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

• 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 Phương Pháp Biến Đổi Bề Mặt Thanh Dao Động Để Phát Hiện Chỉ Thị Ung Thư Gan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thanh dao động
• 1.1.1. Cảm biến sinh học
• 1.1.2. Lịch sử phát triển công nghệ cảm biến sinh học
• 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
• 2.1. Quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động
• 2.1.1. Quy trình xuất phát từ Au
• 2.1.2. Khảo sát trên wafer
• 2.1.3. Thử nghiệm trên chíp thanh dao động để dò tìm AFP
• 2.1.4. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiNx/SiO2
• 2.1.4.1. Khảo sát silane hóa bề mặt SiNx và SiO2 và vấn đề của SiNx
• 2.1.4.2. Xử lý bề mặt SiNx bằng plasma O2
• 2.1.4.2.1. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy
• 2.2. Ứng dụng thanh dao động để dò tìm DKK1
• 2.3. Các phương pháp, thiết bị khảo sát và hoá chất sử dụng trong đề tài
• 2.3.1. F-LCA và kính hiển vi huỳnh quang
• 2.3.2. Khảo sát bằng enzim HRP
• 2.3.3. Các hoá chất sử dụng trong đề tài
• 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
• 3.1. Khảo sát qui trình biến đổi xuất phát từ bề mặt Au
• 3.1.1. Khảo sát thời gian ngâm GAD
• 3.1.2. Khảo sát nồng độ GAD
• 3.1.3. Đánh giá hiệu quả quy trình tối ưu thông qua góc tiếp xúc
• 3.1.4. Kết quả thử nghiệm thanh dao động để phát hiện AFP
• 3.2. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiN/SiO2
• 3.2.1. Kết quả biến đổi bề mặt SiNx chưa qua xử lý plasma O2 và bề mặt SiO2
• 3.2.2. Cải tiến quy trình xuất phát từ bề mặt SiNx bằng phương pháp xử lý plasma oxy
• 3.2.2.1. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy
• 3.2.2.2. Thời gian xử lý plasma
• 3.2.2.3. Ảnh hưởng của lưu lượng khí oxy
• 3.2.2.4. Ảnh hưởng của công suất plasma
• 3.2.2.5. Các thông số xử lý plasma tối ưu
• 3.2.3. Áp dụng quy trình xử lý plasma vào quy trình APTES + GAD tối ưu
• 3.2.4. 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
• 4. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
• 4.1. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Nghiên Cứu Thanh Dao Động Giải Pháp Phát Hiện Ung Thư Gan

Ung thư gan là một trong những căn bệnh ung thư phổ biến và nguy hiểm trên toàn cầu. Việc phát hiện sớm và chính xác đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao hiệu quả điều trị. Các phương pháp chẩn đoán hiện tại thường chỉ phát hiện bệnh khi khối u đã phát triển, gây khó khăn cho quá trình điều trị. Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng cảm biến sinh học dựa trên thanh dao động để phát hiện các chỉ thị ung thư gan một cách sớm chóng. Các thanh dao động có kích thước micromet có khả năng thay đổi tính chất vật lý khi các chỉ thị ung thư bám lên bề mặt. Bằng cách đo tín hiệu điện hóa, ứng suất bề mặt, độ lệch hoặc sự thay đổi tần số dao động, ta có thể thu được thông tin chính xác cho quá trình chẩn đoán. "Hiệu quả của phương pháp phụ thuộc rất lớn vào khả năng cố định các phân tử sinh học lên bề mặt của thanh dao động", theo Nguyễn Trung Thành.

1.1. Tổng Quan về Cảm Biến Sinh Học và Ứng Dụng

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.

1.2. Ưu Điểm của Thanh Dao Động trong Phát Hiện Ung Thư Gan

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.

1.3. Vật Liệu Chế Tạo Thanh Dao Động và Yêu Cầu Kỹ Thuật

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.

