Nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động để phát hiện ung thư gan

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động hướng đến ứng dụng làm cảm biến phát, khảo sát thực trạng, phân tích nguyên nhân, đề xuất

• Tác giả: Nguyễn Trung Thành
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tiến Thắng
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu cảm biến phát hiện ung thư gan bằng phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. MỞ ĐẦU
• 1.1. Giới thiệu
• 1.2. Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài
• 1.2.1. Mục tiêu
• 1.2.2. Ý nghĩa của đề tài
• 1.3. Tóm tắt nội dung của đề tài
• 2. TỔNG QUAN
• 2.1. Cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thanh dao động
• 2.1.1. Cảm biến sinh học
• 2.1.1.1. Lịch sử phát triển công nghệ cảm biến sinh học
• 3. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 3.1. Quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động
• 3.1.1. Quy trình xuất phát từ Au
• 3.1.2. Khảo sát trên wafer
• 3.1.3. Thử nghiệm trên chíp thanh dao động để dò tìm AFP
• 3.1.4. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiNx/SiO2
• 3.1.4.1. Khảo sát silane hóa bề mặt SiNx và SiO2 và vấn đề của SiNx
• 3.1.4.2. Xử lý bề mặt SiNx bằng plasma O2
• 3.1.4.2.1. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy
• 3.2. Ứng dụng thanh dao động để dò tìm DKK1
• 3.3. Các phương pháp, thiết bị khảo sát và hoá chất sử dụng trong đề tài
• 3.3.1. F-LCA và kính hiển vi huỳnh quang
• 3.3.2. Khảo sát bằng enzim HRP
• 3.3.3. Các hoá chất sử dụng trong đề tài
• 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 4.1. Khảo sát qui trình biến đổi xuất phát từ bề mặt Au
• 4.1.1. Khảo sát thời gian ngâm GAD
• 4.1.2. Khảo sát nồng độ GAD
• 4.1.3. Đánh giá hiệu quả quy trình tối ưu thông qua góc tiếp xúc
• 4.1.4. Kết quả thử nghiệm thanh dao động để phát hiện AFP
• 4.2. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiNx/SiO2
• 4.2.1. Kết quả biến đổi bề mặt SiNx chưa qua xử lý plasma O2 và bề mặt SiO2
• 4.2.2. Cải tiến quy trình xuất phát từ bề mặt SiNx bằng phương pháp xử lý plasma oxy
• 4.2.2.1. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy
• 4.2.2.2. Thời gian xử lý plasma
• 4.2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí oxy
• 4.2.2.4. Ảnh hưởng của công suất plasma
• 4.2.2.5. Các thông số xử lý plasma tối ưu
• 4.2.3. Áp dụng quy trình xử lý plasma vào quy trình APTES + GAD tối ưu
• 4.2.4. Áp dụng quy trình xử lý plasma oxy + APTES + GAD tối ưu để biến đổi bề mặt SiNx của thanh dao động để dò tìm DKK1
• 5. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 5.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến phát hiện ung thư gan hiệu quả

Nghiên cứu về cảm biến ung thư gan đang trở thành một lĩnh vực quan trọng trong y học hiện đại. Ung thư gan là một trong những loại ung thư phổ biến và có tỷ lệ tử vong cao. Việc phát hiện sớm bệnh có thể cải thiện đáng kể khả năng điều trị. Các phương pháp truyền thống thường không đủ nhạy bén để phát hiện bệnh ở giai đoạn đầu. Do đó, việc phát triển các cảm biến sinh học mới là cần thiết.

1.1. Tại sao cần phát triển cảm biến phát hiện ung thư gan

Việc phát hiện sớm ung thư gan có thể giúp tăng tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân. Các chất chỉ thị ung thư như AFP và DKK1 có thể được phát hiện thông qua các cảm biến sinh học, giúp chẩn đoán chính xác hơn.

1.2. Lịch sử phát triển công nghệ cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển từ những năm 1950. Các công nghệ như cảm biến enzyme và cảm biến miễn dịch đã mở ra hướng đi mới cho việc phát hiện bệnh. Sự phát triển này đã dẫn đến việc ứng dụng các cảm biến nano trong y học.

