Nghiên cứu phát triển hệ thống phát hiện protein dựa trên hệ thống vi lưu thao tác tập trung protein tích hợp vi cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Quốc Tuấn

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN
DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG PROTEIN
TÍCH HỢP VI CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

1

Hà Nộ i – 2021


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Vũ Quốc Tuấn

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG PHÁT HIỆN PROTEIN
DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG PROTEIN
TÍCH HỢP VI CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện tử
Mã số: 9520203.01
LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS Bùi Thanh Tùng

2. GS.TS Chử Đức Trình
Hà Nội – 2021
1


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan các kết quả trình bày trong luận án là cơng trình nghiên cứu
của tơi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Bùi Thanh Tùng và GS.TS Chử Đức Trình.
Các số liệu kết quả trong luận án hồn tồn trung thực và chưa được cơng bố ở bất
kỳ cơng trình nào trước đây. Các kết quả lấy từ các tài liệu tham khảo đều được
trích dẫn đầy đủ theo đúng quy trình.

Nội, ngày

tháng

năm 2021

Vũ Quốc Tuấn

i


LỜI CẢM ƠN
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Chử Đức Trình và PGS.TS Bùi
Thanh Tùng, đã giúp tôi định hướng và triển khai đề tài nghiên cứu. Với sự giúp đỡ
của các thầy, tôi đã thực hiện được các nội dung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề
được đặt ra trong quá trình nghiên cứu và có được những kết quả quan trọng trong
luận án này.

Tôi xin chân thành cảm ơn các thầy cô, cán bộ Bộ môn Vi cơ điện tử và vi hệ
thống, Khoa Điện tử viễn thông và Trường Đại học Công nghệ, ĐHQGHN đã hỗ trợ
tơi trong q trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Tôi xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Đỗ Quang Lộc, Trường đại học Khoa học
Tự nhiên, ĐHQGHN, đã có những thảo luận giá trị đóng góp cho luận án và hỗ trợ
trong q trình chế tạo, thử nghiệm. Bên cạnh đó tơi xin cảm ơn thạc sĩ Trần Như
Trí, Trường Đại học Cơng nghệ, ĐHQGHN đã hỗ trợ trong đo đạc thử nghiệm và
thu thập dữ liệu từ mạch đo kết nối với máy tính.
Cùng với đó, tơi xin chân thành cảm ơn giáo sư Chun-Pin Jen và thạc sỹ
Meng-Syuan Wu, Đại học quốc gia Chung Cheng, Đài Loan, đã có những hỗ trợ về
nguyên vật liệu, trang thiết bị, cũng như tham ra hỗ trợ nghiên cứu, chế tạo thử
nghiệm. Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tiến sĩ Nguyễn Ngọc Việt đã hỗ trợ tơi
trong q trình đo đạc trong thời gian làm nghiên cứu sinh tại Đại học Quốc gia
Chung Cheng, Đài Loan.
Cuối cùng, tơi xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã ln động viên tơi trong
những lúc khó khăn để hoàn thành luận án này.
Vũ Quốc Tuấn

ii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN................................................................................................ II
MỤC LỤC.................................................................................................... III
DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT.................................................................. VII
DANH MỤC BẢNG.................................................................................. VIII
DANH MỤC HÌNH...................................................................................... IX
MỞ ĐẦU.......................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN

CHIP SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN PROTEIN....................7
Vai trò của việc phát hiện protein trong chẩn đoán bệnh và các kỹ
thuật xét nghiệm protein......................................................................................... 7
Vai trò của việc phát hiện protein trong chẩn đốn bệnh

7

Kỹ thuật xét nghiệm ELISA

8

Kỹ thuật hóa mơ miễn dịch (IHC) 9
Kỹ thuật đếm dịng chảy (flow cytometric)

9

Kỹ thuật Protein microarrays

9

Kỹ thuật sử dụng kênh vi lỏng

10

Tổng quan các nghiên cứu về phát triển chip sinh học và chip phát
hiện protein............................................................................................................ 11
Các nghiên cứu về chip sinh học ở trong nước 12

iii

Các nghiên cứu về chip sinh học ở nước ngoài về phát hiện protein ..