II. Thách Thức Biến Đổi Bề Mặt Thanh Dao Động Hiệu Quả

Một trong những thách thức lớn nhất trong việc phát triển cảm biến sinh học dựa trên thanh dao động là biến đổi bề mặt của thanh để tăng khả năng gắn kết của các phân tử sinh học, đặc biệt là kháng thể. Bề mặt của thanh phải được biến đổi sao cho nó có thể liên kết một cách hiệu quả và ổn định với các kháng thể đặc hiệu cho chỉ thị ung thư gan. Đồng thời, quá trình biến đổi bề mặt không được làm ảnh hưởng đến tính chất cơ học và điện của thanh. Các phương pháp biến đổi bề mặt phổ biến bao gồm sử dụng lớp phủ hóa học, xử lý plasma và kỹ thuật tự lắp ráp (self-assembly).

2.1. Vấn Đề Liên Kết Thụ Thể Sinh Học Lên Bề Mặt Thanh

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.

2.2. Ảnh Hưởng của Biến Đổi Bề Mặt Đến Tính Chất Thanh Dao Động

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.

2.3. Yêu Cầu Về Độ Ổn Định và Khả Năng Tái Sử Dụng

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.

III. Phương Pháp Biến Đổi Bề Mặt Au Tối Ưu Hóa Khả Năng Liên Kết

Một phương pháp tiếp cận là biến đổi bề mặt Au bằng cách sử dụng các phân tử hữu cơ có nhóm thiol (-SH), chẳng hạn như cysteamine, có khả năng liên kết mạnh với Au. Sau đó, sử dụng Glutaraldehyde (GAD) làm chất liên kết ngang để gắn kết các kháng thể lên bề mặt. "Cơ chế phản ứng giữa nhóm thiol (-SH) và Au là cơ chế chính trong quá trình liên kết này" (Nguyễn Trung Thành). Nghiên cứu này tập trung vào việc tối ưu hóa các thông số của quá trình biến đổi bề mặt Au, bao gồm thời gian ngâm, nồng độ chất liên kết và nhiệt độ phản ứng, để đạt được khả năng liên kết cao nhất với các kháng thể.

3.1. Sử Dụng Cysteamine và Glutaraldehyde GAD trong Biến Đổi Bề Mặt

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.

3.2. Tối Ưu Hóa Thời Gian Ngâm và Nồng Độ GAD

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.

3.3. Đánh Giá Hiệu Quả Bằng Góc Tiếp Xúc và Phản Ứng Huỳnh Quang

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.

IV. Cải Tiến Biến Đổi Bề Mặt SiN Bằng Xử Lý Plasma Oxy O2

Đối với bề mặt SiN, một phương pháp khác được nghiên cứu là xử lý bề mặt bằng plasma oxy (O2) để tạo ra các nhóm hydroxyl (-OH) trên bề mặt. Các nhóm hydroxyl này có thể phản ứng với các phân tử silane, chẳng hạn như APTES (3-Aminopropyltriethoxysilane), để tạo ra một lớp phủ amine trên bề mặt. "Quá trình thay thế nguyên tử N của nguyên tử Oxy là rất quan trọng trong xử lý plasma", trích dẫn từ tài liệu gốc. Sau đó, GAD được sử dụng để gắn kết các kháng thể lên lớp phủ amine.

4.1. Vai Trò của Plasma Oxy O2 Trong Tạo Liên Kết Hydroxyl

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.

4.2. Tối Ưu Hóa Thông Số Xử Lý Plasma Thời Gian và Công Suất

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.

4.3. Ứng Dụng APTES và GAD Sau Xử Lý Plasma để Gắn Kết Kháng Thể

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.

V. Kết Quả Phát Hiện Chỉ Thị AFP và DKK1 Bằng Thanh Dao Động

Các kết quả nghiên cứu cho thấy phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động đã thành công trong việc phát hiện chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1. Độ nhạy của cảm biến và độ đặc hiệu của cảm biến là các yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu quả của phương pháp. Các kết quả nghiên cứu này mở ra tiềm năng ứng dụng thanh dao động trong việc chẩn đoán sớm ung thư gan và ứng dụng trong y học cá nhân hóa.

