Luận văn thạc sĩ về chế tạo sợi si trong phát hiện chất chỉ thị sinh học cho chẩn đoán ung thư gan

• Tác giả: Phạm Minh Khang
• Người hướng dẫn: TS. Tống Duy Hiển
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Sợi Si Để Phát Hiện Chất Chỉ Thị Sinh Học Trong Chẩn Đoán Ung Thư Gan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học
• 1.2. Khái niệm cảm biến sinh học
• 1.3. Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học
• 1.4. Phân loại cảm biến sinh học
• 1.5. Ứng dụng và thị trường cảm biến sinh học
• 1.6. Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.2. Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến
• 1.7. Phương pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trường sợi Silic
• 1.7.1. Phương pháp Top down
• 1.7.2. Phương pháp Bottom up
• 2. CHƯƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO
• 2.1. Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Silic
• 2.1.1. Nguyên vật liệu
• 2.1.2. Qui trình chế tạo
• 2.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt
• 2.2.1. Vật liệu, hóa chất cần thiết
• 2.2.2. Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si
• 2.2.3. Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng
• 3. CHƯƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƯỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC
• 3.1. Tính chất hình thái sợi Si tạo thành
• 3.2. Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si
• 3.2.1. Đặc trưng I – V
• 3.2.2. Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias
• 3.2.3. Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic
• 4. CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN
• 4.1. Chuẩn bị AFP
• 4.2. Chuẩn bị hệ đo
• 4.3. Tiến hành đo đạc, kiểm tra
• KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là thiết bị phân tích kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học với bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ chất cần phân tích. Các yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, hoặc nucleic acid. Bộ chuyển đổi chuyển tín hiệu thành dạng có thể đo được như dòng điện hay điện thế. Cảm biến sinh học đã thu hút sự quan tâm lớn từ các nhà nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ hóa học đến kỹ thuật điện. Sự phát triển của cảm biến sinh học không chỉ dừng lại ở việc phát hiện chất mà còn mở rộng ra nhiều ứng dụng trong y học và môi trường.

1.1 Khái niệm cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học với bộ chuyển đổi tạo ra tín hiệu tương ứng với nồng độ chất cần phân tích. Tín hiệu này có thể được sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các khí như NH3 hay O2. Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô. Bộ chuyển đổi sẽ chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo được như dòng điện, điện thế, sự thay đổi nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lượng bằng phương pháp điện hóa, nhiệt, quang, hay áp điện.

1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học

Trong hơn 50 năm qua, số lượng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị. Khái niệm cảm biến sinh học đã được đưa ra cách đây hơn bốn thập niên. Giáo sư Clark là cha đẻ của khái niệm này khi công bố nghiên cứu về điện cực oxy vào năm 1956. Năm 1962, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase được “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy. Thí nghiệm này đánh dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và môi trường.

II. Nhu cầu phát hiện chất chỉ thị sinh học trong ung thư gan

Ung thư gan là một trong những loại ung thư phổ biến nhất trên thế giới, với tỷ lệ tử vong cao. Nhu cầu phát hiện sớm các chất chỉ thị sinh học trong máu để chẩn đoán ung thư gan là rất lớn. Việc phát hiện sớm có thể giúp cải thiện tỷ lệ sống sót của bệnh nhân. Các biomarker như AFP (Alpha-fetoprotein) đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán và theo dõi điều trị ung thư gan. Tuy nhiên, hiện tại, nhiều cơ sở y tế vẫn phải sử dụng công nghệ nhập khẩu để thực hiện các xét nghiệm này, điều này hạn chế khả năng chẩn đoán và điều trị hiệu quả.

2.1 Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan

Các phương pháp hiện tại để phát hiện chất chỉ thị sinh học trong ung thư gan bao gồm xét nghiệm máu, siêu âm, và chụp CT. Tuy nhiên, những phương pháp này thường không đủ nhạy và chính xác. Việc phát triển các cảm biến sinh học mới có thể giúp cải thiện độ nhạy và độ đặc hiệu trong việc phát hiện các biomarker. Cảm biến sinh học dựa trên công nghệ nano, đặc biệt là sợi silic, có tiềm năng lớn trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học với độ nhạy cao.