II. Vấn đề và thách thức trong phát hiện ung thư gan

Mặc dù có nhiều tiến bộ trong công nghệ, việc phát hiện ung thư gan vẫn gặp nhiều thách thức. Các phương pháp hiện tại thường yêu cầu thiết bị phức tạp và chi phí cao. Hơn nữa, độ nhạy và độ chính xác của các phương pháp này vẫn chưa đạt yêu cầu. Do đó, cần có những giải pháp mới để cải thiện khả năng phát hiện.

2.1. Những khó khăn trong việc phát hiện sớm ung thư gan

Nhiều phương pháp hiện tại chỉ có thể phát hiện bệnh khi đã ở giai đoạn muộn. Điều này làm giảm khả năng điều trị hiệu quả. Việc phát triển các cảm biến sinh học có thể giúp giải quyết vấn đề này.

2.2. Tác động của môi trường và lối sống đến ung thư gan

Ô nhiễm môi trường và lạm dụng hóa chất trong thực phẩm là những yếu tố làm tăng nguy cơ mắc ung thư gan. Việc phát hiện sớm có thể giúp giảm thiểu tác động tiêu cực này.

III. Phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động hiệu quả

Phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động là một trong những giải pháp chính để cải thiện khả năng phát hiện của cảm biến. Việc sử dụng các vật liệu như Au và SiNx giúp tăng cường khả năng gắn kết các thụ thể sinh học. Điều này rất quan trọng trong việc phát hiện các chất chỉ thị ung thư như AFP và DKK1.

3.1. Quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động bằng Au

Quy trình này bao gồm việc sử dụng cysteamine và GAD để tăng cường khả năng gắn kết. Kết quả cho thấy rằng việc biến đổi bề mặt có thể cải thiện đáng kể độ nhạy của cảm biến.

3.2. Ứng dụng SiNx trong cảm biến phát hiện ung thư

SiNx là một vật liệu lý tưởng cho cảm biến sinh học. Việc xử lý bề mặt SiNx bằng plasma oxy giúp tăng cường khả năng gắn kết các thụ thể sinh học, từ đó nâng cao hiệu quả phát hiện.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến phát hiện ung thư gan

Cảm biến phát hiện ung thư gan có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Từ việc chẩn đoán sớm đến theo dõi tiến triển của bệnh, các cảm biến này mang lại nhiều lợi ích cho bệnh nhân. Việc sử dụng cảm biến sinh học giúp giảm thiểu chi phí và thời gian trong quá trình chẩn đoán.

4.1. Kết quả nghiên cứu về cảm biến phát hiện AFP

Nghiên cứu cho thấy rằng cảm biến có thể phát hiện AFP với độ nhạy cao. Điều này mở ra cơ hội mới cho việc chẩn đoán sớm ung thư gan.

4.2. Ứng dụng cảm biến trong theo dõi bệnh nhân

Cảm biến không chỉ giúp phát hiện bệnh mà còn có thể theo dõi sự tiến triển của bệnh nhân. Điều này giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị kịp thời và hiệu quả.

V. Kết luận và hướng phát triển trong tương lai

Nghiên cứu về cảm biến phát hiện ung thư gan bằng phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động đang mở ra nhiều triển vọng mới. Việc phát triển các công nghệ mới có thể giúp cải thiện khả năng phát hiện và điều trị bệnh. Tương lai của cảm biến sinh học hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho y học.

5.1. Tương lai của cảm biến sinh học trong y học

Cảm biến sinh học sẽ tiếp tục phát triển và ứng dụng rộng rãi trong y học. Các nghiên cứu mới sẽ giúp cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến.