5.1. Đo Độ Lệch Thanh Dao Động Tương Ứng Nồng Độ AFP và DKK1

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.

5.2. Đánh Giá Độ Nhạy và Độ Đặc Hiệu Của Cảm Biến

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.

5.3. So Sánh Kết Quả Với Các Phương Pháp Chẩn Đoán Hiện Tại

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.

VI. Triển Vọng Tương Lai Ứng Dụng Chẩn Đoán và Điều Trị Ung Thư Gan

Nghiên cứu về biến đổi bề mặt thanh dao động để phát hiện chỉ thị ung thư gan mở ra nhiều triển vọng trong việc chẩn đoán sớm và theo dõi hiệu quả điều trị ung thư gan. Với những cải tiến về phương pháp mới và cải tiến phương pháp, công nghệ này có thể được ứng dụng lâm sàng trong tương lai, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống của bệnh nhân ung thư gan. Ứng dụng trong y học cá nhân hóa cũng là một hướng đi đầy tiềm năng.

6.1. Ứng Dụng Trong Chẩn Đoán Sớm Ung Thư Gan

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.

6.2. Theo Dõi Hiệu Quả Điều Trị và Tiên Lượng Bệnh

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.

6.3. Phát Triển Cảm Biến Đa Năng Phát Hiện Nhiều Chỉ Thị

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.

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan là một trong những bệnh ung thư phổ biến và nguy hiểm trên toàn cầu, 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. Tỷ lệ mắc ung thư gan cao tập trung chủ yếu 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. Tuy nhiên, các phương pháp chẩn đoán hiện nay như MRI, CT, nội soi thường chỉ phát hiện bệnh khi khối u đã hình thành, gây hạn chế trong việc phát hiện sớm.

Luận văn tập trung nghiên cứu phương pháp biến đổi bề mặt thanh dao động phủ lớp vàng (Au) và silicon nitride (SiNx) nhằm 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 và tần số dao động khi có sự gắn kết của các phân tử sinh học trên bề mặt. Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng quy trình biến đổi bề mặt hiệu quả để tăng khả năng gắn kết kháng thể lên thanh dao động, 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 năm 2014, với phạm vi khảo sát các quy trình biến đổi bề mặt và đánh giá hiệu quả qua các phương pháp huỳnh quang, đo góc tiếp xúc, phản ứng đổi màu enzyme và đo độ lệch thanh dao động. Kết quả nghiên cứu góp phần mở rộng ứng dụng công nghệ nano trong y sinh, đặc biệt trong lĩnh vực chẩn đoán miễn dịch không đánh dấu, đơn giản và chi phí thấp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Cảm biến sinh học dựa trên thanh dao động (cantilever biosensors): Thanh dao động silicon nitride phủ lớp vàng có khả năng phát hiện sự thay đổi ứng suất bề mặt do gắn kết kháng nguyên-kháng thể, thể hiện qua độ lệch hoặc thay đổi tần số dao động. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự biến đổi vật lý của thanh khi có sự tương tác sinh học trên bề mặt.

• Phương pháp biến đổi bề mặt hóa học: Sử dụng các hợp chất thiol (cysteamine) để biến đổi bề mặt Au và các hợp chất silane (GOPTS, APTES) để biến đổi bề mặt SiNx, tạo ra các nhóm chức năng (-NH2, -CHO) giúp gắn kết kháng thể hiệu quả.

• Xử lý plasma oxy: Tăng mật độ nhóm silanol (SiOH) trên bề mặt SiNx bằng phương pháp xử lý plasma oxy ICP, giúp cải thiện hiệu quả silan hóa và tăng khả năng gắn kết protein.

