Tổng quan luận án

Công trình "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" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Vũ Quang Khuê dưới sự hướng dẫn khoa học của TS. Trần Quang Huy và TS. Vũ Ngọc Phan, thuộc chuyên ngành Khoa học vật liệu (mã số 9440122) tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2020.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Nhiễm trùng bệnh viện và các bệnh truyền nhiễm đường ruột do vi khuẩn kháng thuốc gây ra những thiệt hại nghiêm trọng về sức khỏe và kinh tế. Theo thống kê từ Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) và các nghiên cứu lâm sàng, hàng năm tại Hoa Kỳ có khoảng 1,7 triệu người mắc nhiễm trùng bệnh viện với 99.000 ca tử vong; chi phí phát sinh do nhiễm khuẩn huyết lên tới 34.000 USD và do viêm phổi bệnh viện là 5.700 USD cho mỗi ca bệnh. Tại Việt Nam, khảo sát năm 2015 tại Bệnh viện Trung ương Quân đội 108 ghi nhận tỷ lệ nhiễm khuẩn bệnh viện là 3,86%, tập trung vào các dạng nhiễm khuẩn vết mổ (37,25%), nhiễm khuẩn phổi (33,33%) và nhiễm khuẩn đường tiết niệu (19,61%).

Các phương pháp phát hiện vi khuẩn truyền thống như nuôi cấy vi sinh, kỹ thuật miễn dịch gắn men (ELISA) hay sinh học phân tử (PCR) đòi hỏi thời gian phân tích từ 8 đến 48 giờ, giới hạn phát hiện khi chưa làm giàu mẫu ở mức $10^5 - 10^6\text{ CFU/mL}$, đồng thời yêu cầu trang thiết bị đắt tiền và kỹ thuật viên chuyên môn cao trong phòng xét nghiệm chuẩn an toàn sinh học cấp 2. Điện cực in lưới cacbon (SPE) là giải pháp tiềm năng nhờ giá thành thấp và khả năng sản xuất hàng loạt, nhưng điện trở bề mặt lớn (vài $\text{k}\Omega$) cản trở sự truyền điện tích và làm giảm độ nhạy khi nhận biết phản ứng miễn dịch nồng độ thấp. Khoảng trống nghiên cứu được luận án giải quyết là xây dựng quy trình biến tính điện cực SPE bằng các hệ vật liệu nano kim loại quý và nano lai nhằm giảm điện trở chuyển tích, khuếch đại tín hiệu điện hóa và phát triển phần cứng đo cầm tay phục vụ chẩn đoán tại chỗ (Point of Care - PoC).

Mục tiêu nghiên cứu

  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 (AgNPs-rGO), hạt nano vàng (AuNPs) và màng nano vàng (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: Vật liệu nano lai AgNPs-rGO, hạt nano vàng AuNPs, màng mỏng nano vàng AuNFs; điện cực in lưới cacbon thương mại (SPE); các kháng thể đơn dòng/đa dòng đặc hiệu; các chủng vi khuẩn đích gồm Salmonella, Escherichia coli O157:H7 (E. coli O157) và tụ cầu vàng kháng methicillin (Methicillin-resistant Staphylococcus aureus - MRSA).
  • Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm tại Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (AIST) - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc và Trung tâm Nghiên cứu Y sinh - Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương; thử nghiệm hiện trường tại Trung tâm Kiểm soát bệnh tật (CDC) tỉnh Bắc Ninh.
  • Phạm vi thời gian: Số liệu nghiên cứu và thực nghiệm được hoàn thành và bảo vệ trong giai đoạn 2015–2020.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về cảm biến sinh học phát hiện tác nhân vi sinh vật:

