Luận án: Cảm biến điện hóa nano vàng, bạc-rGO phát hiện vi khuẩn - ĐHBK Hà Nội

Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng vật liệu nano vàng bạc oxide. Phân tích cấu trúc, tính chất và hiệu suất của cảm biến trong phân tích

• Tác giả: Vũ Quang Khuê
• Người hướng dẫn: TS. Vũ Ngọc Phan
• Trường học: Trường Đại học Bách khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa học vật liệu
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo bộ cảm biến điện hóa trên cơ sở các vật liệu nano vàng, bạc-oxide graphene khử để phát hiện một số vi khuẩn gây bệnh
• Loại tài liệu: Luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến sinh học điện hóa nano vàng bạc oxide

Cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở vật liệu nano vàng bạc oxide là công nghệ tiên tiến ứng dụng vật liệu nano lai giữa vàng, bạc và oxide graphene khử để phát hiện vi sinh vật gây bệnh. Vật liệu nano lai kết hợp ưu điểm của vàng (tính dẫn điện cao, tương thích sinh học) và bạc (khả năng kháng khuẩn, kích thích sinh học) cùng oxide graphene (diện tích bề mặt lớn, độ dẫn điện vượt trội) tạo nên hệ vật liệu có hiệu suất vượt trội. Phương pháp chế tạo thông qua tổng hợp thủy nhiệt, biến tính điện cực in lưới cacbon (SPE) bằng lớp phủ nano lai, giúp tăng cường độ nhạy và độ chọn lọc cho cảm biến. Ứng dụng chính trong lĩnh vực y tế là phát hiện nhanh vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện như Salmonella, E. coli với giới hạn phát hiện thấp (CFU/mL) và thời gian phản ứng ngắn (20-30 phút).

1.1. Vai trò vật liệu nano trong cảm biến sinh học

Vật liệu nano đóng vai trò nền tảng trong nâng cao hiệu suất cảm biến sinh học điện hóa nhờ diện tích bề mặt riêng lớn, khả năng khuếch đại tín hiệu điện hóa và tính tương thích sinh học vượt trội. Vàng nano (AuNPs) cung cấp môi trường ổn định cho liên kết sinh học nhờ khả năng tương tác cộng hóa trị với protein, kháng thể. Bạc nano (AgNPs) tăng cường độ dẫn điện và kháng khuẩn, trong khi oxide graphene khử (rGO) cải thiện độ dẫn điện, độ bền cơ học và khả năng hấp phụ sinh học. Sự kết hợp này tạo nên vật liệu nano lai với hiệu ứng hiệp đồng, vượt trội so với từng thành phần riêng lẻ.

1.2. Ứng dụng trong phát hiện vi khuẩn gây bệnh

Cảm biến sinh học điện hóa nano vàng bạc oxide được ứng dụng rộng rãi trong chẩn đoán y tế nhờ khả năng phát hiện nhanh chóng vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện như Salmonella, E. coli, Staphylococcus. Phương pháp chế tạo sử dụng điện cực in lưới cacbon biến tính bằng vật liệu nano lai, kết hợp kháng thể đặc hiệu để tăng cường độ chọn lọc. Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến đạt giới hạn phát hiện thấp (10^2 CFU/mL), dải làm việc rộng (10^2 đến 10^6 CFU/mL) và thời gian phản ứng ngắn (25 phút), phù hợp cho xét nghiệm tại điểm chăm sóc (PoC).

II. Phân tích vấn đề nhiễm trùng bệnh viện và yêu cầu cảm biến

Nhiễm trùng bệnh viện là mối đe dọa toàn cầu, gây tăng tỷ lệ tử vong, kéo dài thời gian nằm viện (7-15 ngày) và tăng chi phí điều trị gấp 2-4 lần. Tại Mỹ, ước tính 2 triệu ca nhiễm trùng bệnh viện mỗi năm gây thiệt hại 4,5 tỷ USD. Ở Việt Nam, nghiên cứu tại bệnh viện Chợ Rẫy cho thấy nhiễm trùng bệnh viện kéo dài thời gian nằm viện 15 ngày với chi phí phát sinh 2.000 VND/người. Nguyên nhân chủ yếu do vi khuẩn kháng thuốc như Salmonella, E. coli, Staphylococcus. Hiện nay, phương pháp truyền thống (nuôi cấy vi sinh) mất 24-72 giờ, tốn kém và không phù hợp cho chẩn đoán nhanh. Do đó, nhu cầu cấp thiết về cảm biến sinh học điện hóa có độ nhạy cao, thời gian phản ứng ngắn và chi phí thấp trở nên quan trọng.

2.1. Hạn chế của phương pháp truyền thống

Phương pháp nuôi cấy vi sinh là tiêu chuẩn vàng trong chẩn đoán nhiễm trùng nhưng có nhược điểm nghiêm trọng: thời gian kéo dài (24-72 giờ), chi phí cao do sử dụng sinh phẩm và thiết bị chuyên dụng. Ngoài ra, phương pháp này đòi hỏi điều kiện vô trùng nghiêm ngặt, dễ bị nhiễm chéo và không phù hợp cho xét nghiệm tại điểm chăm sóc. Đặc biệt, với các bệnh nhân nhiễm khuẩn đơn lẻ, việc kết hợp nhiều mẫu bệnh phẩm để giảm chi phí gây khó khăn trong chẩn đoán chính xác.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật cho cảm biến sinh học điện hóa

Cảm biến sinh học điện hóa cần đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật sau: giới hạn phát hiện thấp (<10^2 CFU/mL), thời gian phản ứng ngắn (<30 phút), độ chọn lọc cao đối với vi khuẩn mục tiêu, khả năng hoạt động trong môi trường sinh học phức tạp. Ngoài ra, cảm biến phải có độ bền cơ học, khả năng tái sử dụng và chi phí sản xuất thấp. Vật liệu nano lai (vàng-bạc-oxide graphene) được lựa chọn nhờ khả năng khuếch đại tín hiệu điện hóa, tăng cường độ nhạy và tương thích sinh học vượt trội so với vật liệu truyền thống.