Các khái niệm chính bao gồm: kháng thể (IgG), kháng nguyên AFP và DKK1, phản ứng kháng thể-kháng nguyên, góc tiếp xúc bề mặt, phản ứng enzyme HRP, và nguyên lý đo độ lệch thanh dao động.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng các mẫu wafer và chip thanh dao động phủ Au và SiNx, các hóa chất như cysteamine, glutaraldehyde (GAD), GOPTS, APTES, kháng thể anti-AFP, anti-DKK1, protein đánh dấu huỳnh quang F-LCA, enzyme HRP.

• Phương pháp phân tích:

  • Biến đổi bề mặt Au bằng cysteamine và GAD, khảo sát thời gian và nồng độ tối ưu qua ảnh huỳnh quang và đo góc tiếp xúc.
  • Biến đổi bề mặt SiNx bằng xử lý plasma oxy ICP với các thông số thời gian, lưu lượng khí oxy, công suất plasma được tối ưu hóa, sau đó silan hóa bằng GOPTS hoặc APTES + GAD.
  • Đánh giá hiệu quả biến đổi bề mặt qua chụp ảnh huỳnh quang, đo góc tiếp xúc, phản ứng đổi màu enzyme HRP và đo độ lệch thanh dao động để phát hiện AFP và DKK1.
  • Xây dựng đường chuẩn độ lệch thanh dao động ứng với nồng độ AFP và DKK1.

• Timeline nghiên cứu:

  • Khảo sát và tối ưu quy trình biến đổi bề mặt Au và SiNx trong vòng 6 tháng.
  • Thử nghiệm phát hiện AFP và DKK1 trên chip thanh dao động trong 3 tháng tiếp theo.
  • Phân tích dữ liệu và hoàn thiện luận văn trong 3 tháng cuối năm 2014.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Sử dụng nhiều mẫu wafer và chip thanh dao động với kích thước chuẩn 10x10 mm và 500-700 µm chiều dài thanh dao động, đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Quy trình biến đổi bề mặt Au:

   • Thời gian ngâm GAD tối ưu là 60 phút, nồng độ GAD tối ưu là 2,5%, đạt cường độ huỳnh quang cao nhất (đơn vị huỳnh quang tương đối 8,76).
   • Góc tiếp xúc nước giảm khoảng 13 độ sau khi gắn cysteamine, tăng nhẹ sau khi gắn GAD và giảm tiếp sau khi gắn protein F-LCA, chứng tỏ sự thay đổi tính chất bề mặt phù hợp với quá trình biến đổi.
   • Thanh dao động biến đổi bề mặt Au có thể phát hiện AFP với nồng độ thấp khoảng 200 ng/ml, độ lệch thanh dao động tăng theo nồng độ AFP.

2. Biến đổi bề mặt SiNx:

   • Mẫu SiNx không xử lý plasma oxy có mật độ GOPTS thấp, huỳnh quang rất yếu (độ sáng trung bình 1,08), trong khi mẫu SiO2 cho kết quả huỳnh quang cao (27,83).
   • Xử lý plasma oxy ICP với thông số tối ưu (công suất 300 W, lưu lượng khí oxy 40 sccm, thời gian 60 phút) làm tăng mật độ nhóm silanol trên bề mặt SiNx, tăng cường hiệu quả silan hóa GOPTS lên 15 lần so với không xử lý.
   • Sử dụng APTES + GAD sau xử lý plasma oxy cho hiệu quả biến đổi bề mặt tốt hơn GOPTS, được xác nhận qua ảnh huỳnh quang và phản ứng đổi màu enzyme HRP.
   • Thanh dao động biến đổi bề mặt SiNx có thể phát hiện DKK1 với nồng độ khoảng 200 ng/ml, độ lệch thanh dao động giảm gần 300 nm khi tăng nồng độ DKK1 đến 200 ng/ml.