Nhóm tác giả / Tài liệu Vật liệu biến tính Phương pháp đo Giới hạn phát hiện (LOD) Dải làm việc Thời gian
Tác giả công bố quốc tế [41] Hạt nano vàng Biến đổi màu sắc 96% và 97% — 15 phút
Tác giả công bố quốc tế [42] Hạt nano $\text{Fe}_3\text{O}_4$ Khuếch đại HCR $7,4 \times 10^1\text{ CFU/mL}$ $7,4 \times 10^1 - 7,4 \times 10^8\text{ CFU/mL}$ 120 phút
Tác giả công bố quốc tế [43] Màng vàng CV và DPV $0,208\ \mu\text{M}$ $5 - 30\ \mu\text{M}$ 60 phút
Tác giả công bố quốc tế [44] AuNPs / Hạt từ (MBs) DPV 143 tế bào/mL $10^3 - 10^6$ tế bào/mL 90 phút
Tác giả công bố quốc tế [45] Điện cực GCE DPV và EIS $2,1\text{ pM}$ $10 - 400\text{ pM}$ —
Tác giả công bố quốc tế [46] AuNPs DPV $50\ (\pm 2,1)\text{ pM}$ $1,0 \times 10^{-11} - 0,5 \times 10^{-8}\text{ M}$ 60 phút
Tác giả công bố quốc tế [47] Hạt vàng-Ab2 và hạt từ-Ab1 DPV 7,7 tế bào/mL $10,0 - 100,0$ tế bào/mL 72 phút
Trần Quang Huy và CS [49] APTES-GA-PrA / Điện cực Pt Đo thế vi sai $10\text{ ng/mL}$ (Virus JEV) $25\text{ ng/mL} - 1\ \mu\text{g/mL}$ 20 phút
Nguyễn Thị Thủy và CS [50] Cấu trúc FET / MWCNTs Đo dòng $1\text{ nM}$ (E. coli O157:H7) $0,5\text{ pM} - 1\text{ nM}$ 10 phút
Trần Thị Luyến và CS [51] Dây polypyrrole (Ppy) CV $10\text{ pM}$ (Newcastle) $20\text{ pM} - 20\text{ nM}$ 60 phút
Trương Thị Liên và CS [110] Màng Ppy-PPa / EDC-NHS CV, EIS Phát hiện hCG — 15 phút
Lillehoj và CS [129] Hệ vi lưu nhúng PoC Đo điện hóa $16\text{ ng/mL}$ (Plasmodium) — 15 phút

Khoảng trống nghiên cứu được lựa chọn giải quyết: Hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ tập trung vào việc biến tính điện cực trên các cấu trúc vi điện cực đắt tiền hoặc các trạm đo cồng kềnh trong phòng thí nghiệm. Luận án định vị trọng tâm vào việc kết hợp đồng bộ giữa việc tối ưu hóa cấu trúc bề mặt điện cực in lưới thương mại giá rẻ bằng ba dạng vật liệu nano (AgNPs-rGO, AuNPs và AuNFs) với việc tự phát triển thiết bị đo mạch phần cứng cầm tay hoàn chỉnh, phục vụ phát hiện vi khuẩn trực tiếp tại hiện trường trong thời gian dưới 25 phút.


Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khái niệm

  • Cảm biến miễn dịch điện hóa (Electrochemical Immunosensor): Hoạt động dựa trên phản ứng nhận biết đặc hiệu giữa kháng nguyên (Ag) và kháng thể (Ab). Phản ứng này có tính đặc hiệu cao, thuận nghịch và phát nhiệt (năng lượng liên kết giải phóng từ 2 đến $40\text{ kcal/mol}$), hình thành thông qua lực tĩnh điện, liên kết hydro, liên kết kỵ nước và lực Van der Waals.
  • Kỹ thuật cố định phần tử sinh học: Sử dụng phương pháp liên kết cộng hóa trị thông qua đơn lớp tự sắp xếp (SAM) của các hợp chất chứa nhóm thiol và silan (như MTS: mercaptopropyl-trimethoxysilane; GMBS: gamma-maleimidobutyryloxy-succinimide ester; APTES; EDC/NHS) để định hướng kháng thể và duy trì hoạt tính miễn dịch, sau đó khóa các vị trí gắn không đặc hiệu bằng Albumin huyết thanh bò (BSA).
  • Lý thuyết phân tích điện hóa:
    • Quét thế vòng tuần hoàn (CV): Áp dụng phương trình Randles-Sevcik cho hệ điện hóa thuận nghịch: $$I_{peak} = -2,69 \times 10^5 \cdot n^{3/2} \cdot A \cdot D_0^{1/2} \cdot C_0 \cdot v^{1/2}$$ Trong đó $n$ là số electron trao đổi ($n=1$), $A$ 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 điện ly ($\text{mol}/\text{cm}^3$), và $v$ là tốc độ quét thế ($\text{V/s}$).
    • Phổ tổng trở điện hóa (EIS): Biểu diễn trên đồ thị Nyquist theo mạch tương đương Randles gồm điện trở dung dịch ($R_{dd}$), điện dung lớp kép ($C_d$), trở kháng khuếch tán Warburg ($Z_w$) và điện trở chuyển tích ($R_{ct}$). Sự bắt cặp của vi khuẩn làm tăng độ cản trở truyền điện tích, biểu hiện qua sự gia tăng bán kính cung bán nguyệt ($R_{ct}$).
    • Von-Ampe xung vi sai (DPV): Phân tích sự thay đổi dòng Faraday theo chuỗi xung điện áp phân cực với bước xung $E_{pulse} = 10\text{ mV}$, tốc độ quét $20\text{ mV/s}$, $t_{pulse} = 0,02\text{ s}$ nhằm loại bỏ dòng nạp tụ điện và tăng tỷ số tín hiệu/nhiễu ($S/N$).