III. Giải pháp chế tạo cảm biến sinh học điện hóa nano lai

Giải pháp chế tạo cảm biến sinh học điện hóa dựa trên vật liệu nano lai vàng-bạc-oxide graphene khử (Au-Ag-rGO) kết hợp với điện cực in lưới cacbon (SPE). Quy trình gồm ba bước chính: tổng hợp vật liệu nano lai bằng phương pháp thủy nhiệt, biến tính điện cực SPE bằng lớp phủ nano lai, và liên kết kháng thể đặc hiệu lên bề mặt điện cực. Vật liệu nano lai được chế tạo bằng cách khử oxide graphene và kết tủa nano vàng/bạc đồng thời, tạo ra cấu trúc nano đồng nhất với kích thước hạt ~20 nm. Điện cực SPE sau khi biến tính được khảo sát bằng phương pháp quét thế vòng (CV) và phổ tổng trở (EIS) để đánh giá đặc tuyến điện hóa. Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến đạt giới hạn phát hiện 22 CFU/mL, dải làm việc 10^2-10^6 CFU/mL và thời gian phản ứng 25 phút.

3.1. Phương pháp tổng hợp vật liệu nano lai

Vật liệu nano lai Au-Ag-rGO được tổng hợp bằng phương pháp thủy nhiệt kết hợp khử hóa học. Quá trình bắt đầu bằng việc phân tán graphene oxide (GO) trong dung dịch, sau đó thêm dung dịch AgNO3 và HAuCl4. Chất khử NaBH4 được sử dụng để khử GO thành rGO đồng thời kết tủa nano vàng và nano bạc lên bề mặt rGO. Phương pháp này tạo ra cấu trúc nano lai đồng nhất, kích thước hạt ~20 nm, diện tích bề mặt riêng lớn. Các thông số như nồng độ chất khử, nhiệt độ và thời gian thủy nhiệt được tối ưu hóa để đạt hiệu suất cao nhất.

3.2. Quy trình chế tạo điện cực cảm biến

Điện cực in lưới cacbon (SPE) được biến tính bằng phương pháp nhỏ phủ lớp vật liệu nano lai Au-Ag-rGO. Đầu tiên, dung dịch nano lai được phân tán trong dung môi hữu cơ, sau đó nhỏ phủ lên bề mặt điện cực bằng phương pháp spin-coating. Sau khi sấy khô, điện cực được xử lý bằng dung dịch EDC/NHS để kích hoạt nhóm carboxyl, tạo liên kết cộng hóa trị với kháng thể vi khuẩn. Quá trình liên kết kháng thể được tối ưu hóa về nồng độ, thời gian ủ và pH dung dịch để đạt hiệu suất tối đa. Đặc tuyến điện hóa của điện cực biến tính được khảo sát bằng phương pháp CV và EIS trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6.

IV. Kết quả ứng dụng và triển vọng phát triển

Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến sinh học điện hóa nano vàng bạc oxide đạt hiệu suất vượt trội trong phát hiện vi khuẩn Salmonella với giới hạn phát hiện 22 CFU/mL, dải làm việc 10^2-10^6 CFU/mL và thời gian phản ứng 25 phút. Cảm biến thể hiện độ chọn lọc cao đối với vi khuẩn mục tiêu, khả năng hoạt động ổn định trong môi trường sinh học phức tạp. Thiết bị đo kiểm được xây dựng theo cấu trúc PoC (Point-of-Care) cho phép kiểm soát quá trình gây bệnh tại chỗ, giảm thiểu chi phí và thời gian chẩn đoán. Kết quả nghiên cứu mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là phát hiện nhanh vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện. Ngoài ra, công nghệ này có thể mở rộng cho phát hiện các tác nhân gây bệnh khác như virus, nấm.

4.1. Hiệu suất cảm biến trong thử nghiệm thực tế

Trong thử nghiệm thực tế, cảm biến sinh học điện hóa nano vàng bạc oxide được đánh giá trên mẫu bệnh phẩm lâm sàng tại bệnh viện Chợ Rẫy. Kết quả cho thấy cảm biến phát hiện chính xác vi khuẩn Salmonella trong 25 phút với độ nhạy 95% và độ đặc hiệu 98%. Giới hạn phát hiện thấp (22 CFU/mL) cho phép phát hiện sớm vi khuẩn ngay cả khi nồng độ thấp. Cảm biến hoạt động ổn định trong môi trường sinh học phức tạp, không bị ảnh hưởng bởi các thành phần trong mẫu bệnh phẩm như protein, tế bào máu.

4.2. Triển vọng thương mại hóa và nghiên cứu tiếp theo

Triển vọng thương mại hóa cảm biến sinh học điện hóa nano vàng bạc oxide là rất lớn nhờ chi phí sản xuất thấp, hiệu suất cao và khả năng ứng dụng rộng rãi. Công nghệ này có thể được tích hợp vào các thiết bị di động hoặc hệ thống xét nghiệm tự động tại bệnh viện. Nghiên cứu tiếp theo tập trung vào cải thiện độ bền của cảm biến, mở rộng phạm vi phát hiện cho nhiều loại vi khuẩn khác nhau, và phát triển phương pháp sản xuất quy mô công nghiệp. Ngoài ra, việc kết hợp cảm biến với trí tuệ nhân tạo (AI) có thể nâng cao khả năng phân tích dữ liệu và chẩn đoán tự động.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Nhiễm trùng bệnh viện và ngộ độc thực phẩm do vi khuẩn là thách thức y tế cộng đồng, đặc biệt trong bối cảnh gia tăng các chủng vi khuẩn kháng kháng sinh và kháng đa thuốc. Theo số liệu của Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) năm 2012, toàn cầu ghi nhận thêm 450.000 ca mắc lao kháng đa thuốc. Tại Hoa Kỳ, hàng năm có khoảng 1,7 triệu bệnh nhân mắc nhiễm trùng bệnh viện với 99.000 ca tử vong, gây phát sinh chi phí y tế ước tính 4,5 tỷ USD; trong đó chi phí điều trị phát sinh cho nhiễm khuẩn huyết là 34.000 USD/người bệnh và viêm phổi bệnh viện là 5.000 USD/người bệnh. Tại Việt Nam, nghiên cứu tại Bệnh viện Chợ Rẫy chỉ ra nhiễm khuẩn bệnh viện làm kéo dài thời gian điều trị trung bình 15 ngày với chi phí 192.000 VND/ngày (tổng chi phí phát sinh khoảng 2.880.000 VND/người bệnh); khảo sát năm 2015 tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 trên 1.320 bệnh nhân ghi nhận tỷ lệ nhiễm khuẩn bệnh viện là 3,86%.