3. Đánh giá phương pháp:

   • Phương pháp chụp ảnh huỳnh quang, đo góc tiếp xúc và phản ứng enzyme HRP đồng bộ xác nhận hiệu quả biến đổi bề mặt.
   • Đo độ lệch thanh dao động là phương pháp nhạy và đặc trưng để định lượng nồng độ chỉ thị sinh học AFP và DKK1.

Thảo luận kết quả

Hiệu quả biến đổi bề mặt Au và SiNx là yếu tố quyết định độ nhạy và độ chính xác của cảm biến sinh học dựa trên thanh dao động. Việc sử dụng cysteamine và GAD trên bề mặt Au tạo ra các nhóm chức aldehyde giúp gắn kháng thể anti-AFP hiệu quả, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về liên kết Au-thiol. Đối với SiNx, xử lý plasma oxy ICP là bước cải tiến quan trọng, tạo ra lớp oxynitride Si2N2O và nhóm silanol cần thiết cho phản ứng silan hóa, khắc phục hạn chế của phương pháp hóa học truyền thống gây ăn mòn lớp phủ vàng.

So sánh với các nghiên cứu khác, kết quả phát hiện AFP và DKK1 ở nồng độ khoảng 200 ng/ml cho thấy cảm biến thanh dao động có độ nhạy tương đối cao, phù hợp với yêu cầu phát hiện sớm ung thư gan. Việc kết hợp các phương pháp đánh giá đa chiều giúp đảm bảo tính chính xác và tin cậy của quy trình biến đổi bề mặt.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ độ lệch thanh dao động theo nồng độ AFP và DKK1, biểu đồ huỳnh quang theo thời gian và nồng độ GAD, cũng như bảng số liệu đo góc tiếp xúc nước, giúp minh họa rõ ràng sự thay đổi tính chất bề mặt và hiệu quả cảm biến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình biến đổi bề mặt:

   • Tiếp tục nghiên cứu điều chỉnh các thông số plasma oxy (công suất, lưu lượng, thời gian) để tăng mật độ nhóm silanol và cải thiện độ nhạy cảm biến.
   • Mục tiêu: tăng độ nhạy phát hiện AFP và DKK1 xuống dưới 100 ng/ml trong vòng 12 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu công nghệ nano tại Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh.

2. Rút ngắn thời gian quy trình:

   • Nghiên cứu các phương pháp xử lý nhanh hơn như plasma pulsed hoặc sử dụng các chất xúc tác để giảm thời gian biến đổi bề mặt.
   • Mục tiêu: giảm thời gian xử lý plasma và silan hóa xuống dưới 30 phút.
   • Chủ thể thực hiện: phòng thí nghiệm công nghệ nano phối hợp với các viện nghiên cứu vật liệu.

3. Phát triển hệ thống đo lường tự động:

   • Thiết kế hệ thống đo độ lệch thanh dao động tự động, đa kênh để tăng hiệu suất và độ chính xác trong phân tích mẫu.
   • Mục tiêu: xây dựng hệ thống đo lường trong 18 tháng, phục vụ ứng dụng lâm sàng.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm kỹ thuật điện tử và công nghệ nano.

4. Mở rộng ứng dụng cảm biến:

   • Nghiên cứu ứng dụng cảm biến thanh dao động phát hiện các chỉ thị sinh học khác liên quan đến ung thư và các bệnh lý khác.
   • Mục tiêu: phát triển cảm biến đa chỉ thị trong 24 tháng.
   • Chủ thể thực hiện: nhóm nghiên cứu y sinh và công nghệ nano.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và vật liệu:

   • Lợi ích: áp dụng quy trình biến đổi bề mặt plasma oxy và silan hóa cho các ứng dụng cảm biến sinh học và thiết bị nano.
   • Use case: phát triển cảm biến sinh học mới, cải tiến vật liệu bề mặt.

2. Chuyên gia y sinh và chẩn đoán ung thư:

   • Lợi ích: hiểu rõ cơ chế và ứng dụng cảm biến sinh học trong phát hiện sớm ung thư gan qua chỉ thị AFP và DKK1.
   • Use case: thiết kế các xét nghiệm miễn dịch không đánh dấu, chi phí thấp.

