Nghiên Cứu Phương Pháp Biến Đổi Bề Mặt Thanh Dao Động Ứng Dụng Trong Phát Hiện Ung Thư Gan

Cảm biến sinh học là thiết bị phân tích có khả năng phát hiện các chất cụ thể trong một mẫu sinh học. Chúng được ứng dụng rộng rãi trong y học, môi trường và công nghiệp thực phẩm. Cảm biến sinh học thường bao gồm một phần tử nhận diện sinh học (ví dụ: enzyme, kháng thể) và một bộ chuyển đổi tín hiệu. Phần tử nhận diện sinh học có khả năng liên kết chọn lọc với chất cần phân tích, tạo ra một tín hiệu được chuyển đổi thành tín hiệu điện hoặc quang học bởi bộ chuyển đổi tín hiệu. Sự phát triển của công nghệ cảm biến sinh học đã mở ra nhiều tiềm năng trong việc chẩn đoán bệnh sớm và theo dõi sức khỏe.

Thanh dao động mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với các phương pháp khác trong việc phát hiện chỉ thị ung thư gan. Kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao và khả năng hoạt động trong thời gian thực là những lợi thế đáng kể. Chúng cho phép phát hiện các chỉ thị ung thư ở nồng độ rất thấp, ngay cả khi bệnh còn ở giai đoạn sớm. Đồng thời, phương pháp này cũng có tiềm năng tự động hóa cao, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí phân tích, mở ra cơ hội ứng dụng trong y học cá nhân hóa.

Các thanh dao động thường được chế tạo từ vật liệu SiN và được phủ một lớp vàng (Au) mỏng. Vàng (Au) được sử dụng vì tính trơ hóa học cao, dẫn điện tốt và khả năng liên kết với các phân tử sinh học thông qua các liên kết thiol. Silicon nitride (SiN) được sử dụng vì tính chất cơ học tốt và khả năng tạo hình dễ dàng. Tuy nhiên, cả Au và SiN đều không phản ứng trực tiếp với các thụ thể sinh học, do đó cần phải biến đổi bề mặt để tăng khả năng gắn kết. Yêu cầu kỹ thuật đối với vật liệu bao gồm độ bền cơ học, tính ổn định hóa học và khả năng tương thích sinh học.

Việc liên kết hiệu quả các thụ thể sinh học lên bề mặt thanh dao động là yếu tố then chốt quyết định độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến. Các phương pháp truyền thống thường gặp khó khăn trong việc tạo ra một lớp thụ thể sinh học đồng nhất, ổn định và có hoạt tính sinh học cao. Sự sai khác trong quá trình liên kết có thể dẫn đến giảm độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp biến đổi bề mặt tiên tiến để giải quyết vấn đề này.

Quá trình biến đổi bề mặt có thể ảnh hưởng đến tính chất cơ học và điện của thanh dao động, làm thay đổi tần số cộng hưởng và biên độ dao động. Điều này có thể làm giảm độ nhạy và độ chính xác của cảm biến. Do đó, cần phải lựa chọn phương pháp biến đổi bề mặt phù hợp và kiểm soát chặt chẽ các thông số quá trình để giảm thiểu ảnh hưởng đến tính chất của thanh. Việc tối ưu hóa quy trình biến đổi bề mặt là rất quan trọng để đảm bảo hiệu suất cao của cảm biến.

Cảm biến cần có độ ổn định cao trong thời gian dài và có khả năng tái sử dụng nhiều lần để giảm chi phí và tăng tính ứng dụng thực tế. Lớp biến đổi bề mặt phải bền vững và không bị bong tróc hoặc thoái hóa trong quá trình sử dụng. Đồng thời, cần phải có phương pháp tái tạo bề mặt đơn giản và hiệu quả để loại bỏ các chất bám dính và phục hồi hoạt tính của cảm biến. Nghiên cứu về độ ổn định và khả năng tái sử dụng là rất quan trọng để đưa công nghệ cảm biến này vào ứng dụng thực tế.

Cysteamine là một phân tử hữu cơ có nhóm thiol (-SH) và nhóm amine (-NH2). Nhóm thiol có khả năng liên kết mạnh với bề mặt Au, tạo thành một lớp đơn phân tử tự lắp ráp (SAM). Nhóm amine có thể phản ứng với Glutaraldehyde (GAD), một chất liên kết ngang hai chức năng. GAD có thể liên kết với nhóm amine của cysteamine và nhóm amine của kháng thể, tạo thành một cầu nối giữa bề mặt Au và kháng thể. Quá trình này giúp cố định kháng thể lên bề mặt Au một cách hiệu quả.

Thời gian ngâm và nồng độ GAD là hai yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình biến đổi bề mặt. Thời gian ngâm quá ngắn có thể dẫn đến liên kết không đủ, trong khi thời gian ngâm quá dài có thể gây ra liên kết không đặc hiệu. Tương tự, nồng độ GAD quá thấp có thể dẫn đến liên kết không đủ, trong khi nồng độ GAD quá cao có thể gây ra liên kết chéo quá mức, làm giảm hoạt tính của kháng thể. Do đó, cần phải tối ưu hóa thời gian ngâm và nồng độ GAD để đạt được hiệu quả liên kết tốt nhất.