Phương pháp thực nghiệm và công cụ phân tích

  • Chế tạo vật liệu:
    • Tổng hợp vật liệu nano lai AgNPs-rGO bằng phương pháp thủy nhiệt từ muối $\text{AgNO}_3$ và graphene oxide (GO).
    • Tổng hợp hạt nano vàng AuNPs bằng phương pháp bốc bay điện hóa một bước từ điện cực vàng khối trong dung dịch điện ly dưới các xung điện áp biến thiên ($6\text{ V}, 9\text{ V}, 12\text{ V}, 15\text{ V}$) và thời gian ($1\text{ h}, 2\text{ h}, 3\text{ h}, 4\text{ h}$).
    • Chế tạo màng nano vàng AuNFs bằng phương pháp phún xạ ion (hệ 1045 ION Sputter) với mặt nạ kim loại chuyên dụng (Mask) ở các độ dày $10\text{ nm}, 20\text{ nm}, 30\text{ nm}$.
  • Đặc trưng cấu trúc và hình thái: Kính hiển vi điện tử truyền qua (TEM), kính hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM), phổ tán sắc năng lượng tia X (EDX), phổ nhiễu xạ tia X (XRD), quang phổ hấp thụ tử ngoại - khả kiến (UV-Vis) và phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) trong dải sóng $800 - 4000\text{ cm}^{-1}$.
  • Dung dịch điện ly đo điện hóa: Dung dịch chuẩn $5,0\text{ mM } \text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]/\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]$ chứa $0,1\text{ M KCl}$.
  • Thiết bị đo tham chiếu: Hệ trạm đo điện hóa PalmSens 3.0 và máy hiện sóng Oscilloscope.

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 trúc điện cực SPE cacbon (gồm 3 điện cực: làm việc WE, đối CE, chuẩn RE), vai trò của các hệ vật liệu nano kim loại quý trong việc tăng cường chuyển tích điện tử (tốc độ dẫn truyền điện tử của AuNPs đạt $5.000\text{ e}^-/\text{s}$ so với $700\text{ e}^-/\text{s}$ của vàng khối). Chương này cũng phân tích dịch tễ học của ba chủng vi khuẩn gây nhiễm trùng bệnh viện và ngộ độc thực phẩm gồm Salmonella, E. coli O157:H7, và MRSA, đồng thời điểm luận các nghiên cứu chế tạo thiết bị xét nghiệm tại chỗ (PoC) tích hợp vi xử lý và hệ thống nhúng.

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 AgNPs-rGO bằng phương pháp thủy nhiệt và kỹ thuật biến tính lên bề mặt điện cực làm việc của SPE bằng phương pháp nhỏ phủ (drop-casting).