2.2 Tầm quan trọng của việc phát hiện sớm

Việc phát hiện sớm ung thư gan có thể giúp tăng cường hiệu quả điều trị và cải thiện tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân. Nghiên cứu cho thấy rằng, nếu ung thư gan được phát hiện ở giai đoạn sớm, tỷ lệ sống sót sau 5 năm có thể lên đến 70%. Do đó, việc phát triển các công nghệ mới để phát hiện sớm các chất chỉ thị sinh học là rất cần thiết và cấp bách.

III. Công nghệ chế tạo sợi silic trong phát hiện chất chỉ thị sinh học

Công nghệ chế tạo sợi silic (Si NW FET) đã được nghiên cứu và phát triển để ứng dụng trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học. Sợi silic có kích thước nano cho phép tăng cường diện tích bề mặt, từ đó nâng cao khả năng phát hiện. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng, cảm biến dựa trên sợi silic có thể phát hiện các biomarker với độ nhạy và độ chính xác cao. Việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo cảm biến sinh học mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y học.

3.1 Phương pháp chế tạo sợi silic

Phương pháp chế tạo sợi silic có thể được chia thành hai loại chính: phương pháp Top-down và Bottom-up. Phương pháp Top-down bao gồm việc cắt gọt các vật liệu lớn thành các cấu trúc nhỏ hơn, trong khi phương pháp Bottom-up xây dựng các cấu trúc từ các nguyên liệu cơ bản. Cả hai phương pháp đều có ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn phương pháp phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng.

3.2 Ứng dụng của sợi silic trong phát hiện chất chỉ thị

Sợi silic đã được chứng minh là có khả năng phát hiện các chất chỉ thị sinh học như AFP với độ nhạy cao. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi sử dụng sợi silic làm cảm biến, có thể phát hiện nồng độ AFP thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống. Điều này mở ra khả năng phát triển các bộ kit chẩn đoán ung thư gan với độ chính xác cao, giúp cải thiện khả năng phát hiện sớm và điều trị hiệu quả.

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan là một trong những loại ung thư phổ biến và có tỷ lệ tử vong cao nhất trên thế giới, đặc biệt tại các khu vực châu Á và châu Phi. Theo thống kê của WHO năm 2007, ung thư gan gây ra hơn 653.000 ca tử vong mỗi năm, trong đó Việt Nam có trên 10.000 ca mắc mới hàng năm và tỷ lệ nhiễm viêm gan B mãn tính chiếm khoảng 15-20% dân số. Việc phát hiện sớm các chỉ thị sinh học (biomarkers) liên quan đến ung thư gan đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị hiệu quả. Tuy nhiên, hiện nay các cơ sở y tế trong nước chủ yếu sử dụng thiết bị nhập ngoại, chưa làm chủ được công nghệ chế tạo bộ kít phân tích sinh học.

Luận văn tập trung nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi silic (Si NW FET) để phát hiện chất chỉ thị sinh học alpha-fetoprotein (AFP) – một biomarker đặc trưng của ung thư gan. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm công nghệ nano tại Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, với mục tiêu phát triển cảm biến có độ nhạy cao, đặc hiệu và khả năng ứng dụng trong chẩn đoán sớm ung thư gan. Kết quả nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ cảm biến sinh học nano trong nước, giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập khẩu và mở rộng ứng dụng trong y học phân tử.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET) và nguyên lý cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng bề mặt của sợi nano silic.

• Transistor hiệu ứng trường sợi silic (Si NW FET): Thiết bị gồm ba điện cực (nguồn, máng, cổng) với kênh dẫn là sợi silic kích thước nano. Dòng điện qua sợi silic được điều khiển bởi điện áp cực cổng và bị ảnh hưởng bởi điện tích bề mặt khi có sự bắt cặp giữa thụ thể và chất chỉ thị sinh học. Sự thay đổi dòng điện phản ánh nồng độ chất phân tích.

• Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng trường: Sợi silic loại P hoặc N có thể tăng hoặc giảm dòng điện khi các phân tử mang điện tích âm hoặc dương bám lên bề mặt, nhờ đó chuyển đổi tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện.

Ba khái niệm chính được sử dụng gồm: biomarker (AFP), thụ thể (kháng thể đơn dòng AFP), và chức năng hóa bề mặt sợi silic bằng phương pháp silan hóa với 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) để gắn thụ thể lên bề mặt cảm biến.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu wafer SOI (Silicon On Insulator) dùng để chế tạo sợi silic đơn tinh thể, cùng các hóa chất và vật liệu chức năng hóa bề mặt. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

• Chế tạo cảm biến Si NW FET: Sử dụng phương pháp top-down từ wafer SOI với các bước làm sạch, oxi hóa giảm bề dày lớp Si, pha tạp Bo vùng điện cực, quang khắc tạo sợi silic, phủ điện cực Pt/Ti, và gia nhiệt tạo tiếp xúc ohmic. Cỡ mẫu wafer 4 inch, sợi silic có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài từ 14 µm đến 40 µm.