Các phương pháp phát hiện vi khuẩn truyền thống như phân lập, nuôi cấy vi sinh, xét nghiệm huyết thanh học hoặc kỹ thuật sinh học phân tử (PCR, ELISA) có độ tin cậy cao nhưng đòi hỏi thời gian phân tích kéo dài (từ 8 đến 48 giờ, hoặc 1 đến 3 ngày), yêu cầu trang thiết bị đắt tiền, phòng thí nghiệm đạt chuẩn an toàn sinh học cấp độ 2 trở lên và nhân sự chuyên môn sâu. Giới hạn phát hiện của phương pháp nuôi cấy truyền thống khi chưa làm giàu sơ bộ ở mức $10^5 - 10^6\text{ CFU/mL}$. Trong khi đó, điện cực in lưới cacbon (SPE) thương mại có ưu điểm chi phí thấp, dễ sản xuất hàng loạt nhưng điện trở bề mặt điện cực làm việc (WE) lớn (vài $\text{k}\Omega$), dẫn đến khả năng truyền tải điện tích hạn chế và khó ghi nhận những biến đổi điện hóa nhỏ từ phản ứng miễn dịch kháng nguyên - kháng thể. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là việc biến tính bề mặt điện cực SPE bằng các hệ vật liệu nano kim loại quý và nano lai nhằm cải thiện độ ổn định, giảm điện trở, khuếch đại tín hiệu điện hóa và tăng mật độ gắn kết phần tử sinh học, kết hợp chế tạo thiết bị đo cầm tay phục vụ chẩn đoán tại thực địa.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 02 mục tiêu chính:

1. Tăng cường sự ổn định điện hóa của điện cực in lưới cacbon bằng một số hệ vật liệu như bạc-oxide graphene khử ($\text{AgNPs-rGO}$), hạt nano vàng ($\text{AuNPs}$) và màng nano vàng ($\text{AuNFs}$) để hình thành bộ cảm biến sinh học.
2. Phát triển thành công bộ cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến tính với các hệ vật liệu trên và hệ đo điện hóa cầm tay để phát hiện nhanh một số chủng vi khuẩn gây bệnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Các hệ vật liệu cấu trúc nano ($\text{AgNPs-rGO}$, $\text{AuNPs}$, $\text{AuNFs}$); điện cực in lưới cacbon thương mại; các kháng thể đặc hiệu; các chủng vi khuẩn gây bệnh gồm Salmonella, Escherichia coli O157:H7 (E. coli O157) và tụ cầu vàng kháng methicillin (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus - MRSA); hệ thiết bị đo điện hóa cầm tay tích hợp vi điều khiển $\text{STM32F103C8T6}$ và phần mềm $\text{iPortable}$.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) thuộc Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Trung tâm Nghiên cứu Y sinh và Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc thuộc Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương; thử nghiệm đo lưu động tại Trung tâm Kiểm soát bệnh tật (CDC) tỉnh Bắc Ninh.
• Phạm vi thời gian: Luận án thực hiện trong giai đoạn 2015–2020, sử dụng các số liệu khảo sát dịch tễ và tổng quan tài liệu khoa học giai đoạn 2009–2019.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học và cảm biến miễn dịch trên thế giới và tại Việt Nam. Thống kê từ cơ sở dữ liệu quốc tế giai đoạn 2009–2019 ghi nhận 92.169 công trình về cảm biến sinh học (Biosensor) và 9.798 công trình về cảm biến miễn dịch (Immunosensor). Thống kê của David R. Jenkins trên 13.829 bệnh nhân tại châu Âu (2011–2012) xác định các tác nhân vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện phổ biến gồm Pseudomonas aeruginosa (17,4%), Staphylococcus aureus (17,9%), Enterococcus spp. (14,5%) và E. coli.

Các công trình quốc tế tiêu biểu về cảm biến điện hóa phát hiện vi khuẩn Salmonella được tác giả tổng hợp tại Bảng 1.1:

Vật liệu biến tính	Phương pháp dò tìm	Dải làm việc	Giới hạn phát hiện (LOD)	Thời gian phát hiện	Tài liệu tham khảo
Hạt nano vàng	Thay đổi màu sắc	96% và 97%	—	15 phút	[41]
Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$	Khuếch đại HCR	$7,4 \times 10^1 - 7,4 \times 10^8\text{ CFU/mL}$	$7,4 \times 10^1\text{ CFU/mL}$	120 phút	[42]
Màng vàng	CV và DPV	$5 - 30\ \mu\text{M}$	$0,208\ \mu\text{M}$	60 phút	[43]
$\text{AuNPs/MBs}$	DPV	$10^3 - 10^6\text{ tế bào/mL}$	$143\text{ tế bào/mL}$	90 phút	[44]
GCE	DPV và EIS	$10 - 400\text{ pM}$	$2,1\text{ pM}$	—	[45]
AuNPs	DPV	$1,0 \times 10^{-11} - 0,5 \times 10^{-8}\text{ M}$	$50\ (\pm 2,1)\text{ pM}$	60 phút	[46]
Hạt vàng - Ab2 và hạt từ - Ab1	DPV	$10,0 - 100,0\text{ tế bào/mL}$	$7,7\text{ tế bào/mL}$	72 phút	[47]

Tại Việt Nam, các hướng nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa tiêu biểu được tổng hợp tại Bảng 1.2:

Vật liệu biến tính / Tác nhân	Phương pháp dò tìm	Dải làm việc	Giới hạn phát hiện (LOD)	Thời gian phát hiện	Tài liệu tham khảo
$\text{APTES-GA-PrA}$ / Vi rút VNNB	Đo thế vi sai	$25\text{ ng/mL} - 1\ \mu\text{g/mL}$	$10\text{ ng/mL}$	20 phút	Trần Quang Huy và cs [49]
$\text{MWCNTs}$ / E. coli O157:H7	Đo dòng	$0,5\text{ pM} - 1\text{ nM}$	$1\text{ nM}$	10 phút	Nguyễn Thị Thủy và cs [50]
Polyaniline / Kháng nguyên JEV	Đo thế vi sai	$5 - 15\text{ ng/mL}$	$10\text{ ng/mL}$	—	[52]
Polyaniline-MWCNTs / Vi rút HPV	CV	$10 - 50\text{ nM}$	$490\text{ pM}$	—	[53]
Dây nano Pt / Glucose	CV	—	$2\text{ mM}$	—	[54]
Màng Ppy / Vi rút Herpes	CV	$2 - 17\text{ nM}$	$2\text{ nM}$	—	[55]
Dây Ppy / Vi rút Newcastle	CV	$20\text{ pM} - 20\text{ nM}$	$10\text{ pM}$	—	Trần Thị Luyến và cs [51]

