biến dựa trên sự phát triển nhanh chóng của microcantilever phát triển cùng với sự tiến bộ trong các kĩ thuật chế tạo micro làm cho nó có độ nhạy hơn và phát hiện chọn lọc hơn.1 bên dưới là một ví dụ thanh dao động micro [1]. a) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 340 nm b) Cantilever đơn tinh thể silic với chiều dày 57 nm. Microcantilever có thể được chế tạo ở các định dạng và kích thước khác nhau, trên một chip có thể chứa một hoặc nhiều thanh dao động. Do kích thước nhỏ và có thể chế tạo ở nhiều loại định dạng khác nhau nên microcantilever có thể được tích hợp trong các hệ vi lưu (microfluidics).

LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail. Nguyên lý hoạt động của microcantilever Nhìn chung, microcantilever hoạt động ở một trong hai mô hình: Mô hình động và mô hình tĩnh. Mô hình độ uốn tĩnh là mô hình mà các chất hấp phụ lên thanh dao động gây ra sự mất cân bằng ứng suất làm cho thanh dao động uốn lên hoặc uốn xuống. Mô hình động là mô hình mà ở đó các chất gắn kết lên thanh dao động làm tăng khối lượng của thanh đồng thời giảm tần số cộng hưởng.

Cảm biến dựa trên mô hình thứ nhất là công nghệ đã được sử dụng từ lâu. Cảm biến dựa trên mô hình thứ hai được ứng dụng ở nhiều mô hình khác nhau cho việc phát hiện các chất thêm vào có khối lượng siêu nhỏ. Mô hình độ uốn tĩnh Mô hình uốn tĩnh được sử dụng để xác định khối lượng chất hấp phụ lên bề mặt thanh dao động. Khối lượng hấp phụ càng nhiều, độ uốn của thanh càng lớn [2-4].

Độ uốn của thanh là kết quả của hai cơ chế: Khối lượng thêm vào và ứng suất của thanh khi hấp phụ các chất [5 – 7]. Tuy thế, ứng suất có thể không nhất thiết phải liên quan tới khối lượng chất bị hấp phụ.2 là mô hình thể hiện tải trọng trên cantilever.2 a) Cantilever chịu tải trọng ở cuối thanh. b) Cantilever bị tải trọng đều toàn thanh. Nếu tải trọng tập trung ở phần cuối thanh có dạng hình chữ nhật (hình 1.2a), độ uốn của thanh sẽ cho bởi phương trình: 𝐹𝐿3 𝜎= (1.1) 3𝐸𝐼 Ở đây, E là môđun Young của vật liệu làm thanh, L là chiều dài thanh, F là tải trọng, I = wt3/12 (w: độ rộng, t: chiều dày của thanh) là mômen của thanh.

Độ cứng k của thanh được cho bởi phương trình: 3𝐸𝐼 𝑘= (1.2) 𝐿3 Một ví dụ độ uốn của microcantilever loại này là phần đầu của microcantilever trong kính hiển vi lực nguyên tử (AFM). Phương trình (1.2) nhìn chung được sử dụng để tính toán độ cứng của các micro/nanocantilevers dò ảnh. Trong trường hợp tải trọng phân đều trên toàn bộ mặt trên của thanh thì độ uốn sẽ được cho bởi phương trình: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.3) 8𝐸𝐼 Một ví dụ mô tả trường hợp này là các chất hấp phụ đều trên bề mặt thanh. Nếu chỉ một mặt của thanh được hấp phụ, ứng suất sẽ tạo ra ở mặt đó.