• Chức năng hóa bề mặt: Silan hóa bề mặt sợi silic với GPTS để tạo lớp liên kết cộng hóa trị, sau đó gắn kháng thể đơn dòng AFP làm thụ thể nhận diện biomarker.

• Phân tích tính chất điện: Đo đặc trưng I-V và ảnh hưởng của điện thế bias đến dòng điện qua sợi silic bằng hệ thống Agilent – Probe Station.

• Thời gian nghiên cứu: Từ năm 2013 đến 2014 tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

Phương pháp chọn mẫu wafer SOI và kỹ thuật top-down được ưu tiên do khả năng kiểm soát kích thước, định hướng và tính đồng nhất của sợi silic, phù hợp với yêu cầu độ nhạy và đặc hiệu của cảm biến sinh học.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công cảm biến Si NW FET: Các chip cảm biến với sợi silic đơn tinh thể có chiều ngang khoảng 2 µm và chiều dài từ 14 µm đến 40 µm được chế tạo đồng nhất. Đặc trưng I-V của cảm biến thể hiện tiếp xúc ohmic tốt giữa sợi silic và điện cực Pt/Ti, với dòng điện tuyến tính khi không có điện thế bias (Vg=0).

2. Ảnh hưởng của điện thế bias: Khi thay đổi điện thế bias từ -4V đến 4V, dòng điện qua sợi silic thay đổi rõ rệt, chứng tỏ khả năng điều khiển dòng điện và độ nhạy của cảm biến. Đặc biệt, cảm biến với kênh dẫn gồm 4 sợi silic cho dòng điện lớn hơn khoảng 3 lần so với cảm biến 1 sợi, tăng khả năng phát hiện.

3. Chức năng hóa bề mặt hiệu quả: Qua quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang, lớp GPTS được gắn trên bề mặt sợi silic sau 16 giờ ngâm có độ phủ đồng đều và bền vững, đặc biệt khi chiếu UV trong 15-30 phút giúp tăng cường liên kết. Thụ thể kháng thể AFP được gắn thành công trên bề mặt, đảm bảo tính đặc hiệu của cảm biến.

4. Phát hiện biomarker AFP: Cảm biến Si NW FET thể hiện khả năng phát hiện AFP trong dung dịch với nồng độ từ 100 ng/ml đến 500 ng/ml. Đồ thị dòng điện theo thời gian (I-t) cho thấy sự thay đổi dòng điện rõ rệt khi có AFP, với độ nhạy tăng khoảng 20-30% so với dung dịch chuẩn PBS pH 7.4.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy phương pháp top-down từ wafer SOI là phù hợp để chế tạo cảm biến Si NW FET với kích thước và tính chất điện ổn định, đáp ứng yêu cầu phát hiện biomarker AFP. Việc sử dụng lớp silan hóa GPTS giúp gắn thụ thể kháng thể hiệu quả, tăng tính đặc hiệu và độ bền của cảm biến.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, cảm biến đạt độ nhạy tương đương với các thiết bị nhập ngoại, đồng thời có ưu điểm về chi phí và khả năng sản xuất trong nước. Việc đo đặc trưng I-V và ảnh hưởng của điện thế bias cung cấp dữ liệu quan trọng để tối ưu hóa thiết kế cảm biến, có thể trình bày qua biểu đồ đặc trưng I-V và đồ thị I-t minh họa sự tương tác giữa thụ thể và AFP.

Tuy nhiên, giới hạn về thiết bị và thời gian nghiên cứu khiến việc phát hiện đồng thời nhiều biomarker chưa được thực hiện, mở ra hướng phát triển tiếp theo cho nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chức năng hóa bề mặt: Nâng cao hiệu quả gắn thụ thể bằng cách điều chỉnh thời gian ngâm GPTS và chiếu UV, nhằm tăng độ bền và tính đặc hiệu của cảm biến. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu công nghệ nano.

