Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp vật liệu CeO2 nano ứng dụng trong cảm biến ADN

• Tác giả: Nguyễn Thị Nguyệt
• Người hướng dẫn: PGS. TS Phương Đình Tâm
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Khoa Học Vật Liệu
• Đề tài: Nghiên Cứu Vật Liệu CeO2 Nano Cho Cảm Biến ADN
• Loại tài liệu: luận án
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Hà Nội

• LỜI CẢM ƠN
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: CẢM BIẾN ADN ĐIỆN HÓA
• 1.1. Giới thiệu về chuỗi ADN
• 1.2. Cơ sở lý thuyết về các phương pháp điện hóa sử dụng trong nghiên cứu cảm biến ADN
• 1.2.1. Phương pháp quét thế vòng
• 1.2.2. Phương pháp quét thế xung vi phân (DPV)
• 1.2.3. Phương pháp quét thế sóng vuông (SWV)
• 1.2.4. Phương pháp phổ tổng trở EIS
• 1.3. Các phương pháp cố định chuỗi ssADN
• 1.3.1. Hấp phụ vật lý
• 1.3.2. Cố định bằng liên kết cộng hóa trị
• 1.3.3. Cố định thông qua tương tác Avidin/Streptavidin - Biotin
• 1.3.4. Cố định bằng phương pháp điện hóa
• 1.4. Phương pháp phát hiện sự lai hóa ADN
• 1.4.1. Phương pháp đánh dấu
• 1.4.2. Phương pháp không đánh dấu
• 1.5. Ứng dụng của cảm biến sinh học
• 1.6. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: NGHIÊN CỨU TỔNG HỢP VẬT LIỆU THANH NANO CeO2 & NANO COMPOSIT CeO2@Ppy
• 2.1. Hóa chất, thiết bị
• 2.2. Tổng hợp vật liệu thanh nano CeO2
• 2.3. Tổng hợp vật liệu nano composit CeO2@Ppy
• 2.4. Kết quả và thảo luận
• 2.4.1. Kết quả tổng hợp vật liệu thanh nano CeO2
• 2.4.2. Kết quả tổng hợp vật liệu nano composit CeO2@Ppy
• 2.5. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ADN TRÊN CƠ SỞ CÁC THANH NANO CeO2
• 3.1. Cố định ssADN
• 3.2. Kết quả và thảo luận
• 3.2.1. Kết quả cố định chuỗi ssADN
• 3.2.2. Đặc trưng của cảm biến ADN
• 3.2.3. Tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm
• 3.2.4. Độ lặp lại, độ ổn định, tính chọn lọc và khả năng tái sử dụng
• 3.3. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: CẢM BIẾN SINH HỌC ADN TRÊN CƠ SỞ VẬT LIỆU NANO COMPOSIT CeO2@Ppy
• 4.1. Cố định các chuỗi ssADN dò lên bề mặt điện cực
• 4.2. Phân tích điện hóa
• 4.3. Kết quả và thảo luận
• 4.3.1. Kết quả cố định ssADN
• 4.3.2. Đặc trưng điện hóa của cảm biến sinh học ADN
• 4.3.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của một số thông số đến tín hiệu ra của cảm biến
• 4.3.4. Độ chọn lọc, độ lặp lại và độ ổn định của cảm biến sinh học ADN
• 4.3.5. Xác định vi khuẩn Salmonella bằng phương pháp PCR và so sánh với số liệu phát hiện của cảm biến ADN
• 4.4. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu về vật liệu CeO2 nano

Vật liệu CeO2 nano đã thu hút sự chú ý trong nghiên cứu cảm biến sinh học nhờ vào các đặc tính vượt trội của nó. Vật liệu nano này có cấu trúc tinh thể ổn định, diện tích bề mặt lớn và khả năng dẫn điện tốt, làm cho nó trở thành một ứng cử viên lý tưởng cho các ứng dụng trong cảm biến ADN. Đặc biệt, CeO2 có khả năng tương tác tốt với các phân tử sinh học, giúp tăng cường độ nhạy của cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng vật liệu oxit kim loại như CeO2 có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của cảm biến sinh học, đặc biệt trong việc phát hiện các đoạn ADN của vi khuẩn gây bệnh như Salmonella. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng tính chất quang học và tính năng điện hóa của CeO2 nano có thể được tối ưu hóa thông qua việc điều chỉnh kích thước và hình dạng của nó.