Sự khác nhau về ứng suất ở mặt trên và mặt dưới của thanh tạo ra độ uốn mà không phụ thuộc vào khối lượng chất được hấp phụ. Phương trình Stoney được sử dụng chỉ ra sự khác nhau trong ứng suất trên mỗi mặt của thanh đối với độ uốn của nó (hình 1.4) 𝑟 𝐸𝑑 2 Ở đây, r là bán kính cong của thanh, P là ứng suất gây ra bởi một lớp phủ lên trên một bề mặt của thanh, t là độ dày của lớp phủ và d là độ dày của thanh. Bán kính cong R của thanh trong trường hợp bị ảnh hưởng bởi ứng suất ở cả mặt trên và mặt dưới được cho bởi phương trình sau: 1 1− 𝜐 =6 (𝛥𝜎1 − 𝛥𝜎2 ) (1.5) 𝑅 𝐸𝑡 2 Ở đây, 𝜐 là tỉ suất Poison của vật liệu, 𝛥𝜎1 , 𝛥𝜎2 là ứng suất ở mặt trên và mặt dưới thanh, t là độ dày thanh. Ví dụ về độ lệch của thanh với hai ứng suất khác nhau Độ uốn của thanh có thể được tính toán sử dụng biểu thức R-1 = 2Δz/L2, ở đây, Δz là độ lệch của thanh.

Hấp phụ cân bằng giữa 2 mặt sẽ cân bằng mỗi mặt, chỉ khi có sự hấp phụ khác nhau giữa mặt trên và mặt dưới thanh mới gây ra độ lệch. Có tính đến các điều kiện biên của thanh (R >> L) [8], phương trình (1.5) có thể giải được và độ lệch của thanh sẽ là: 3𝐿2 (1− 𝜐) Δz = (𝛥𝜎1 − 𝛥𝜎2 ) (1.6) 𝐸ℎ2 Những thay đổi trong ứng suất có thể là kết quả của quá trình hấp phụ các chất hay tương tác tĩnh điện giữa các phân tử mang điện trên bề mặt cũng như những thay đổi trong tính kị nước của bề mặt và những thay đổi hình thể của các phân tử bị hấp phụ. Mô hình động Hiểu biết cơ bản về cơ chế hoạt động cơ học của cantilever là thiết yếu để phát triển cảm biến với độ nhậy và hình dáng tối ưu. Độ cứng, tần số cộng hưởng LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 và yếu tố chất lượng sẽ được trình bày trong mục này bằng cách sử dụng phương trình vi phân Euler-Bernoulli một chiều áp dụng cho thanh dao động đồng nhất, mỏng và phẳng.7) 𝜕𝑥 𝜕𝑡 𝜕𝑡 𝐸̂ và ρ là môđun Young và khối lượng riêng của vật liệu làm thanh dao động, diện tích cắt ngang A = wt, I là mômen quán tính, 𝜉 là hệ số tắt dần trên đơn vị chiều dài trên đơn vị vận tốc, và 𝜒 là khối lượng thêm vào trên đơn vị chiều dài.

q(x,t) thể hiện tải trọng trên thanh. Khối lượng thêm vào 𝜒 có thể tồn tại bởi hấp phụ phân tử trên bề mặt thanh hay nó mô tả khối lượng phân tử của môi trường xung quanh mà được gia tốc bởi chuyển động của thanh. Điều này dẫn đến sự phụ thuộc của tần số cộng hưởng vào cách thức gây ra cộng hưởng từ môi trường xung quanh. Ảnh hưởng của quán tính quay và biến dạng trượt và các điều kiện không tuyến tính do biên độ dao động lớn không được tính trong phương trình (1.