Thông số / Đặc trưng Kết quả thực nghiệm
Kích thước hạt nano Ag trên phiến rGO Đường kính trung bình $\sim 20\text{ nm}$
Độ ổn định cấu trúc hạt AgNPs-rGO Duy trì hình thái sau 6 tháng bảo quản ở $4^\circ\text{C}$ bọc giấy bạc
Nhóm chức liên kết kháng thể MTS tạo nhóm -SH, GMBS tạo liên kết cộng hóa trị với nhóm amine kháng thể
Nồng độ kháng thể cố định $1\ \mu\text{g/mL}$ IgG kháng Salmonella, khóa điểm bù bằng BSA
Dải đo nồng độ vi khuẩn Salmonella $10^1\text{ CFU/mL} - 10^6\text{ CFU/mL}$
Phương trình hồi quy tuyến tính (CV) $I_{peak} = 0,02x - 0,01$ ($R^2 = 0,9559$)
Giới hạn phát hiện (LOD) $22\text{ CFU/mL}$
Thời gian phát hiện 25 phút
Tỷ lệ diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}/A_{hh}$) Tăng 1,53 lần so với điện cực SPE cacbon trần

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

Chương 3 tập trung nghiên cứu công nghệ chế tạo hạt nano vàng AuNPs bằng phương pháp bốc bay điện hóa trực tiếp từ vàng khối nhằm chủ động độ tinh khiết và điều khiển kích thước hạt.

  • Hình thái và kích thước AuNPs: Quá trình điện hóa ở các mức điện áp xung ($6\text{ V}, 9\text{ V}, 12\text{ V}, 15\text{ V}$) và thời gian ($1 - 4\text{ h}$) tạo ra các hạt nano vàng phân bố đều với các kích thước trung bình khảo sát là $10\text{ nm}, 15\text{ nm}, 25\text{ nm}$.
  • Hiệu năng điện hóa: Điện cực SPE/AuNPs biến tính làm giảm điện trở truyền điện tích $R_{ct}$ trên phổ Nyquist và gia tăng dòng đỉnh oxy hóa khử trên đường CV qua 30 chu kỳ quét liên tục.
  • Khả năng phát hiện vi khuẩn E. coli O157 và MRSA:
    • Phát hiện E. coli O157: Dải nồng độ tuyến tính $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, giới hạn phát hiện LOD đạt $15\text{ CFU/mL}$ (đối với mẫu hạt AuNPs $18\text{ nm}$ / $25\text{ nm}$).
    • Phát hiện vi khuẩn MRSA: Giới hạn phát hiện LOD đạt $13\text{ CFU/mL}$ khi sử dụng AuNPs kích thước $15\text{ nm}$, thời gian phân tích 25 phút.
    • Cảm biến thể hiện độ chọn lọc tốt khi thử nghiệm chéo với các mẫu đối chứng và duy trì độ ổn định sau 21 ngày bảo quản ở $4^\circ\text{C}$ trong dung dịch đệm PBS pH 7,4.
    • Tỷ lệ diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}/A_{hh}$) tăng 1,76 lần so với điện cực SPE trần.

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

Chương 4 khảo sát việc lắng đọng màng mỏng nano vàng (AuNFs) lên bề mặt SPE bằng phương pháp phún xạ ion với các chiều dày màng $10\text{ nm}, 20\text{ nm}, 30\text{ nm}$.

  • Tối ưu hóa độ dày màng: Chiều dày màng $20\text{ nm}$ cho đặc tuyến điện hóa vượt trội với độ ổn định cao qua 30 chu kỳ quét CV và giảm thiểu điện trở truyền điện tích. Phổ FTIR trong vùng sóng $800 - 3800\text{ cm}^{-1}$ xác nhận liên kết hóa học bền vững của phức hợp màng vàng-MTS-GMBS-Ab.
  • Phát hiện vi khuẩn MRSA:
    • Phương pháp phân tích: Đo phổ tổng trở điện hóa (EIS) trong dung dịch $\text{K}_3[\text{Fe(CN)}_6]/\text{K}_4[\text{Fe(CN)}_6]\ 5,0\text{ mM}$.
    • Dải nồng độ phát hiện: $10^1\text{ CFU/mL} - 10^6\text{ CFU/mL}$.
    • Phương trình hồi quy tổng trở: $R_{ct} = 1,102x - 0,677$ ($R^2 = 0,9879$).
    • Giới hạn phát hiện: $\text{LOD} = 9\text{ CFU/mL}$, thời gian đo 25 phút.
    • Tỷ lệ diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}/A_{hh}$) của điện cực SPE/AuNFs-20 nm tăng 1,92 lần so với SPE cacbon trần.