1.1. Đặc tính điện hóa của CeO2 nano

Đặc tính điện hóa của CeO2 nano là một yếu tố quan trọng trong việc phát triển cảm biến ADN. Tính năng điện hóa của vật liệu này cho phép nó hoạt động như một điện cực hiệu quả, giúp chuyển đổi tín hiệu sinh hóa thành tín hiệu điện. Nghiên cứu cho thấy rằng CeO2 có thể tạo ra các điện cực với độ nhạy cao, cho phép phát hiện nồng độ ADN thấp. Việc tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm như pH, nồng độ ion và thời gian lai hóa cũng đã được chứng minh là có ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của cảm biến. Các phương pháp như quét thế tuần hoàn (CV) và phổ tổng trở điện hóa (EIS) đã được sử dụng để đánh giá đặc tính điện hóa của CeO2 nano, cho thấy khả năng phát hiện ADN với độ nhạy và độ chọn lọc cao.

II. Phát triển cảm biến ADN trên cơ sở CeO2 nano

Việc phát triển cảm biến ADN dựa trên CeO2 nano đã mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực y sinh học. Cảm biến này không chỉ có khả năng phát hiện ADN của vi khuẩn Salmonella mà còn có thể được áp dụng cho nhiều loại vi sinh vật khác. Cảm biến sinh học này hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa chuỗi ADN dò và chuỗi ADN đích. Khi có sự lai hóa giữa chúng, tín hiệu điện sẽ được tạo ra, cho phép xác định sự hiện diện của vi khuẩn. Đặc biệt, việc sử dụng vật liệu composit như CeO2@Ppy đã giúp cải thiện đáng kể độ nhạy và độ ổn định của cảm biến. Nghiên cứu cho thấy rằng cấu trúc lõi-vỏ của CeO2@Ppy không chỉ tăng cường khả năng hấp phụ mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển điện tích, từ đó nâng cao hiệu suất cảm biến.

2.1. Tối ưu hóa điều kiện thực nghiệm

Tối ưu hóa các điều kiện thực nghiệm là một bước quan trọng trong việc phát triển cảm biến ADN hiệu suất cao. Các yếu tố như pH, nồng độ ion, và thời gian lai hóa đã được nghiên cứu kỹ lưỡng. Kết quả cho thấy rằng việc điều chỉnh pH đến mức tối ưu có thể làm tăng đáng kể độ nhạy của cảm biến. Ngoài ra, nồng độ của chuỗi ssADN dò cũng ảnh hưởng lớn đến tín hiệu điện thu được. Các thí nghiệm cho thấy rằng cảm biến có thể phát hiện ADN với giới hạn phát hiện thấp, từ đó mở rộng khả năng ứng dụng trong việc phát hiện nhanh chóng các vi sinh vật gây bệnh.

III. Ứng dụng trong y sinh học

Cảm biến ADN dựa trên CeO2 nano có tiềm năng ứng dụng lớn trong lĩnh vực y sinh học. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác các vi sinh vật gây bệnh như Salmonella là rất quan trọng trong việc kiểm soát dịch bệnh. Cảm biến này không chỉ giúp phát hiện ADN mà còn có thể được sử dụng để theo dõi sự lây lan của vi khuẩn trong môi trường. Ứng dụng trong y sinh của cảm biến sinh học này có thể giúp giảm thiểu thời gian và chi phí trong việc chẩn đoán bệnh. Hơn nữa, với khả năng phát hiện ở nồng độ thấp, cảm biến có thể được sử dụng trong các nghiên cứu lâm sàng và nghiên cứu môi trường, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống.

3.1. Tác động đến sức khỏe cộng đồng

Cảm biến ADN có thể đóng góp lớn vào sức khỏe cộng đồng thông qua việc phát hiện sớm các vi sinh vật gây bệnh. Việc phát hiện nhanh chóng các vi khuẩn như Salmonella có thể giúp ngăn chặn sự bùng phát của dịch bệnh, từ đó bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Các nghiên cứu cho thấy rằng việc sử dụng cảm biến sinh học có thể cải thiện đáng kể độ nhạy và độ chính xác trong việc phát hiện vi sinh vật, giúp các cơ quan y tế có thể đưa ra các biện pháp kịp thời và hiệu quả.