Giả sử thanh dao động với w ≫ t, môđun Young được cho bởi: 𝐸 𝐸̂ = (1.8) 1− 𝜐2 𝜐 là tỉ suất Poisson, E là mô đun Young của vật liệu làm thanh. Mô men quán tính đối với thanh dao động dạng hình chữ nhật được tính toán theo: 𝑤 𝑡/2 1 𝐼 = ∫0 ∫−𝑡/2 𝑧 2 𝑑𝑧𝑑𝑦 = 𝑤𝑡 3 (1.9) 12 Giả sử rằng thời gian dao động điều hòa phụ thuộc vào một tách biến với w(x,t) = W(x)T(t) có thể được thực hiện. Đối với trường hợp không có khối lượng thêm vào, ta có phương trình thể hiện tần số Eigen 𝜔0 : 𝜕4 𝑊(𝑥) 𝜕𝑇(𝑡) 𝜕2 𝑇(𝑡) 𝐸̂ 𝐼 𝜕𝑥4 𝜉 𝜕(𝑡) 𝜕𝑡2 = − − ≡ 𝜔02 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 (1. Sự thay đổi vị trí có thể được viết: 𝐸̂ 𝐼 𝑑 4 𝑊(𝑥) − 𝜔02 𝑊(𝑥) = 0 (1.12) 𝜌𝐴+ 𝜒 𝑑𝑥 4 Cách giải phương trình vi phân bậc 4 đồng nhất là giải tổng của 4 biến độc lập: 𝜆 𝜆 𝜆 𝜆 W(x) = c1cos ( 𝑥) + c2 sin ( 𝑥) + c3 sinh( 𝑥) + c4 cosh( 𝑥) (1.13) 𝐿 𝐿 𝐿 𝐿 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Các hằng số c1, c2, c3, c4 là các điều kiện biên: 𝑑𝑊(𝑥) 𝑑 2 𝑊(𝑥) 𝑑 3 𝑊 (𝑥) W(0) = 0, | =0, 2 | =0, | =0 𝑑(𝑥) 𝑥=0 𝑑𝑥 𝑥=𝐿 𝑑𝑥 3 𝑥=𝐿 Với L là chiều dài của cantilever và tham số 𝜆 được định nghĩa bởi: 𝜆 𝜌𝐴𝜔02 ( )4 ∶= (1.14) 𝐿 𝐸̂ 𝐼 Bằng cách giả sử các điều kiện biên này, ta có: Cos 𝜆 cosh 𝜆 = -1 (1.15) Với các giá trị 𝜆a hữu hạn 4 mô hình đầu tiên là: 𝜆0 = 1.16) Thế các giá trị này vào phương trình (14), tần số cộng hưởng của thanh được cho bởi: ℎ𝜆2𝑎 𝑎 𝐸 𝜆2 𝐸̂ 𝐼 𝜔𝑎,0 = 2𝜋𝑓𝑎,0 = 𝐿2 √12 √𝜌(1− 𝜐2 )+ 𝜒 = 𝐿2 √𝜌𝐴+ 𝜒 (1.

Yếu tố chất lượng Q được xác định bởi: 𝜔(𝜌𝐴+ 𝜒) Q= (1.18) 𝜉 Như đã đề cập ở phương trình (11), tần số cộng hưởng của thanh có thể sử dụng mô hình dao động điều hòa 1 chiều như sau: 1 𝑘 1 𝑘 f= √ = √ ∗ (1.24 như tham số hình học cho mô hình cơ bản của thanh dao động hình chữ nhật dẫn tới m* = mn như là khối lượng hiệu dụng và k là độ cứng: ℎ 𝑏 k = 𝐸̂ ( )3 (1.20) 𝐿 4 Khối lượng thêm vào thanh dao động phân bố đều trên bề mặt thanh có thể được thể hiện liên quan tới thay đổi tần số bởi: 𝑘 1 1 ∆𝑚 = − (𝑓2 − 𝑓2 ) , (1.21) 4𝜋2 0 𝑚 Ở đây fm là tần số của thanh khi đã hấp phụ khối lượng: LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.22) 2𝜋 √𝑚∗ +𝑛∆𝑚 ∆𝑚 √1+ 𝑚 Chuỗi Taylor bậc một tính đến fm = f0 + ∆𝑓 dẫn đến 1 ∆𝑚 ∆𝑓 1 ∆𝑚 𝑓𝑚 ≈ 𝑓0 (1 − ) ⇒ ≈ − (1.23) 2 𝑚 𝑓0 2 𝑚 Đối với sensor cộng hưởng, biết được tần số trước và sau khi gắn kết chất lên thanh sẽ xác định được khối lượng của chất đã hấp phụ lên thanh.4 chỉ ra tần số cộng hưởng của thanh dao động trước và sau khi bắt cặp virut. Tần số cộng hưởng giảm sau khi cố định kháng thể và sau khi các kháng thể bắt cặp với virut. Dựa vào sự dịch chuyển tần số có thể tính được khối lượng kháng thể cũng như khối lượng virut trên thanh.