5.2. Hướng nghiên cứu mới trong phát hiện ung thư

Nghiên cứu sẽ tập trung vào việc phát triển các cảm biến mới với khả năng phát hiện đa dạng các chất chỉ thị ung thư. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán và điều trị.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan là một trong những bệnh ung thư phổ biến và nguy hiểm trên thế giới, chiếm khoảng 5,6% tổng số các bệnh ung thư với tỷ lệ tử vong gần như tương đương tỷ lệ mắc bệnh, chỉ có khoảng 4,7% bệnh nhân sống sót sau 5 năm kể từ khi phát hiện. Theo báo cáo của ngành y tế, mỗi năm có khoảng 300.000 ca mắc mới và gần 700.000 trường hợp tử vong do ung thư gan, trong đó 85% xảy ra ở các nước đang phát triển, đặc biệt là khu vực Đông và Đông Nam Á. Việc phát hiện sớm ung thư gan đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả điều trị và kéo dài thời gian sống cho bệnh nhân.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động hướng ứng dụng làm cảm biến sinh học phát hiện các chỉ thị ung thư gan AFP (Alpha-fetoprotein) và DKK1 (Dickkopf-1). Thanh dao động có kích thước micromet, với độ dày khoảng 1 µm và chiều dài 500-700 µm, có khả năng thay đổi các tính chất vật lý như độ lệch, tần số dao động khi có sự gắn kết các phần tử sinh học trên bề mặt. Mục tiêu cụ thể là tối ưu hóa quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động phủ Au và SiNx nhằm tăng khả năng cố định kháng thể, từ đó nâng cao độ nhạy và độ chính xác của cảm biến trong phát hiện sớm ung thư gan.

Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng thí nghiệm Công nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2012-2014. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các thiết bị xét nghiệm miễn dịch không đánh dấu, đơn giản, chi phí thấp, góp phần nâng cao khả năng chẩn đoán sớm và điều trị hiệu quả bệnh ung thư gan tại Việt Nam và các nước đang phát triển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thanh dao động và phản ứng kháng thể-kháng nguyên trong miễn dịch học.

1. Cảm biến sinh học thanh dao động (Cantilever biosensors): Thanh dao động làm từ vật liệu silicon nitride (SiNx) phủ lớp vàng (Au) mỏng, hoạt động dựa trên nguyên lý thay đổi ứng suất bề mặt và tần số dao động khi có sự gắn kết các phần tử sinh học. Các thay đổi này được đo bằng phương pháp độ lệch chùm laser phản xạ trên thanh dao động, cho phép định lượng chính xác nồng độ chất chỉ thị sinh học.

2. Phản ứng kháng thể-kháng nguyên: Kháng thể (IgG) có khả năng nhận diện và gắn kết đặc hiệu với kháng nguyên AFP và DKK1, hai chỉ thị sinh học quan trọng trong chẩn đoán ung thư gan. Việc cố định kháng thể lên bề mặt thanh dao động thông qua các nhóm chức hóa học là yếu tố quyết định hiệu quả cảm biến.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: biến đổi bề mặt Au bằng hợp chất thiol (cysteamine, glutaraldehyde), biến đổi bề mặt SiNx bằng hợp chất silane (APTES, GOPTS) và xử lý plasma oxy để tạo nhóm silanol trên bề mặt SiNx, tăng khả năng gắn kết sinh học.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng các mẫu wafer và chip thanh dao động phủ Au và SiNx, cùng các hóa chất như cysteamine, glutaraldehyde (GAD), APTES, GOPTS, và các kháng thể Anti-AFP, Anti-DKK1. Dữ liệu thu thập bao gồm kết quả đo góc tiếp xúc, ảnh huỳnh quang, phản ứng đổi màu enzyme HRP và độ lệch thanh dao động.

• Phương pháp phân tích: Phân tích hiệu quả biến đổi bề mặt thông qua đo góc tiếp xúc nước, chụp ảnh huỳnh quang với chất đánh dấu FITC, phản ứng đổi màu nhờ enzyme HRP và đo độ lệch thanh dao động để xác định khả năng gắn kết kháng thể và phát hiện chỉ thị AFP, DKK1. Các thông số xử lý plasma oxy (thời gian, lưu lượng khí, công suất) được tối ưu hóa dựa trên cường độ tín hiệu huỳnh quang.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng nhiều mẫu wafer và chip thanh dao động với các điều kiện biến đổi bề mặt khác nhau để khảo sát và so sánh hiệu quả. Mẫu được chọn ngẫu nhiên từ các lô sản xuất tại phòng thí nghiệm công nghệ nano.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian 2012-2014, bao gồm các giai đoạn khảo sát quy trình biến đổi bề mặt Au, SiNx, tối ưu hóa xử lý plasma oxy, và ứng dụng cảm biến phát hiện AFP và DKK1.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả biến đổi bề mặt Au: Qua khảo sát thời gian ngâm glutaraldehyde (GAD) từ 15 đến 180 phút, góc tiếp xúc nước giảm từ khoảng 70° xuống còn 45°, chứng tỏ sự gia tăng nhóm chức aldehyde trên bề mặt Au. Nồng độ GAD tối ưu là 2,5%, cho tín hiệu huỳnh quang cao nhất khi gắn F-LCA, tăng khoảng 35% so với mẫu không xử lý.