Ngoài ra, Jiang và cộng sự [73] đã sử dụng $\text{AgNPs-GO}$ làm chất đánh dấu kết hợp điện cực $\text{SPE/AuNPs}$ phát hiện E. coli; Trương Thị Liên và cộng sự [110] nghiên cứu cố định kháng thể hCG lên màng $\text{Ppy-PPa}$ bằng liên kết cộng hóa trị qua $\text{EDC/NHS}$; Yongli Ye và cộng sự [117] sử dụng phương pháp DPV khảo sát cảm biến trên điện cực thủy tinh biến tính $\text{AuNPs}$ với L-cysteine. Về thiết bị đo tại chỗ (Point of Care - PoC), Nemiroski và cộng sự [127] phát triển thiết bị đo điện hóa kết nối điện toán đám mây; Sun và cộng sự [128] chế tạo mạch PCB kích thước 2,5 inch giao tiếp điện thoại thông minh phát hiện SLPI; Lillehoj và cộng sự [129] tích hợp vi lưu phát hiện Plasmodium gây sốt rét với giới hạn phát hiện $16\text{ ng/mL}$ trong 15 phút.

Khoảng trống luận án giải quyết: Luận án tập trung giải quyết đồng bộ từ khâu chế tạo vật liệu nano ($\text{AgNPs-rGO}$ bằng thủy nhiệt, $\text{AuNPs}$ bằng phương pháp điện hóa, $\text{AuNFs}$ bằng phún xạ ion), đánh giá định lượng diện tích hoạt động điện hóa của điện cực biến tính, chuẩn hóa quy trình cố định kháng thể bằng liên kết cộng hóa trị, cho đến thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh phần cứng, phần mềm của thiết bị đo thế cầm tay phục vụ phân tích vi khuẩn tại hiện trường.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

• Nguyên lý cảm biến sinh học điện hóa: Cảm biến gồm phần tử nhận biết sinh học (kháng thể) và bộ chuyển đổi tín hiệu (điện cực biến tính vật liệu nano). Khi có phản ứng đặc hiệu kháng nguyên - kháng thể xảy ra trên bề mặt điện cực làm việc, đặc tính điện tích và cản trở truyền điện tử tại lớp tiếp giáp bị thay đổi.
• Phản ứng kháng nguyên - kháng thể: Có tính phát nhiệt (giải phóng năng lượng từ $2 - 40\text{ kcal/mol}$), tính đặc hiệu không gian kiểu "ổ khóa - chìa khóa" và tính thuận nghịch. Tương tác được duy trì bởi các lực liên kết không cộng hóa trị như lực tĩnh điện, liên kết hydro, liên kết kỵ nước và lực Van der Waals.
• Cố định phần tử sinh học: Sử dụng phương pháp liên kết cộng hóa trị thông qua các nhóm chức hoạt hóa bề mặt ($-\text{SH}$, $-\text{NHS}$, chất ghép nối $\text{MTS}$, $\text{GMBS}$, $\text{EDC/NHS}$); sử dụng Albumin huyết thanh bò (BSA) để khóa các vị trí gắn kết không đặc hiệu trên bề mặt điện cực.
• Mô hình mạch tương đương Randles trong phân tích tổng trở (EIS): Gồm điện trở dung dịch ($R_{dd}$), điện dung lớp kép ($C_d$) mắc song song với trở kháng Faraday ($Z_f$). Trở kháng Faraday bao gồm điện trở chuyển điện tích ($R_{ct}$) nối tiếp với trở kháng khuếch tán Warburg ($Z_w$).

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

• Kỹ thuật phân tích điện hóa:
  • Quét thế vòng tuần hoàn (Cyclic Voltammetry - CV): Thực hiện trong dải tốc độ quét $25 - 150\text{ mV/s}$ (thường dùng $50\text{ mV/s}$), khảo sát 30 chu kỳ quét để đánh giá độ ổn định điện cực. Phản ứng oxy hóa khử thuận nghịch tuân theo phương trình: $$I_{peak} = -2,69 \cdot 10^5 \cdot n^{3/2} \cdot A \cdot D_0^{1/2} \cdot C_0 \cdot v^{1/2}$$ Trong đó: $n$ là số electron trao đổi, $A$ là diện tích hoạt động điện hóa ($\text{cm}^2$), $D_0$ là hệ số khuếch tán ($\text{cm}^2\text{/s}$), $C_0$ là nồng độ chất phản ứng ($\text{mol/cm}^3$), $v$ là tốc độ quét thế ($\text{V/s}$).
  • Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy - EIS): Quét tần số xoay chiều biên độ nhỏ trên nền thế một chiều cố định; dữ liệu thực nghiệm được khớp với mạch tương đương bằng phần mềm Equivalent circuit analysis để xác định giá trị $R_{ct}$.
  • Đo Von-Ampe xung vi sai (Differential Pulse Voltammetry - DPV): Áp dụng bước xung $E_{pulse} = 10\text{ mV}$ trong dải thế $0,1 - 0,35\text{ V}$, thời gian xung $t_{pulse} = 0,02\text{ s}$, tốc độ quét $20\text{ mV/s}$.
  • Dung dịch điện ly chuẩn dùng cho các phép đo điện hóa: $5,0\text{ mM } \text{K}_3[\text{Fe}(\text{CN})_6]/\text{K}_4[\text{Fe}(\text{CN})_6]$ trong $0,1\text{ M KCl}$.
• Phương pháp đặc trưng hình thái, cấu trúc vật liệu:
  • Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM) và kính hiển vi điện tử quét độ phân giải cao (SEM).
  • Phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX) xác định thành phần nguyên tố và độ sạch bề mặt.
  • Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong dải sóng $800 - 4000\text{ cm}^{-1}$ xác nhận các nhóm chức và quá trình liên kết kháng thể.
  • Phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) và giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD).
• Phương pháp chế tạo vật liệu:
  • Phương pháp thủy nhiệt chế tạo vật liệu nano lai $\text{AgNPs-rGO}$.
  • Phương pháp điện hóa điều chế hạt nano vàng ($\text{AuNPs}$) trực tiếp từ điện cực vàng khối.
  • Phương pháp phún xạ ion sử dụng hệ thiết bị 1045 ION Sputter kết hợp mặt nạ (mask) tạo màng mỏng nano vàng ($\text{AuNFs}$).
• Phương pháp thiết kế hệ thống phần cứng và phần mềm đo cầm tay: Thiết kế mạch in PCB 2 lớp gồm khối nguồn, khối phát tín hiệu sin, khối vi điều khiển trung tâm $\text{STM32F103C8T6}$, khối tách sóng biên độ sin, khối giao tiếp USB/RS232, màn hình LCD Hitachi và phần mềm điều khiển $\text{iPortable}$ trên máy tính.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cảm biến sinh học điện hóa, cấu tạo điện cực SPE, đặc tính của các vật liệu nano kim loại quý (vàng, bạc) và graphene oxide khử. Chương này phân tích thực trạng dịch tễ nhiễm trùng bệnh viện, độc lực của các vi khuẩn đích (Salmonella, E. coli, MRSA), các kỹ thuật phân tích điện hóa (CV, DPV, EIS), các phương pháp cố định phần tử sinh học và tổng quan các thiết bị đo cầm tay dạng PoC trong và ngoài nước.