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

Chương 5 trình bày thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh phần cứng và phần mềm của thiết bị đo điện hóa cầm tay phục vụ chẩn đoán PoC lưu động:

  • Thiết kế phần cứng: Thiết bị gồm các khối chức năng tích hợp:
    • Khối nguồn nuôi và khối nạp pin.
    • Khối phát tín hiệu kích thích điện hóa dạng sóng sin và mạch tinh chỉnh biên độ.
    • Khối xử lý trung tâm sử dụng vi điều khiển 32-bit STM32F103C8T6 tích hợp bộ chuyển đổi tương tự - số (ADC).
    • Khối tách sóng biên độ và giao tiếp hiển thị trên màn hình tinh thể lỏng chuẩn Hitachi LCD.
    • Khối kết nối truyền thông ngoại vi qua cổng USB và chuẩn nối tiếp RS232 với máy tính.
    • Kết cấu vỏ máy chống tĩnh điện được gia công chính xác bằng máy CNC.
  • Phần mềm điều khiển: Xây dựng phần mềm giao diện người dùng iPortable trên máy tính, cho phép thu nhận dữ liệu thực nghiệm, hiển thị đường cong điện hóa và xử lý tín hiệu theo thời gian thực.
  • Nguyên lý hiển thị và thử nghiệm hiện trường:
    • Thiết bị đo thế phân tích định tính nhanh mẫu đo với hai chế độ hiển thị rõ ràng trên màn hình LCD: Pos+ (Dương tính - phát hiện có vi khuẩn) và Neg- (Âm tính - không có vi khuẩn).
    • Thử nghiệm so sánh đối chứng giữa thiết bị tự chế tạo và trạm đo thương mại PalmSens 3.0 cho thấy sự tương thích về dạng sóng và độ nhạy tín hiệu. Thiết bị đã được ứng dụng thử nghiệm đo kiểm lưu động tại Trung tâm Kiểm soát bệnh tật (CDC) tỉnh Bắc Ninh.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học

  1. Làm chủ quy trình chế tạo và biến tính nano: Xây dựng quy trình tổng hợp vật liệu nano lai AgNPs-rGO bằng phương pháp thủy nhiệt và hạt nano vàng AuNPs bằng phương pháp bốc bay điện hóa một bước từ vàng khối; xác lập các thông số phún xạ màng nano vàng AuNFs tối ưu ($20\text{ nm}$) lên điện cực làm việc của SPE.
  2. Định lượng diện tích hoạt động điện hóa: Luận án đã tính toán và công bố giá trị diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}$) so với diện tích hình học ($A_{hh}$) của điện cực SPE trần:
    • Điện cực biến tính nano lai AgNPs-rGO: tăng 1,53 lần.
    • Điện cực biến tính hạt nano vàng AuNPs: tăng 1,76 lần.
    • Điện cực biến tính màng nano vàng AuNFs: tăng 1,92 lần.
  3. Phát triển cảm biến sinh học hiệu năng cao:
    • Cảm biến SPE/AgNPs-rGO phát hiện vi khuẩn Salmonella: dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, LOD = $22\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút.
    • Cảm biến SPE/AuNPs phát hiện MRSA và E. coli O157: dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, LOD lần lượt đạt $13\text{ CFU/mL}$ và $15\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút.
    • Cảm biến SPE/AuNFs phát hiện MRSA: dải đo $10^1 - 10^6\text{ CFU/mL}$, LOD đạt $9\text{ CFU/mL}$, thời gian 25 phút.
  4. Chế tạo hoàn chỉnh thiết bị đo cầm tay PoC: Thiết kế thành công thiết bị đo thế tích hợp vi điều khiển STM32F103C8T6 và phần mềm iPortable, cho phép hiển thị kết quả định tính Pos+/Neg- phục vụ sàng lọc tại thực địa.