2. Phát triển cảm biến đa kênh: Mở rộng chế tạo chip với nhiều sợi silic gắn các thụ thể khác nhau để phát hiện đồng thời nhiều biomarker như AFP-L3, DCP, GP73, nâng cao độ chính xác chẩn đoán. Thời gian: 1-2 năm, chủ thể: phòng thí nghiệm công nghệ nano và đối tác y sinh.

3. Xây dựng hệ thống đo lường tự động: Thiết kế hệ thống đo điện tích hợp với phần mềm phân tích dữ liệu để tăng tính tiện dụng và độ chính xác trong ứng dụng thực tế. Thời gian: 6-12 tháng, chủ thể: nhóm kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin.

4. Hợp tác chuyển giao công nghệ: Liên kết với các bệnh viện và trung tâm y tế để thử nghiệm cảm biến trên mẫu huyết thanh bệnh nhân, đánh giá hiệu quả và khả năng ứng dụng trong chẩn đoán lâm sàng. Thời gian: 1 năm, chủ thể: nhóm nghiên cứu và cơ sở y tế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và vật liệu bán dẫn: Nắm bắt quy trình chế tạo cảm biến Si NW FET, kỹ thuật chức năng hóa bề mặt và ứng dụng trong sinh học phân tử.

2. Chuyên gia y sinh và bác sĩ chuyên khoa gan mật: Hiểu rõ về các biomarker ung thư gan và công nghệ phát hiện mới, hỗ trợ cải tiến phương pháp chẩn đoán sớm.

3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học: Tìm kiếm giải pháp phát triển sản phẩm cảm biến sinh học trong nước, giảm chi phí nhập khẩu và nâng cao năng lực cạnh tranh.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, công nghệ nano, y sinh: Tham khảo mô hình nghiên cứu liên ngành, phương pháp thực nghiệm và phân tích dữ liệu trong lĩnh vực cảm biến sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến Si NW FET hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Cảm biến sử dụng transistor hiệu ứng trường với kênh dẫn là sợi silic nano. Khi biomarker bám lên bề mặt sợi, điện tích thay đổi làm thay đổi dòng điện qua sợi, từ đó phát hiện nồng độ chất phân tích.

2. Tại sao chọn AFP làm biomarker trong nghiên cứu?
   AFP là biomarker đặc trưng và phổ biến nhất cho ung thư gan, có độ nhạy và tính đặc hiệu cao, phù hợp để đánh giá hiệu quả cảm biến sinh học.

3. Phương pháp chức năng hóa bề mặt GPTS có ưu điểm gì?
   GPTS tạo liên kết cộng hóa trị bền vững giữa bề mặt silic oxit và thụ thể protein, giúp cảm biến có tính đặc hiệu cao và khả năng tái sử dụng.

4. Độ nhạy của cảm biến đạt được trong nghiên cứu là bao nhiêu?
   Cảm biến phát hiện AFP với nồng độ từ 100 ng/ml đến 500 ng/ml, dòng điện thay đổi khoảng 20-30% so với dung dịch chuẩn, cho thấy độ nhạy phù hợp với ứng dụng chẩn đoán.

5. Có thể phát hiện đồng thời nhiều biomarker trên cùng một chip không?
   Có thể, bằng cách gắn các thụ thể khác nhau lên từng sợi silic trong chip đa kênh. Đây là hướng phát triển tiếp theo để nâng cao độ chính xác chẩn đoán.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công cảm biến Si NW FET với sợi silic đơn tinh thể có kích thước và tính chất điện ổn định, phù hợp phát hiện biomarker AFP.
• Phương pháp chức năng hóa bề mặt bằng GPTS giúp gắn thụ thể kháng thể đơn dòng AFP hiệu quả, tăng tính đặc hiệu của cảm biến.
• Cảm biến thể hiện khả năng phát hiện AFP trong dung dịch với độ nhạy cao, đáp ứng yêu cầu chẩn đoán sớm ung thư gan.
• Nghiên cứu mở ra hướng phát triển cảm biến đa kênh và hệ thống đo lường tự động, nâng cao ứng dụng trong y học phân tử.
• Khuyến nghị tiếp tục tối ưu hóa quy trình, thử nghiệm lâm sàng và chuyển giao công nghệ trong vòng 1-2 năm tới để đưa sản phẩm vào thực tế.

Để tiếp tục phát triển công nghệ cảm biến sinh học nano trong nước, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác, đầu tư nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế và sinh học phân tử.