Hiệu quả của quá trình biến đổi bề mặt có thể được đánh giá bằng nhiều phương pháp, bao gồm đo góc tiếp xúc và phản ứng huỳnh quang. Góc tiếp xúc là một chỉ số về độ ưa nước của bề mặt. Bề mặt sau khi biến đổi phải có góc tiếp xúc phù hợp để tạo điều kiện thuận lợi cho sự liên kết của kháng thể. Phản ứng huỳnh quang có thể được sử dụng để xác định lượng kháng thể đã liên kết lên bề mặt. Bằng cách so sánh tín hiệu huỳnh quang của các mẫu khác nhau, ta có thể đánh giá hiệu quả của các phương pháp biến đổi bề mặt khác nhau.

Xử lý plasma oxy (O2) là một phương pháp hiệu quả để tạo ra các nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt SiN. Plasma oxy chứa các ion và gốc tự do oxy có năng lượng cao, có khả năng phá vỡ các liên kết hóa học trên bề mặt SiN và tạo ra các vị trí phản ứng. Các nhóm hydroxyl (-OH) này có vai trò quan trọng trong việc tạo liên kết với các phân tử silane, chẳng hạn như APTES, để tạo ra một lớp phủ amine trên bề mặt.

Thời gian xử lý plasma và công suất plasma là hai thông số quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình xử lý plasma oxy (O2). Thời gian xử lý plasma quá ngắn có thể dẫn đến tạo ra không đủ nhóm hydroxyl (-OH), trong khi thời gian xử lý plasma quá dài có thể gây ra phá hủy bề mặt. Tương tự, công suất plasma quá thấp có thể dẫn đến tạo ra không đủ ion và gốc tự do oxy, trong khi công suất plasma quá cao có thể gây ra quá nhiệt và phá hủy bề mặt. Do đó, cần phải tối ưu hóa thời gian xử lý plasma và công suất plasma để đạt được hiệu quả xử lý tốt nhất.

Sau khi xử lý plasma oxy (O2), bề mặt SiN được phủ một lớp APTES (3-Aminopropyltriethoxysilane). APTES là một phân tử silane có nhóm amine (-NH2). Nhóm silane có khả năng liên kết với các nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt SiN, tạo thành một lớp phủ amine. Sau đó, GAD được sử dụng để gắn kết các kháng thể lên lớp phủ amine. GAD liên kết với nhóm amine của APTES và nhóm amine của kháng thể, tạo thành một cầu nối giữa bề mặt SiN và kháng thể.

Độ lệch của thanh dao động được đo bằng một hệ thống đo độ lệch laser. Khi các chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1 liên kết với các kháng thể trên bề mặt thanh, khối lượng của thanh sẽ tăng lên, dẫn đến sự thay đổi trong tần số cộng hưởng và độ lệch của thanh. Độ lệch của thanh tỷ lệ thuận với nồng độ của AFP và DKK1. Bằng cách đo độ lệch của thanh, ta có thể xác định nồng độ của AFP và DKK1 trong mẫu bệnh phẩm.

Độ nhạy của cảm biến được định nghĩa là khả năng của cảm biến để phát hiện nồng độ thấp nhất của AFP và DKK1. Độ đặc hiệu của cảm biến được định nghĩa là khả năng của cảm biến để phân biệt AFP và DKK1 với các chất khác trong mẫu bệnh phẩm. Các thí nghiệm được thực hiện để đánh giá độ nhạy của cảm biến và độ đặc hiệu của cảm biến bằng cách sử dụng các mẫu bệnh phẩm có nồng độ AFP và DKK1 khác nhau.

Các kết quả thu được từ phương pháp sử dụng thanh dao động được so sánh với các phương pháp chẩn đoán ung thư gan hiện tại, chẳng hạn như xét nghiệm máu AFP và siêu âm gan. So sánh này nhằm đánh giá tính ưu việt của phương pháp sử dụng thanh dao động về độ nhạy, độ đặc hiệu, thời gian phân tích và chi phí. Các kết quả so sánh cho thấy phương pháp sử dụng thanh dao động có tiềm năng trở thành một công cụ chẩn đoán ung thư gan hiệu quả và chi phí thấp.

Phát hiện sớm ung thư gan là yếu tố then chốt để cải thiện tiên lượng cho bệnh nhân. Phương pháp sử dụng thanh dao động có tiềm năng phát hiện các chỉ thị ung thư ở nồng độ rất thấp, ngay cả khi bệnh còn ở giai đoạn sớm. Điều này cho phép bác sĩ can thiệp sớm và tăng cơ hội điều trị thành công.

Phương pháp sử dụng thanh dao động cũng có thể được sử dụng để theo dõi hiệu quả điều trị ung thư gan. Bằng cách đo nồng độ của các chỉ thị ung thư trong quá trình điều trị, bác sĩ có thể đánh giá xem liệu phương pháp điều trị có hiệu quả hay không. Đồng thời, nồng độ của các chỉ thị ung thư cũng có thể được sử dụng để tiên lượng bệnh và dự đoán khả năng tái phát.

Trong tương lai, có thể phát triển các cảm biến đa năng có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chỉ thị ung thư gan. Điều này sẽ cung cấp thông tin toàn diện hơn về tình trạng bệnh của bệnh nhân và giúp bác sĩ đưa ra quyết định điều trị chính xác hơn. Các phương pháp điện hóa, phương pháp quang học và phương pháp khối phổ có thể được kết hợp để phát triển các cảm biến đa năng này.