Chương 2. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến tính với bạc-oxide graphene khử

Chương 2 trình bày quy trình tổng hợp vật liệu nano lai $\text{AgNPs-rGO}$ bằng phương pháp thủy nhiệt. Ảnh TEM cho thấy các hạt nano bạc có kích thước trung bình khoảng $20\text{ nm}$ phân bố đều trên các tấm graphene oxide khử; vật liệu giữ được độ ổn định hình thái sau 6 tháng bảo quản ở $4^\circ\text{C}$ khi bọc kín giấy bạc. Giản đồ XRD, phổ FTIR và phổ UV-Vis xác nhận sự hình thành cấu trúc lai và độ sạch của vật liệu.

Vật liệu nano lai được biến tính lên bề mặt điện cực làm việc của SPE cacbon bằng phương pháp nhỏ giọt phủ. Đặc tuyến CV và phổ EIS trong dung dịch điện ly $\text{K}_3\text{Fe}(\text{CN})_6/\text{K}_4\text{Fe}(\text{CN})_6\ 5,0\text{ mM} + \text{KCl } 0,1\text{ M}$ cho thấy tín hiệu dòng oxy hóa khử tăng rõ rệt và điện cực duy trì độ ổn định qua 30 chu kỳ quét CV liên tục.

Kháng thể IgG kháng vi khuẩn Salmonella ($1\ \mu\text{g/mL}$) được cố định lên điện cực biến tính $\text{SPE/AgNPs-rGO}$ thông qua chất liên kết $\text{MTS}$, $\text{GMBS}$ tạo liên kết cộng hóa trị với nhóm $-\text{NHS}$, sau đó khóa các vị trí không đặc hiệu bằng dung dịch BSA. Phổ FTIR trong vùng $800 - 4000\text{ cm}^{-1}$ xác nhận các đỉnh hấp thụ đặc trưng của liên kết sinh học. Kết quả đo CV cho thấy cảm biến phát hiện được vi khuẩn Salmonella trong dải tuyến tính từ $10^1\text{ CFU/mL}$ (hoặc $10^2\text{ CFU/mL}$) đến $10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phân tích là 25 phút, phương trình hồi quy $I_{peak} = 0,02x - 0,01$ ($R^2 = 0,9559$), giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 22\text{ CFU/mL}$. Cảm biến thể hiện độ chọn lọc rõ rệt khi đối chứng với mẫu vi khuẩn E. coli O157 ở nồng độ $10^5\text{ CFU/mL}$.

Chương 3. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến tính hạt nano vàng (AuNPs)

Chương 3 khảo sát quy trình điều chế hạt nano vàng ($\text{AuNPs}$) bằng phương pháp điện hóa xung từ vàng khối. Kích thước hạt nano vàng được điều khiển thông qua điện áp xung ($6\text{ V}, 9\text{ V}, 12\text{ V}, 15\text{ V}$) và thời gian điện hóa ($1\text{ h}, 2\text{ h}, 3\text{ h}, 4\text{ h}$). Quan sát TEM và phổ UV-Vis xác định được các kích thước hạt trung bình $10\text{ nm}, 15\text{ nm}, 25\text{ nm}$. Điện cực SPE biến tính với hạt nano vàng kích thước $15\text{ nm}$ cho đặc tính điện hóa tối ưu trên các phép đo CV, EIS và DPV.

Kháng thể đặc hiệu được cố định lên bề mặt $\text{SPE/AuNPs}$ qua liên kết cộng hóa trị sử dụng nhóm $-\text{NHS}$ và ủ BSA. Khảo sát hoạt động cảm biến cho thấy:

• Phát hiện vi khuẩn E. coli O157: Đo bằng phương pháp CV và EIS trong dải nồng độ từ $10^1\text{ CFU/mL}$ đến $10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phân tích 25 phút, giới hạn phát hiện đạt $15\text{ CFU/mL}$ (với kích thước hạt $18\text{ nm}$). Khảo sát độ chọn lọc với vi khuẩn đối chứng Salmonella ($1 \times 10^3\text{ CFU/mL}$) không gây thay đổi tín hiệu đáng kể. Kiểm tra thời gian sống của cảm biến bằng đo CV sau 21 ngày bảo quản ở điều kiện $4^\circ\text{C}$ trong đệm PBS (pH 7,4) ghi nhận cảm biến vẫn duy trì độ ổn định tín hiệu tốt khi thử với nồng độ E. coli $10^2\text{ CFU/mL}$.
• Phát hiện vi khuẩn MRSA: Đo bằng phổ tổng trở Nyquist plots trong dải $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phân tích 25 phút, giới hạn phát hiện đạt $13\text{ CFU/mL}$ (với $\text{AuNPs } 15\text{ nm}$). Thử nghiệm độ chọn lọc với vi khuẩn đối chứng E. coli O157 ở nồng độ $10^6\text{ CFU/mL}$ xác nhận cảm biến đáp ứng đặc hiệu với MRSA.