2. Xử lý plasma oxy trên bề mặt SiNx: Thời gian xử lý plasma oxy tối ưu là 30 phút với lưu lượng khí oxy 40 sccm và công suất plasma ICP 300 W. Ở điều kiện này, cường độ tín hiệu huỳnh quang tăng gấp 2 lần so với mẫu không xử lý, cho thấy sự gia tăng nhóm silanol trên bề mặt SiNx, tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng silane hóa.

3. Ứng dụng biến đổi bề mặt trong phát hiện AFP và DKK1: Thanh dao động biến đổi bề mặt Au với cysteamine và GAD cho phép phát hiện AFP với độ lệch thanh dao động tăng tỉ lệ thuận với nồng độ AFP từ 10 đến 400 ng/ml, độ nhạy đạt khoảng 0,15 nm/ng·ml⁻¹. Tương tự, biến đổi bề mặt SiNx bằng plasma oxy + APTES + GAD cho phép phát hiện DKK1 với độ lệch dao động tăng rõ rệt theo nồng độ từ 5 đến 100 ng/ml, độ nhạy khoảng 0,12 nm/ng·ml⁻¹.

4. So sánh hiệu quả biến đổi bề mặt: Quy trình biến đổi bề mặt SiNx có xử lý plasma oxy cho hiệu quả gắn kết kháng thể cao hơn khoảng 40% so với quy trình không xử lý plasma, thể hiện qua cường độ huỳnh quang và độ lệch thanh dao động.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải thiện hiệu quả biến đổi bề mặt SiNx là do plasma oxy tạo ra lớp silicon oxynitride Si2N2O mỏng, từ đó hình thành nhóm silanol (SiOH) trên bề mặt, tăng khả năng phản ứng với các hợp chất silane như APTES và GOPTS. Điều này làm tăng mật độ nhóm chức aldehyde trên bề mặt, giúp cố định kháng thể hiệu quả hơn.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về vai trò của plasma oxy trong biến đổi bề mặt vật liệu bán dẫn và cảm biến sinh học. Việc tối ưu hóa các thông số plasma như thời gian, lưu lượng khí và công suất là cần thiết để đạt hiệu quả cao mà không làm hư hại cấu trúc thanh dao động.

Phương pháp biến đổi bề mặt Au bằng cysteamine và GAD cũng cho thấy hiệu quả cao trong việc cố định kháng thể AFP, phù hợp với cơ chế liên kết Au-thiol đã được công nhận rộng rãi. Độ nhạy của cảm biến sinh học thanh dao động trong phát hiện AFP và DKK1 đạt mức đủ để ứng dụng trong chẩn đoán sớm ung thư gan.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ thể hiện sự phụ thuộc của độ lệch thanh dao động theo nồng độ AFP và DKK1, cũng như bảng so sánh góc tiếp xúc và cường độ huỳnh quang giữa các quy trình biến đổi bề mặt khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy: Đề xuất áp dụng quy trình xử lý plasma oxy với thời gian 30 phút, lưu lượng khí oxy 40 sccm và công suất 300 W để biến đổi bề mặt SiNx, nhằm tăng hiệu quả gắn kết kháng thể và nâng cao độ nhạy cảm biến. Thời gian thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị mẫu.

2. Phát triển cảm biến sinh học đa chỉ thị: Khuyến nghị phát triển cảm biến tích hợp đồng thời phát hiện AFP và DKK1 trên cùng một chip thanh dao động để tăng độ chính xác chẩn đoán ung thư gan giai đoạn sớm. Chủ thể thực hiện là các phòng thí nghiệm công nghệ nano và trung tâm nghiên cứu y sinh.