3. Kỹ sư phát triển thiết bị y tế:

   • Lợi ích: tham khảo quy trình chế tạo và đánh giá cảm biến sinh học dựa trên thanh dao động để phát triển sản phẩm thương mại.
   • Use case: thiết kế cảm biến cầm tay, thiết bị chẩn đoán nhanh.

4. Sinh viên và học viên cao học ngành vật liệu, công nghệ nano, y sinh:

   • Lợi ích: học tập phương pháp nghiên cứu, kỹ thuật biến đổi bề mặt và ứng dụng cảm biến sinh học.
   • Use case: làm luận văn, đề tài nghiên cứu liên quan.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần biến đổi bề mặt thanh dao động trước khi gắn kháng thể?
   Thanh dao động phủ Au và SiNx có bề mặt trơ, không phản ứng trực tiếp với protein. Biến đổi bề mặt tạo ra các nhóm chức năng (-NH2, -CHO, silanol) giúp gắn kết kháng thể chắc chắn và tăng độ nhạy cảm biến.

2. Phương pháp xử lý plasma oxy có ưu điểm gì so với phương pháp hóa học?
   Plasma oxy không gây ăn mòn lớp phủ vàng, giữ nguyên tính chất vật liệu, tạo lớp oxynitride mỏng và nhóm silanol hiệu quả, an toàn và kiểm soát được quy trình hơn so với hóa chất ăn mòn mạnh.

3. Độ nhạy của cảm biến thanh dao động trong phát hiện AFP và DKK1 là bao nhiêu?
   Cảm biến có thể phát hiện AFP và DKK1 ở nồng độ khoảng 200 ng/ml, phù hợp với mức độ chỉ thị sinh học trong giai đoạn đầu của ung thư gan.

4. Phương pháp đo độ lệch thanh dao động hoạt động như thế nào?
   Khi kháng nguyên gắn lên kháng thể trên bề mặt thanh dao động, ứng suất bề mặt thay đổi làm thanh dao động bị uốn cong. Độ lệch này được đo bằng chùm laser phản xạ và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử để phân tích.

5. Có thể áp dụng quy trình này cho các loại cảm biến sinh học khác không?
   Có, quy trình biến đổi bề mặt và xử lý plasma oxy có thể áp dụng cho nhiều loại cảm biến sinh học dựa trên vật liệu SiNx hoặc Au, giúp tăng hiệu quả gắn kết các phần tử sinh học khác nhau.

Kết luận

• Đã xây dựng thành công quy trình biến đổi bề mặt Au bằng cysteamine và GAD, xác định được thời gian và nồng độ tối ưu cho phản ứng.
• Xác định và tối ưu hóa các thông số xử lý plasma oxy ICP để biến đổi bề mặt SiNx, nâng cao hiệu quả silan hóa và gắn kết protein.
• Phát triển cảm biến thanh dao động có khả năng phát hiện chỉ thị ung thư gan AFP và DKK1 với độ nhạy khoảng 200 ng/ml.
• Đánh giá hiệu quả biến đổi bề mặt qua các phương pháp huỳnh quang, đo góc tiếp xúc, phản ứng enzyme HRP và đo độ lệch thanh dao động đồng bộ và chính xác.
• Hướng nghiên cứu tiếp theo tập trung nâng cao độ nhạy, rút ngắn thời gian quy trình và phát triển hệ thống đo lường tự động phục vụ ứng dụng lâm sàng.

Call-to-action: Khuyến khích các nhà nghiên cứu và kỹ sư trong lĩnh vực công nghệ nano và y sinh tiếp tục phát triển và ứng dụng công nghệ cảm biến thanh dao động để cải thiện chẩn đoán sớm ung thư gan và các bệnh lý khác, góp phần nâng cao chất lượng chăm sóc sức khỏe cộng đồng.