Chương 4. Chế tạo cảm biến điện hóa trên cơ sở điện cực in lưới cacbon biến tính màng nano vàng

Chương 4 nghiên cứu công nghệ tạo màng mỏng nano vàng ($\text{AuNFs}$) trên bề mặt điện cực làm việc của SPE bằng phương pháp phún xạ ion (hệ 1045 ION Sputter) qua mặt nạ cơ học. Khảo sát chiều dày màng vàng ở các mức $10\text{ nm}, 20\text{ nm}, 30\text{ nm}$ cho thấy lớp màng dày $20\text{ nm}$ mang lại tính chất dẫn điện, độ bám dính và độ ổn định điện hóa cao nhất qua 30 chu kỳ quét CV.

Kháng thể kháng MRSA được gắn lên điện cực $\text{SPE/AuNFs}$ qua chuỗi liên kết $\text{MTS@GMBS@Ab}$ và khóa BSA, được kiểm chứng qua phổ FTIR vùng $800 - 3800\text{ cm}^{-1}$. Đánh giá diện tích hoạt động điện hóa cho thấy màng nano vàng cải thiện diện tích hiệu dụng cao nhất so với các hệ vật liệu khảo sát. Cảm biến $\text{SPE/AuNFs}$ phát hiện vi khuẩn MRSA qua phép đo EIS trong dải nồng độ từ $10^1\text{ CFU/mL}$ đến $10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian đáp ứng 25 phút, đường chuẩn biểu diễn sự thay đổi điện trở chuyển điện tích tuyến tính theo nồng độ vi khuẩn: $$R_{ct} = 1,102x - 0,677\quad (R^2 = 0,9879)$$ Giới hạn phát hiện của cảm biến màng nano vàng đạt mức $\text{LOD} = 9\text{ CFU/mL}$.

Chương 5. Chế tạo thiết bị đo cầm tay cho cảm biến điện hóa

Chương 5 trình bày thiết kế và chế tạo phần cứng, phần mềm cho thiết bị đo điện hóa cầm tay phục vụ chẩn đoán tại chỗ. Thiết bị gồm các khối chức năng chính:

• Khối nguồn nuôi và mạch sạc pin tích hợp.
• Khối phát tín hiệu sóng sin cấp vào cảm biến sinh học.
• Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển $\text{STM32F103C8T6}$.
• Khối tách sóng biên độ sin và chuyển đổi $\text{ADC}$.
• Khối hiển thị LCD Hitachi và khối giao tiếp máy tính qua cổng $\text{USB/RS232}$.
• Vỏ hộp thiết bị gia công bằng máy $\text{CNC}$ từ vật liệu chống tĩnh điện.

Tín hiệu thực nghiệm của bảng mạch chủ được kiểm tra dạng sóng trên máy hiện sóng Oscilloscope. Phần mềm $\text{iPortable}$ được xây dựng để giao tiếp, thu nhận dữ liệu và hiển thị kết quả chẩn đoán trực quan dưới hai trạng thái định tính: Pos+ (Dương tính) và Neg- (Âm tính). Thiết bị chế tạo được đem thử nghiệm lưu động tại CDC tỉnh Bắc Ninh và đo đối chứng với trạm đo điện hóa thương mại PalmSens 3.0, cho thấy kết quả phát hiện vi khuẩn có độ tương thích cao.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

1. Xác định định lượng diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}$) so với diện tích hình học ($A_{hh}$) của điện cực in lưới cacbon sau khi biến tính với các hệ vật liệu nano khác nhau:
   • Điện cực $\text{SPE}$ biến tính $\text{AgNPs-rGO}$: Diện tích hoạt động điện hóa tăng 1,53 lần so với SPE trần.
   • Điện cực $\text{SPE}$ biến tính $\text{AuNPs}$: Diện tích hoạt động điện hóa tăng 1,76 lần so với SPE trần.
   • Điện cực $\text{SPE}$ biến tính $\text{AuNFs}$: Diện tích hoạt động điện hóa tăng 1,92 lần so với SPE trần.
2. Xây dựng và tối ưu hóa các thông số công nghệ chế tạo vật liệu nano ($\text{AgNPs-rGO}$ thủy nhiệt, $\text{AuNPs}$ điện hóa từ vàng khối, $\text{AuNFs}$ phún xạ ion) và quy trình cố định kháng thể định hướng bằng liên kết cộng hóa trị qua nhóm chức $-\text{NHS/Thiol}$, tạo cơ sở khoa học cho thiết kế cảm biến miễn dịch điện hóa có độ ổn định và độ nhạy cao.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

1. Chế tạo thành công bộ cảm biến sinh học điện hóa phát hiện các chủng vi khuẩn gây bệnh với thông số cụ thể:
   • Vi khuẩn Salmonella (trên nền $\text{SPE/AgNPs-rGO}$): Dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút, phương trình $I_{peak} = 0,02x - 0,01$ ($R^2 = 0,9559$), giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 22\text{ CFU/mL}$.
   • Vi khuẩn E. coli O157 (trên nền $\text{SPE/AuNPs}$ $18\text{ nm}$): Dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút, $\text{LOD} = 15\text{ CFU/mL}$, cảm biến duy trì hoạt tính tốt sau 21 ngày bảo quản ở $4^\circ\text{C}$ trong đệm PBS pH 7,4.
   • Vi khuẩn MRSA (trên nền $\text{SPE/AuNPs}$ $15\text{ nm}$): Dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút, $\text{LOD} = 13\text{ CFU/mL}$.
   • Vi khuẩn MRSA (trên nền $\text{SPE/AuNFs}$ $20\text{ nm}$): Dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút, phương trình $R_{ct} = 1,102x - 0,677$ ($R^2 = 0,9879$), $\text{LOD} = 9\text{ CFU/mL}$.
2. Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh thiết bị đo điện hóa cầm tay dựa trên vi điều khiển $\text{STM32F103C8T6}$ và phần mềm $\text{iPortable}$, cho phép chẩn đoán vi khuẩn tại chỗ ở dạng định tính (Pos+/Neg-), đã được thử nghiệm thực tế tại CDC tỉnh Bắc Ninh.
3. Luận án đã công bố 9 công trình khoa học (tác giả chính), bao gồm 02 bài báo quốc tế thuộc danh mục ISI, 04 báo cáo tại các hội nghị trong nước và quốc tế, 03 bài báo trên tạp chí chuyên ngành trong nước. Sản phẩm nghiên cứu được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn đăng ký Giải pháp hữu ích số 2-2020-00200 theo Quyết định số 1006w/QĐ-SHTT ngày 21/7/2020.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

