I. Tổng quan về microcantilever
Microcantilever là một thiết bị cảm biến cơ học quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong việc 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 cộng hưởng và yếu tố chất lượng (Quality Factor – QF) là hai yếu tố chính để đánh giá độ nhạy của thiết bị này. Khi các phân tử hấp phụ lên thanh dao động, tần số và ứng suất của thanh sẽ thay đổi, dẫn đến sự uốn cong của thanh. Microcantilever có thể hoạt động trong nhiều môi trường khác nhau như không khí, chân không hay chất lỏng. Công nghệ cảm biến này đang phát triển nhanh chóng nhờ vào sự tiến bộ trong các kỹ thuật chế tạo, giúp tăng cường độ nhạy và khả năng phát hiện chọn lọc. Việc chế tạo microcantilever có thể được thực hiện ở nhiều định dạng và kích thước khác nhau, cho phép tích hợp vào các hệ vi lưu (microfluidics).
1.1 Nguyên lý hoạt động của microcantilever
Microcantilever hoạt động dựa trên hai mô hình chính: mô hình tĩnh và mô hình động. Mô hình tĩnh cho thấy rằng các chất hấp phụ lên thanh dao động gây ra sự mất cân bằng ứng suất, làm cho thanh uốn lên hoặc xuống. Ngược lại, mô hình động cho thấy rằng khối lượng hấp phụ lên thanh sẽ làm giảm tần số cộng hưởng. Độ uốn của thanh dao động có thể được tính toán dựa trên khối lượng hấp phụ và ứng suất. Sự thay đổi tần số cộng hưởng của microcantilever có thể được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của các chất sinh học hoặc hóa học, với độ nhạy cao đến mức có thể phát hiện khối lượng nhỏ tới 10^-19 g/μm². Điều này cho thấy tiềm năng ứng dụng của microcantilever trong việc phát hiện các biomarker chỉ thị ung thư gan.
II. Quy trình chế tạo microcantilever
Quy trình chế tạo microcantilever bao gồm nhiều bước quan trọng, từ việc chuẩn bị wafer đến các kỹ thuật ăn mòn và khắc. Wafer được sử dụng làm nền cho việc chế tạo thanh dao động. Các bước ăn mòn lớp SiN và SiO2 được thực hiện để tạo hình cho thanh dao động. Các thiết bị chính như máy quang khắc Suss MJB4 và hệ ăn mòn DRIE (Deep Reactive Ion Etching) đóng vai trò quan trọng trong quy trình này. Việc chế tạo thành công microcantilever tại Việt Nam không chỉ khẳng định khả năng nghiên cứu và phát triển công nghệ nano mà còn mở ra cơ hội ứng dụng trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan.
2.1 Các thiết bị chính cho việc chế tạo và đo đạc
Các thiết bị như máy đo chiều dày cơ Dektak 150 và hệ đo tần số SCALA là những công cụ quan trọng trong việc chế tạo và kiểm tra microcantilever. Máy quang khắc Suss MJB4 được sử dụng để tạo hình cho các lớp mỏng trên wafer, trong khi hệ ăn mòn DRIE giúp loại bỏ các lớp không cần thiết để tạo ra cấu trúc thanh dao động. Sự kết hợp giữa các thiết bị này cho phép đạt được độ chính xác cao trong quy trình chế tạo, từ đó nâng cao chất lượng và độ nhạy của microcantilever.
III. Quy trình biến đổi bề mặt để gắn kết DNA chỉ thị ung thư gan
Quy trình biến đổi bề mặt của microcantilever để gắn kết DNA chỉ thị ung thư gan bao gồm nhiều bước quan trọng. Đầu tiên, một lớp phân tử Cysteamine được tạo ra trên thanh dao động phủ vàng. Sau đó, phân tử Glutaraldehyde (GAD) được gắn lên lớp Cysteamine. Cuối cùng, đơn chuỗi DNA (DNA receptor) được cố định lên phân tử Cysteamine, và lai hóa DNA đích (DNA target) vào đơn chuỗi DNA. Quy trình này không chỉ giúp tăng cường khả năng phát hiện mà còn đảm bảo tính chính xác trong việc nhận diện các biomarker liên quan đến ung thư gan.
3.1 Lai hóa DNA và ứng dụng trong phát hiện bệnh
Quá trình lai hóa DNA là một bước quan trọng trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan. Sự tương tác giữa DNA receptor và DNA target tạo ra một phản ứng có thể được đo lường thông qua sự thay đổi tần số của microcantilever. Mối quan hệ giữa nồng độ DNA target và sự thay đổi tần số cho thấy rằng độ nhạy của thiết bị có thể được điều chỉnh để phát hiện nồng độ thấp của DNA, từ đó mở ra khả năng ứng dụng trong việc chẩn đoán sớm ung thư gan. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lĩnh vực y tế mà còn góp phần vào sự phát triển của công nghệ sinh học.
IV. Kết quả và thảo luận
Kết quả chế tạo microcantilever cho thấy khả năng phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan với độ nhạy cao. Hình ảnh của chip cantilever đã chế tạo cho thấy cấu trúc ổn định và khả năng hoạt động tốt trong môi trường thử nghiệm. Tần số và chỉ số chất lượng (quality factor-QF) của thanh dao động đã được đo lường và phân tích, cho thấy sự thay đổi tần số trước và sau khi gắn kết Cysteamine. Kết quả thực nghiệm cho thấy mối quan hệ giữa nồng độ DNA target và sự thay đổi tần số của thanh dao động, khẳng định tính khả thi của việc sử dụng microcantilever trong phát hiện sớm ung thư gan.
4.1 Đánh giá giá trị thực tiễn
Nghiên cứu này không chỉ cung cấp một phương pháp mới trong việc phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan mà còn mở ra hướng đi mới cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực y tế. Việc phát hiện sớm ung thư gan có thể giúp cải thiện tỷ lệ sống sót của bệnh nhân. Hơn nữa, công nghệ microcantilever có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ chẩn đoán y tế đến nghiên cứu sinh học, cho thấy giá trị thực tiễn và tiềm năng phát triển của nó trong tương lai.