3. Ứng dụng trong xét nghiệm lâm sàng: Đề xuất phối hợp với các bệnh viện và trung tâm y tế để thử nghiệm cảm biến trong môi trường lâm sàng, đánh giá độ tin cậy và khả năng ứng dụng thực tế. Mục tiêu giảm chi phí và thời gian xét nghiệm so với các phương pháp hiện có.

4. Nghiên cứu mở rộng vật liệu và kỹ thuật biến đổi bề mặt: Khuyến khích nghiên cứu thêm các vật liệu mới và kỹ thuật biến đổi bề mặt khác như sử dụng nanoparticle hoặc aptamer để nâng cao độ chọn lọc và độ nhạy của cảm biến. Thời gian nghiên cứu dự kiến 2-3 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và vật liệu: Luận văn cung cấp kiến thức sâu về biến đổi bề mặt vật liệu SiNx và Au, kỹ thuật xử lý plasma oxy, phù hợp cho các nhà khoa học phát triển cảm biến sinh học.

2. Chuyên gia y sinh và công nghệ sinh học: Thông tin về ứng dụng cảm biến thanh dao động trong phát hiện chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1 giúp các chuyên gia thiết kế các thiết bị xét nghiệm miễn dịch không đánh dấu.

3. Bác sĩ và nhân viên y tế chuyên ngành ung thư gan: Hiểu rõ về các chỉ thị sinh học và phương pháp phát hiện mới giúp nâng cao hiệu quả chẩn đoán và theo dõi điều trị bệnh nhân.

4. Doanh nghiệp phát triển thiết bị y tế: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để phát triển các sản phẩm cảm biến sinh học chi phí thấp, độ nhạy cao phục vụ thị trường trong nước và quốc tế.

Câu hỏi thường gặp

1. Phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động có ưu điểm gì so với các phương pháp khác?
   Phương pháp này cho phép cố định kháng thể một cách hiệu quả trên bề mặt vật liệu SiNx và Au, tăng độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến sinh học, đồng thời giữ nguyên tính chất vật lý của thanh dao động. Ví dụ, xử lý plasma oxy tạo nhóm silanol giúp tăng khả năng gắn kết sinh học.

2. Tại sao chọn AFP và DKK1 làm chỉ thị ung thư gan?
   AFP là chỉ thị truyền thống được sử dụng rộng rãi với độ nhạy cao trong chẩn đoán ung thư gan. DKK1 là chỉ thị mới có khả năng phát hiện ung thư gan giai đoạn đầu ngay cả khi AFP chưa tăng, giúp cải thiện độ chính xác chẩn đoán.

3. Quy trình xử lý plasma oxy ảnh hưởng như thế nào đến hiệu quả cảm biến?
   Các thông số như thời gian xử lý, lưu lượng khí oxy và công suất plasma ảnh hưởng đến mật độ nhóm silanol trên bề mặt SiNx. Ví dụ, xử lý 30 phút với 40 sccm oxy và 300 W công suất tạo ra lớp Si2N2O tối ưu, tăng cường gắn kết kháng thể.

4. Độ nhạy của cảm biến sinh học thanh dao động trong nghiên cứu này là bao nhiêu?
   Độ nhạy phát hiện AFP đạt khoảng 0,15 nm/ng·ml⁻¹ và DKK1 khoảng 0,12 nm/ng·ml⁻¹, đủ để phát hiện nồng độ chỉ thị trong khoảng từ 10 đến 400 ng/ml (AFP) và 5 đến 100 ng/ml (DKK1).

5. Cảm biến này có thể ứng dụng trong thực tế lâm sàng không?
   Có thể, với ưu điểm chi phí thấp, đơn giản và khả năng phát hiện sớm, cảm biến sinh học thanh dao động có tiềm năng ứng dụng trong xét nghiệm lâm sàng sau khi được thử nghiệm và hiệu chuẩn kỹ lưỡng tại các cơ sở y tế.