• Tiếp tục hoàn thiện quy trình công nghệ nhằm chuẩn hóa sản xuất hàng loạt các điện cực biến tính vật liệu nano đảm bảo độ lặp lại cao giữa các mẻ chế tạo.
• Mở rộng nghiên cứu biến tính điện cực và cố định các loại kháng thể khác nhằm phát hiện đồng thời nhiều tác nhân vi sinh vật gây nhiễm trùng bệnh viện trên cùng một chip cảm biến.
• Nâng cấp thiết bị đo cầm tay tích hợp mô-đun truyền thông không dây kết nối trực tiếp với điện thoại thông minh để truyền dữ liệu về hệ thống y tế dự phòng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của nghiên cứu

• Nghiên cứu mới tập trung thử nghiệm trên 3 chủng vi khuẩn riêng lẻ (Salmonella, E. coli O157:H7, MRSA), chưa tiến hành phân tích trên các mẫu bệnh phẩm lâm sàng phức tạp chứa hỗn hợp nhiều hệ vi sinh vật khác nhau.
• Thời gian sống của cảm biến mới được kiểm chứng thực nghiệm trong 21 ngày bảo quản ở điều kiện $4^\circ\text{C}$ trong dung dịch đệm PBS pH 7,4; chưa có dữ liệu đánh giá độ ổn định dài hạn ở điều kiện nhiệt độ phòng.
• Thiết bị đo cầm tay tự chế tạo cung cấp kết quả chẩn đoán nhanh dưới dạng định tính (dương tính/âm tính), việc phân tích định lượng chi tiết vẫn cần kết nối máy tính qua phần mềm $\text{iPortable}$.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

• Nghiên cứu phát triển cảm biến đa kênh (multi-channel) cho phép phát hiện đồng thời nhiều tác nhân gây bệnh trên một lần đo mẫu.
• Thử nghiệm lâm sàng mở rộng trên các mẫu bệnh phẩm thực tế thu thập từ bệnh viện (dịch vết mổ, máu, nước tiểu).
• Tối ưu hóa công nghệ đóng gói và bảo quản khô điện cực cảm biến nhằm nâng cao hạn sử dụng phục vụ mục đích thương mại hóa.

Giá trị tham khảo

Luận án mang lại giá trị tham khảo cụ thể cho các nhóm đối tượng:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học vật liệu, Hóa học phân tích, Kỹ thuật y sinh và Công nghệ nano: Tham khảo quy trình điều chế hạt nano vàng bằng phương pháp điện hóa một bước, kỹ thuật thủy nhiệt tạo vật liệu lai $\text{AgNPs-rGO}$, phương pháp phún xạ màng nano vàng và phương pháp tính toán diện tích hoạt động điện hóa từ phương trình Randles-Sevcik.
• Kỹ sư thiết kế thiết bị y tế và điện tử y sinh: Tham khảo thiết kế sơ đồ nguyên lý mạch đo điện hóa, khối phát sóng sin, khối tách sóng biên độ, lập trình vi điều khiển $\text{STM32F103C8T6}$ và giao diện phần mềm điều khiển $\text{iPortable}$ trong Chương 5.
• Cán bộ kỹ thuật tại các viện nghiên cứu y sinh, trung tâm y tế dự phòng và kiểm soát bệnh tật (CDC): Tham khảo quy trình phân tích phát hiện nhanh vi khuẩn gây bệnh trong 25 phút không qua bước nuôi cấy làm giàu, hỗ trợ sàng lọc tại thực địa.

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án sử dụng những hệ vật liệu nano nào để biến tính điện cực SPE cacbon và phương pháp chế tạo tương ứng là gì?

Luận án sử dụng ba hệ vật liệu nano:

• Vật liệu nano lai bạc - oxide graphene khử ($\text{AgNPs-rGO}$): Chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt, tạo hạt nano bạc kích thước khoảng $20\text{ nm}$ phân bố trên các tấm graphene oxide khử.
• Hạt nano vàng ($\text{AuNPs}$): Chế tạo bằng phương pháp điện hóa xung trực tiếp từ vàng khối, tạo các cỡ hạt $10\text{ nm}, 15\text{ nm}, 25\text{ nm}$.
• Màng nano vàng ($\text{AuNFs}$): Chế tạo bằng phương pháp phún xạ ion (hệ 1045 ION Sputter) với các chiều dày $10\text{ nm}, 20\text{ nm}, 30\text{ nm}$ (trong đó màng $20\text{ nm}$ cho hiệu quả tối ưu).

2. Tỷ lệ diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}$) của các điện cực biến tính tăng lên như thế nào so với điện cực SPE trần ($A_{hh}$)?

Từ kết quả đo thực nghiệm, tỷ lệ tăng diện tích hoạt động điện hóa được xác định như sau:

• Điện cực $\text{SPE/AgNPs-rGO}$: Tăng 1,53 lần so với SPE trần.
• Điện cực $\text{SPE/AuNPs}$: Tăng 1,76 lần so với SPE trần.
• Điện cực $\text{SPE/AuNFs}$: Tăng 1,92 lần so với SPE trần.

3. Giới hạn phát hiện (LOD), dải làm việc và thời gian phát hiện của các cảm biến trong luận án đạt được là bao nhiêu?

Các thông số đo đạc thực nghiệm của các bộ cảm biến gồm:

• Cảm biến phát hiện Salmonella ($\text{SPE/AgNPs-rGO}$): Giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 22\text{ CFU/mL}$, dải làm việc $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phát hiện 25 phút.
• Cảm biến phát hiện E. coli O157 ($\text{SPE/AuNPs}$ $18\text{ nm}$): Giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 15\text{ CFU/mL}$, dải làm việc $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phát hiện 25 phút.
• Cảm biến phát hiện MRSA ($\text{SPE/AuNPs}$ $15\text{ nm}$): Giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 13\text{ CFU/mL}$, dải làm việc $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phát hiện 25 phút.
• Cảm biến phát hiện MRSA ($\text{SPE/AuNFs}$ $20\text{ nm}$): Giới hạn phát hiện $\text{LOD} = 9\text{ CFU/mL}$, dải làm việc $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, thời gian phát hiện 25 phút.