Công bố khoa học và sở hữu trí tuệ

  • Công bố: 09 công trình khoa học (tác giả chính), bao gồm 02 bài báo trên tạp chí quốc tế thuộc danh mục ISI, 03 bài báo trên các tạp chí chuyên ngành trong nước và 04 báo cáo tại các hội nghị khoa học quốc gia, quốc tế.
  • Sở hữu trí tuệ: 01 đơn đăng ký Giải pháp hữu ích số 2-2020-00200, đã được Cục Sở hữu trí tuệ chấp nhận đơn hợp lệ theo Quyết định số 1006w/QĐ-SHTT ngày 21/7/2020.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Các phép thử nghiệm đánh giá độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến chủ yếu thực hiện trên môi trường mẫu vi khuẩn chuẩn nuôi cấy trong phòng thí nghiệm và mẫu mô phỏng tại thực địa, chưa mở rộng trên tập mẫu bệnh phẩm lâm sàng phức tạp (như máu toàn phần, dịch mủ vết thương hoặc dịch hút khí phế quản của bệnh nhân).
  • Thiết bị đo cầm tay chế tạo ở giai đoạn này chủ yếu đo thế và hiển thị kết quả ở mức định tính (Pos+/Neg-), chưa tích hợp đầy đủ thuật toán phân tích đa thông số để quét toàn dải phổ tổng trở phức tạp (Nyquist/Bode) độc lập mà không cần máy tính kết nối.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Hoàn thiện thuật toán xử lý tín hiệu trên bo mạch nhúng để thiết bị đo cầm tay có thể quét phổ EIS đa tần số và tính toán trực tiếp giá trị định lượng nồng độ vi khuẩn.
  • Tích hợp mô-đun truyền thông không dây (Bluetooth/Wi-Fi) kết nối dữ liệu đám mây y tế và điện thoại thông minh phục vụ quản lý dịch bệnh từ xa.
  • Thử nghiệm lâm sàng mở rộng trên các nguồn bệnh phẩm thực tế tại các bệnh viện tuyến trung ương nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố gây nhiễu sinh học.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Khoa học vật liệu, Kỹ thuật y sinh, Hóa học phân tích: Luận án cung cấp quy trình công nghệ chi tiết về phương pháp bốc bay điện hóa điều chế nano vàng, phương pháp thủy nhiệt chế tạo nano lai AgNPs-rGO, kỹ thuật silan hóa bề mặt định hướng kháng thể và phương pháp xác định diện tích hoạt động điện hóa của điện cực.
  • Đối với kỹ sư thiết kế phần cứng và thiết bị y tế: Sơ đồ nguyên lý mạch điện tử của khối tạo dao động sóng sin, mạch tiền khuếch đại, vi điều khiển STM32F103C8T6 và giao diện phần mềm iPortable là tài liệu tham khảo thực tế cho việc phát triển các thiết bị phân tích PoC.
  • Đối với cán bộ y tế dự phòng và kiểm soát nhiễm khuẩn: Cung cấp giải pháp sàng lọc nhanh các tác nhân gây bệnh (Salmonella, E. coli O157, MRSA) trong thời gian 25 phút phục vụ công tác giám sát dịch tễ tại chỗ.

Câu hỏi thường gặp

1. Các hệ vật liệu nano nào đã được nghiên cứu để biến tính bề mặt điện cực in lưới SPE trong luận án?

Tác giả đã nghiên cứu và biến tính ba hệ vật liệu nano lên điện cực làm việc của SPE cacbon:

  • Vật liệu nano lai bạc-oxide graphene khử (AgNPs-rGO) chế tạo bằng phương pháp thủy nhiệt với hạt nano bạc kích thước $\sim 20\text{ nm}$.
  • Hạt nano vàng (AuNPs) chế tạo bằng phương pháp bốc bay điện hóa từ vàng khối ở các dải kích thước $10\text{ nm}, 15\text{ nm}, 25\text{ nm}$.
  • Màng nano vàng (AuNFs) chế tạo bằng phương pháp phún xạ ion với các chiều dày $10\text{ nm}, 20\text{ nm}, 30\text{ nm}$ (tối ưu ở mức $20\text{ nm}$).