Kết luận

• Nghiên cứu đã thành công trong việc phát triển quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động phủ Au và SiNx, tăng khả năng gắn kết kháng thể AFP và DKK1.
• Xử lý plasma oxy trên bề mặt SiNx là bước then chốt giúp tạo nhóm silanol, nâng cao hiệu quả biến đổi bề mặt và độ nhạy cảm biến.
• Cảm biến sinh học thanh dao động cho phép phát hiện chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1 với độ nhạy cao, phù hợp cho chẩn đoán sớm.
• Kết quả mở ra hướng phát triển các thiết bị xét nghiệm miễn dịch không đánh dấu, chi phí thấp, thời gian xử lý nhanh.
• Đề xuất tiếp tục thử nghiệm lâm sàng và mở rộng nghiên cứu vật liệu, kỹ thuật biến đổi bề mặt để nâng cao hiệu quả cảm biến.

Khuyến khích các phòng thí nghiệm và trung tâm y tế phối hợp triển khai thử nghiệm thực tế, đồng thời phát triển sản phẩm cảm biến sinh học thương mại phục vụ chẩn đoán ung thư gan.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Mở đầu 1. Giới thiệu Ung thư gan là 1 trong 9 bệnh ung thư hay gặp nhất trên toàn thế giới, chiếm 5,6% trong tổng số các bệnh ung thư và là bệnh có tiên lượng xấu. Thời gian sống trung bình từ khi phát hiện khoảng 6 tháng, chỉ có khoảng 4,7% có khả năng sống sót sau 5 năm [26]. Thật nguy hiểm hơn khi ngày càng ảnh hưởng mạnh từ mặt trái của sự phát triển như, ôi nhiễm môi trường, lạm dụng hóa chất trong bảo quản thực phẩm, uống rượu bia,… làm tăng nguy cơ mắc bệnh ung thư.

Để tăng khả năng điều trị bệnh ung thư thì yêu cầu cốt yếu là phát hiện bệnh sớm và chính xác. Nhiều thập niên qua, các nhà khoa học trên thế giới đã nghiên cứu ra nhiều phương pháp để chuẩn đoán sớm bệnh ung thư như, chụp cộng hưởng từ (MRI), chụp cắt lớp đồng vị phóng xạ phát positron, chụp cắt lớp, nội soi,…[27]. Các phương pháp trên chủ yếu là chỉ phát hiện được bệnh khi bệnh đã phát triển thành khối u. Một phương pháp có khả năng phát hiện được bệnh sớm hơn, đơn giản, chi phí thấp là phương pháp dùng chất chỉ thị thông qua cảm biến sinh học.

Các thanh dao động với kích thước micromet được ứng dụng làm cảm biến phát hiện chất chỉ thị ung thư được nghiên cứu nhiều trong những năm gần đây. Với độ dày của thanh dao động khoảng 1µm, dài khoảng 500-700µm, nhiều tính chất vật lý của thanh sẽ thay đổi rõ rệt khi một lượng nhỏ chất chỉ thị (chất cần phân tích) bám lên bề mặt thanh. Đo tín hiệu điện hoá, ứng suất bề mặt, độ lệch hoặc sự thay đổi của tần số dao động của thanh thì ta thu được nhiều thông tin chính xác phục vụ cho quá trình phân tích và chẩn đoán bệnh. Hình 1 mô tả sự thay đổi của thanh dao động trước và sau khi gắn kết chất chỉ thị.

a) b) Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 2 Hình 1: a) Thanh dao động khi chưa nhận kháng nguyên; b) thanh dao động nhận kháng nguyên.[1] Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào khả năng cố định các phần tử sinh học lên bề mặt của thanh dao động. Do đó, việc nghiên cứu phương pháp tăng khả năng gắn kết các thụ thể sinh học lên bề mặt thanh dao động là rất cần thiết. Các thanh dao động ứng dụng trong cảm biến sinh học thường làm từ vật liệu SiNx và được phủ lên một lớp vàng và crom mỏng. Bản thân Au và SiNx không phản ứng trực tiếp với các thụ thể nên để gắn kết các thụ thể này lên bề mặt thì chúng ta phải biến đổi bề mặt của thanh dao động.

Đề tài này nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động nhằm tăng khả năng gắn kháng thể lên bề mặt thanh dao động hướng đến ứng dụng làm cảm biến phát hiện chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1. Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài 2. Mục tiêu Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động được phủ lớp Au, SiNx hướng ứng dụng làm cảm biến phát hiện chất chỉ thị AFP và DKK1. Ý nghĩa của đề tài Sử dụng cảm biến thanh dao động để phát hiện các chất chỉ thị ung thư gan là một phương pháp xét nghiệm miễn dịch không đánh dấu, đơn giản, chi phí thấp và đặc biệt là có thể phát hiện được bệnh ung thư gan ở giai đoạn đầu.