14
Chip vi kênh tập trung protein giúp giảm thời gian xét nghiệm và
tăng khả năng phát hiện protein.......................................................................... 19
Dòng chảy điện di và dòng chảy điện thẩm...................................20
Làm giàu, làm nghèo ion............................................................... 20
Chip vi kênh tập trung protein dựa trên nguyên lý dòng chảy EOF
và làm nghèo ion................................................................................................. 23
Cảm biến sinh học kiểu trở kháng và tụ điện sử dụng các phương
pháp đo điện trong xét nghiệm sinh học và xét nghiệm protein..........................32
Kết luận chương............................................................................... 34
CHƯƠNG 2. NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG
PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI LƯU THAO TÁC TẬP
TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU TỤ PHẲNG.................36
Hệ thống phát hiện protein với các chức năng tập trung, chọn lọc
và phát hiện........................................................................................................... 36
Tập trung protein............................................................................. 41
Nguyên lý hoạt động của bộ tập trung protein............................... 41
Phương pháp tạo kênh nano bằng cách sử dụng điện áp thấp DC
đánh thủng lớp tiếp xúc....................................................................................... 42
Chọn lọc và phát hiện protein sử dụng cảm biến miễn dịch kiểu tụ
phẳng tích hợp trong kênh vi lỏng....................................................................... 44
Cảm biến miễn dịch kiểu tụ điện phẳng......................................... 44
Mơ hình cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng hai điện cực...............46
Tụ bề mặt....................................................................................... 48
Tính tốn cho mơ hình cảm biến tụ phẳng..................................... 48
iv

Phương pháp đo phổ trở kháng (EIS)

49

Nghiên cứu phát triển mạch đo phân tích trở kháng

51

Chế tạo chip vi kênh tập trung và phát hiện protein 58
Chế tạo kênh vi lỏng
Chế tạo điện cực trên kính, gắn nano vàng trên phiến kính

58
60

Gắn kênh vi lỏng lên chip 61
Quy trình gắn kháng thể

64

Kết quả chế tạo chip

66

2.5 Kết luận chương..................................................................................... 67
CHƯƠNG 3. PHÁT HIỆN PROTEIN DỰA TRÊN HỆ THỐNG VI
LƯU THAO TÁC TẬP TRUNG TÍCH HỢP CẢM BIẾN MIỄN DỊCH KIỂU
TỤ PHẲNG............................................................................................................ 69
Tập trung và phát hiện protein trên chip điện cực tròn

69

Cảm biến miễn dịch tụ phẳng điện cực tròn

69

Thiết lập hệ đo

70

Kết quả tập trung protein với chip kênh vi lỏng có tích hợp cảm
biến miễn dịch kiểu tụ phẳng cấu trúc điện cực tròn ở vùng tập trung................71
Phát hiện protein trên chip vi kênh sau khi tập trung protein bằng
phương pháp đo trở kháng sử dụng mạch thiết kế............................................... 74
Phát hiện các lớp sinh hóa gắn trên điện cực vàng sử dụng cấu
trúc cảm biến răng lược........................................................................................ 79
Cảm biến tụ phẳng kiểu răng lược tích hợp trong chip vi kênh tập
trung và phát hiện protein................................................................................... 80
Trở kháng bề mặt ở tần số cao

83

Mơ hình đo tụ của cảm biến sinh học kiểu răng lược ở tần số cao . 83
v


Kết quả khảo sát cảm biến cấu trúc răng lược với các nồng độ muối
PBS khác nhau.................................................................................................... 85
Phát hiện và theo dõi các lớp sinh hóa được hình thành trên điện

cực trong quá trình gắn kháng thể dựa trên phương pháp đo điện dung ở tần số
cao....................................................................................................................... 90
Kết quả tập trung và phát hiện protein trên chip có cấu trúc điện cực
hình răng lược..................................................................................................... 95
Kết luận chương