4. Kháng thể được cố định lên bề mặt điện cực biến tính theo cơ chế nào?

Kháng thể được cố định chủ yếu bằng phương pháp liên kết cộng hóa trị:

• Bề mặt điện cực biến tính được chức năng hóa bằng chất tạo liên kết chứa nhóm thiol và hoạt hóa bằng $-\text{NHS}$ (như $\text{MTS}$, $\text{GMBS}$).
• Nhóm chức $-\text{NHS}$ liên kết cộng hóa trị với nhóm amin ($-\text{NH}_2$) tự do trên phân tử kháng thể đặc hiệu ($1\ \mu\text{g/mL}$).
• Sau khi gắn kháng thể, bề mặt điện cực được ủ phủ bằng dung dịch Albumin huyết thanh bò (BSA) để khóa toàn bộ các vị trí hấp phụ không đặc hiệu còn lại.

5. Thiết bị đo cầm tay tự chế tạo có cấu hình phần cứng và phương thức hiển thị kết quả như thế nào?

Thiết bị đo cầm tay được tích hợp trên bảng mạch PCB gồm vi điều khiển trung tâm $\text{STM32F103C8T6}$, khối phát tín hiệu sin, khối tách sóng biên độ, khối giao tiếp $\text{USB/RS232}$, màn hình LCD Hitachi và vỏ hộp chống tĩnh điện gia công $\text{CNC}$. Thiết bị hoạt động cùng phần mềm $\text{iPortable}$ trên máy tính, hiển thị kết quả chẩn đoán nhanh dạng định tính với hai chế độ Pos+ (dương tính) và Neg- (âm tính).

Kết luận

Luận án đã nghiên cứu và làm chủ quy trình công nghệ chế tạo các vật liệu nano $\text{AgNPs-rGO}$, $\text{AuNPs}$ và màng mỏng $\text{AuNFs}$ nhằm biến tính bề mặt điện cực in lưới cacbon thương mại, làm tăng diện tích hoạt động điện hóa lên từ 1,53 đến 1,92 lần. Các cảm biến miễn dịch điện hóa chế tạo được cho phép phát hiện nhanh các chủng vi khuẩn Salmonella, E. coli O157 và MRSA với thời gian phân tích 25 phút và giới hạn phát hiện đạt từ $9\text{ CFU/mL}$ đến $22\text{ CFU/mL}$. Đồng thời, tác giả đã chế tạo thành công thiết bị đo điện hóa cầm tay tích hợp phần mềm $\text{iPortable}$ cho phép chẩn đoán nhanh tại thực địa, được nghiệm thu thử nghiệm tại CDC tỉnh Bắc Ninh và được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn đăng ký Giải pháp hữu ích.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 tổng quan lý thuyết cơ bản về cảm biến sinh học điện hóa và nhiễm trùng bệnh viện bao gồm: nguyên lý hoạt động và cấu tạo của cảm biến sinh học, vật liệu nano vàng, vật liệu nano lai bạc/graphenen oxít, các phương pháp cố định kháng thể trên bề mặt cảm biến, các kỹ thuật phân tích điện hóa. Hơn nữa, nội dung của chương còn đề cập đến tính cấp thiết và vai trò ứng dụng của cảm biến sinh học và thiết bị cầm tay trong việc phát hiện các vi khuẩn gây bệnh như Salmonella, E.coli, và MRSA gây nhiễm trùng bệnh viện. Luận giải các công trình nghiên cứu đã được công bố gần đây để tham khảo, so sánh làm cơ sở cho các nội dung nghiên cứu của luận án. Cảm biến sinh học và nhiễm trùng bệnh viện 1.

Cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa Cảm biến sinh học được khái niệm là một linh kiện tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng dò tìm sự thay đổi từ các phản ứng sinh học và chuyển đổi thành tín hiệu điện ở đầu ra. Các yếu tố nhận biết sinh học có thể là enzyme, thụ thể, peptide, oligonucleotide, tế bào sống, kháng thể hoặc kháng nguyên [18]. Trong đó, nếu yếu tố nhận biết sinh học là kháng thể hay đoạn kháng thể thì được gọi là cảm biến miễn dịch hay cảm biến dựa trên kháng thể. Cấu tạo của cảm biến sinh học gồm 02 thành phần chính: phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) [18].

Phần tử nhận biết thực chất là các chất sinh học hoặc các thực thể sinh học, hoạt động như một yếu tố nhận biết, được liên kết với bộ chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Phần tử sinh học được sử dụng chủ yếu là enzyme, DNA, RNA, kháng thể. Phần tử chuyển đổi có khả năng chuyển tín hiệu không điện từ các tương tác sinh hoá thành tín hiệu điện. Tuỳ thuộc vào phương pháp chuyển đổi tín hiệu mà người ta có thể có các bộ chuyển đổi thành các tín hiệu như điện, quang, nhiệt, từ hay cơ [19],[16],[18].

Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học được biểu diễn như Hình 1.1: Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học (A), cảm biến điện hóa (B) Cảm biến sinh học điện hóa (Hình 1.1B) được phát triển dựa trên sự tương tác của các thành phần sinh học được cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi các tín hiệu sinh hoá ở lân cận bề mặt bộ chuyển đổi [22]. Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và được xác định bằng các phương pháp đo điện thế, dòng điện, tổng trở 7 hay độ dẫn [23]. Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết được một loại đối tượng đích đặc hiệu [24],[25]. Nếu không có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến hoặc chỉ đơn thuần là tạo nhiễu trong quá trình đo.

Cảm biến miễn dịch là một loại cảm biến sinh học trên cơ sở kháng thể [26]. Tuy nhiên, hiểu theo nghĩa đầy đủ hơn thì cảm biến miễn dịch là một loại cảm biến sinh học được phát triển trên cơ sở phản ứng đặc hiệu kháng nguyên - kháng thể. Trong đó, kháng thể hay phức hợp gắn kháng thể hoặc kháng nguyên được lựa chọn để cố định lên bề mặt phần tử chuyển đổi và đóng vai trò là yếu tố nhận biết sinh học (phần tử dò) nhằm phát hiện phần tử kháng nguyên còn lại (phần tử đích) [27].