Điều này sẽ giúp tăng khả năng điều trị hiệu quả bệnh ung thư gan. Ở nước ta, đây là một đề tài khá mới mẻ. Nghiên cứu này có thể mở ra những hướng nghiên cứu mới về xét nghiệm miễn dịch nhằm chẩn đoán sớm bệnh ung thư gan. Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.

Tóm tắt nội dung của đề tài Nội dung chính của đề tài bao gồm:  Khảo sát thí nghiệm biến đổi bề mặt Au của thanh dao động thông qua cysteamine, GAD. Xây dựng quy trình dò tìm AFP.  Khảo sát phương pháp biến đổi bề mặt SiNx của thanh dao động thông qua GOPTS, APTES, GAD. Xây dựng quy trình dò tìm DKK1.

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN 1. Cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thanh dao động 1. Cảm biến sinh học 1. Lịch sử phát triển công nghệ cảm biến sinh học Sự phát triển của cảm biến sinh học đầu tiên gắn liền với cái tên L.

Clark, người đầu tiên đề xuất đầu dò oxy (1956) cho việc xác định oxy trong máu và sau đó được coi là “enzyme electrode” gồm có đầu dò enzim và hai màng lọc máu kèm theo một phần nhỏ dung dịch glucose oxidase giữa chúng (hình 1.1: “enzyme electrode” đầu tiên. Enzim xúc tác sự oxi hoá chuyển đổi glucose thành axít gluconic. Vì vậy, lượng oxy bị phân giải gần bề mặt điện cực tương ứng với nồng độ glucose. Sau này, một thiết bị tương tự với glucose oxidase được giữ trong gel polyacrylamide đã được mô tả bởi Updike và Hicks (1967).

Tuy nhiên, ứng dụng phân tích đầu tiên của cố định enzim đã được tạo ra vào năm 1962 (Guilbault et al. Guilbault đã đề xuất hệ thống cảnh báo cho việc phát hiện sớm chất độc thần kinh. Nó bao gồm 2 điện cực lưới Pt với một thanh xốp hấp thụ chứa các enzim cholinesterase cố định. Năm 1969, cảm biến enzyme potentiometric đầu tiên dựa trên điện cực NH3 chọn lọc và urease cho việc kiểm tra u-rê trong nước tiếu (Guilbault và Montalvo 1969).

Năm 1970, Bergveld đã phát minh transistor hiệu ứng trường chọn lọc ion (ISFET). Năm 1972, cảm biến sinh học thương mại đầu tiên được sản xuất. Nó là thiết bị kiểm tra đường huyết, có dạng cây bút sử dụng một điện cực. Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 5 Năm 1975, Janata phát minh ra cảm biến miễn dịch đầu tiên dự trên một bộ phân thế (potentiometric transducer).

Năm 1976, ra đời cảm biến miễn dịch amperometric đầu tiên (Aizawa et al. Cũng trong năm này, Karube phát mình ra cảm biến sinh học vi khuẩn (microbial biosensor) dựa trên tốc độ hô hấp như là một tín hiệu đặc trưng trong tổng lượng vật chất hữu cơ có thể oxi hoá trong nước. Năm 1980, Peterson phát minh ra cảm biến pH sợi quang đầu tiên trong khí huyết cơ thể. Năm 1982, lần đầu tiên ra đời cảm biến sinh học glucose dựa trên cơ sở sợi quang.

Năm 1983, lần đầu ra đời cảm biên miễn dịch cộng hưởng gen nguyên sinh bề mặt (surface plasmon reconance-SPR). Năm 1984, ra đời cảm biến sinh học đo dòng gián tiếp đầu tiên. Ferrocene được sử dụng với glucose oxidase cho việc thu nhận glucose. Năm 1987, ra mắt cảm biến sinh học đường huyết MediSense ExacTechTM (mô hình dải/bút và dùng một lần).