2. Giới hạn phát hiện (LOD) và thời gian đáp ứng của các cảm biến chế tạo trong luận án đạt mức nào?

Tất cả các cảm biến sinh học trong luận án đều cho thời gian phát hiện nhanh trong vòng 25 phút, làm việc trong dải nồng độ từ $10^1\text{ CFU/mL}$ đến $10^6\text{ CFU/mL}$ với giới hạn phát hiện cụ thể:

  • Cảm biến SPE/AgNPs-rGO phát hiện Salmonella: $\text{LOD} = 22\text{ CFU/mL}$.
  • Cảm biến SPE/AuNPs phát hiện E. coli O157: $\text{LOD} = 15\text{ CFU/mL}$.
  • Cảm biến SPE/AuNPs phát hiện MRSA: $\text{LOD} = 13\text{ CFU/mL}$.
  • Cảm biến SPE/AuNFs phát hiện MRSA: $\text{LOD} = 9\text{ CFU/mL}$.

3. Phương pháp nào được sử dụng để gắn cố định kháng thể lên bề mặt điện cực biến tính?

Tác giả sử dụng phương pháp liên kết cộng hóa trị thông qua các chất ghép nối chức năng:

  • Bề mặt điện cực được chức năng hóa bằng dung dịch MTS để tạo nhóm hoạt hóa thiol (-SH).
  • Sử dụng chất liên kết chéo dị chức GMBS để tạo nhóm hoạt hóa este phân tử succinimide (-NHS).
  • Nhóm -NHS liên kết cộng hóa trị với các nhóm amine (-$\text{NH}_2$) tự do trên chuỗi polypeptide của kháng thể, giúp kháng thể định hướng vị trí gắn kháng nguyên (Fab) ra phía ngoài.
  • Bề mặt sau đó được ủ với dung dịch Bovine Serum Albumin (BSA) để khóa hoàn toàn các vị trí hấp phụ không đặc hiệu.

4. Diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}$) của các điện cực biến tính thay đổi như thế nào so với điện cực SPE trần?

Dựa trên các phép đo quét thế vòng tuần hoàn (CV) và tính toán theo phương trình Randles-Sevcik, tỷ lệ diện tích hoạt động điện hóa ($A_{hđ}$) so với diện tích hình học ($A_{hh}$) của điện cực SPE cacbon trần tăng lên đáng kể sau khi biến tính:

  • SPE/AgNPs-rGO: tăng 1,53 lần.
  • SPE/AuNPs: tăng 1,76 lần.
  • SPE/AuNFs: tăng 1,92 lần.

5. Thiết bị đo cầm tay được thiết kế với cấu trúc phần cứng và chế độ hiển thị như thế nào?

Thiết bị đo cầm tay hoạt động trên nền tảng vi điều khiển STM32F103C8T6 kết hợp khối tạo tín hiệu hình sin, mạch tách sóng biên độ, bộ chuyển đổi ADC và kết nối máy tính qua cổng USB/RS232 với phần mềm iPortable. Vỏ máy được gia công CNC chống tĩnh điện. Thiết bị thực hiện phép đo thế biến thiên và hiển thị kết quả định tính trực tiếp trên màn hình tinh thể lỏng LCD ở hai trạng thái: Pos+ (Dương tính) khi phát hiện sự hiện diện của vi khuẩn đích và Neg- (Âm tính) khi không có vi khuẩn.


Kết luận

Luận án của tác giả Vũ Quang Khuê đã giải quyết trọn vẹn vấn đề nâng cao độ nhạy và độ ổn định của điện cực in lưới cacbon thương mại thông qua việc biến tính bằng các hệ vật liệu nano kim loại quý và nano lai (AgNPs-rGO, AuNPs, AuNFs). Các cảm biến miễn dịch điện hóa được chế tạo đạt giới hạn phát hiện thấp ($9 - 22\text{ CFU/mL}$) với thời gian phân tích rút ngắn xuống 25 phút đối với các chủng vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm gồm Salmonella, E. coli O157 và MRSA. Việc thiết kế, chế tạo thành công thiết bị đo cầm tay tích hợp phần mềm iPortable và được chấp nhận đơn giải pháp hữu ích đã khẳng định tính ứng dụng thực tiễn cao của công trình trong công tác kiểm soát nhiễm khuẩn và y tế dự phòng tại hiện trường.