Năm 1990, ra mắt Pharmacia BIACore SPR dựa trên hệ thống cảm biến sinh học. Năm 1992, i-STAT ra mắt thiết bị phân tích máu cầm tay. Năm 1996, Glucocard được ra mắt. Năm 1998, ra mắt cảm biến sinh học đường huyết LifeScan FastTake.

Năm 2001, LifeScan đã mua hệ thống kinh doanh thiết bị kiểm tra glucose của Inverness Medical’s với giá 1,3 tỷ đô. Từ năm 1999-nay, các nhà nghiên cứu đã ứng dụng một số kỹ thuật như BioNMES, Quantum dots, nanopartivles, Nanocantilever, Nanowire và Nanotube vào cảm biến sinh học [2], [3]. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cảm biến sinh học Cấu tạo cơ bản của một cảm biến sinh học được mô ta ở hình 1.2 [5]: Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.2: Sơ đồ cấu tạo của một cảm biến sinh học. Một cảm biến sinh học bao gồm 3 phần chính: (1) các thụ thể (kháng thể, bộ dò DNA, cell receptor…) có thể bắt giữ các phần tử sinh học (như là kháng nguyên, DNA đích, cell…); (2) bề mặt cảm biến, nơi gắn các thụ thể đồng thời cũng là nơi sinh ra các tín hiệu vật lý (độ lệch, điện trở, chiết suất…) hoặc hóa học thay đổi khi các thụ thể bắt giữ được các phần tử sinh học, (3) thiết bị điện tử có nhiệm vụ biến các tín hiệu vật lý, hóa học từ cảm biến và chuyển thành tin hiệu chuyển về hệ thống máy tính để xử lý và hiển thị kết quả.

Nguyên tắc hoạt động cơ bản của cảm biến sinh học: bề mặt cảm biến được biến đổi và cố định các thụ thể lên đó, khi tiếp xúc với môi trường cần phân tích, các thụ thể này sẽ bắt giữ các chất cần phân tích dẫn đến làm thay đổi một số tính chất hóa, lý của bề mặt (độ lệch, điện trở, chiết suất…). Sau đó, thông qua bộ chuyển đổi, những thay đổi này được chuyển sang các tín hiệu quang, điện, cơ,.và nhờ bộ phận xử lý tín hiệu (vi xử lý, thiết bị điện tử) khuếch đại, đo lường các tín hiệu này và cho ta biết được thông tin về chất phân tích. Phân loại cảm biến sinh học Việc phân loại cảm biến sinh học thông thường dựa vào nguồn gốc các bộ phận chính của chúng (bảng 1.1: Các thành phần chính của một cảm biến sinh học. Thành phần sinh hoá Bộ phận truyền dẫn Thành phần phân tích Enzim Điện hoá Thuốc và chất chuyển hoá của chúng Kháng thể Quang Chất chỉ thị sinh học Axít nucleic Vi cơ điện Vitamin và các chất chống oxi hoá Chất cảm thụ Mass sensitive Các chất chuyển đổi Mô Enthalpiemetric Chất ô nhiễm môi trường Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] 7 Tế bào Công nghiệp hoá mỹ phẩm Cảm biến sinh học enzim (còn gọi là cảm biến enzim, hay điện cực enzim) sử dụng các enzim làm công cụ trên bề mặt của lớp chuyển đổi.

Cảm biến miễn dịch (immunosensors) sử dụng các thành phần tương tác miễn dịch, như là các kháng thể hay kháng nguyên. Cảm biến DNA bao gồm đầu dò DNA và các aptamer. Một đầu dò DNA là một chuỗi oligonucleotide ngắn sao chép lại một phần của gen. Những cảm biến sinh học dựa trên chuỗi này và được mong đợi thu nhận những đoạn DNA đặc trưng cho những gen thích hợp còn được gọi là genosensors (Yang và McGovern 1997).

Các aptamer cũng bao gồm các nucleotide nhưng không có cấu trúc tương tự như DNA tự nhiên. Những aptamer được tổng hợp bằng phương pháp trùng hợp và được lựa chọn bằng phép ghi sắc mô phỏng đối chiếu với một mục tiêu phân tích. Những aptamer có thể dựa trên một thư viên RNA, trong khi đó các phần tử RNA tự nhiên vẫn chưa được sử dụng trong cảm biến sinh học.