98

KẾT LUẬN.................................................................................................. 101
DANH MỤC CƠNG TRÌNH CƠNG BỐ.................................................. 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................... 104
PHỤ LỤC.................................................................................................... 113

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

STT

Chữ viết tắt

1

ELISA

2

Nghĩa tiếng anh

Nghĩa tiếng việt

Enzyme linked-immunosorbent
assay

Xét nghiệm ELISA

IHC

Immunohistochemistry

Xét nghiệm hóa mơ miễn
dịch

3

EOF

Electro-osmotic flow

Dịng chảy điện thẩm

4

CPE

Constant phase element

Phần tử pha không đổi

5

EIS

Electrical impedance spectroscopy

Phổ trở kháng

6

IDEAs

Integreted digitated electrode
arrays

Điện cực răng lược (nhiều
thanh điện cực xen kẽ)

7

LoC

Lab on a Chip

Phịng thí nghiệm trên chip

PDMS

Polydimethylsiloxan

Tên vật liệu

9

PBS

Photpha salt solution

Muối phốt phát

10

PoC

Point of Care

Chăm sóc sức khỏe tại chỗ

11

SNR

Signal to Noise Ratio

Tỉ lệ tín hiệu trên tạp

8

vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1: Kích thước của cảm biến điện cực tròn..................................................................70

viii


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1. Các phương pháp xét nghiệm protein dựa trên phương pháp xét nghiệm miễn
dịch. ......................................................................................................................... 8
Hình 1.2. Khái niệm của một chip sinh học được chia theo các thành phần chức năng. .... 12
Hình 1.3. Cảm biến điện hóa dựa trên cơng nghệ in điện cực [73]. ................................... 13
Hình 1.4. Cảm biến sinh học gắn kháng thể trong kênh vi lỏng sử dụng phương pháp đo
trở kháng [20]. ....................................................................................................... 16
Hình 1.5. Mơ hình thiết kế và phát hiện các hạt sinh học dựa trên việc đếm số hạt đi qua
một cảm biến trở kháng [51]. ................................................................................ 17
Hình 1.6. Nguyên lý làm giàu, làm nghèo ion dựa trên cấu trúc kênh nano [59]. ............. 21
Hình 1.7. Thiết kế của chip tập trung protein dùng màng lọc ion: (a) mơ hình thiết kế của
chip vi kênh bao gồm hai kênh micro được liên kết với nhau bằng một màng lọc
ion; (b) sơ đồ nguyên lý chứng minh hoạt động của chip vi kênh khi vùng nghèo
ion sau đó dịng chảy protein được lái đến và bị tích lũy gần vùng nghèo ion
[39]. ....................................................................................................................... 24
Hình 1.8. Thiết kế chip trung protein dựa trên cấu trúc kênh vi lỏng sử dụng bộ lọc nano
tạo ra vùng nghèo ion dùng để bẫy protein [77]. ................................................... 25
Hình 1.9. Cấu tạo của một chip vi kênh chế tạo bằng PDMS để tập trung protein [36]. ... 26
Hình 1.10. Protein nồng độ 10 nM được tập trung lại theo thời gian được theo dõi bằng
phương pháp đo cường độ huỳnh quang với hai điện áp đặt vào hai kênh lần lượt
là 100 V và 200 V [36]. ......................................................................................... 27
Hình 1.11. Protein được tập trung với các nồng độ thấp ban đầu khác nhau được khảo sát
hiệu suất tập trung trong thời gian khoảng 30 phút [36]. ...................................... 28

Hình 1.12. Cấu trúc chip vi lỏng với hai bước dùng để tập trung protein với 3 kênh lỏng
cỡ micro tạo nên cấu trúc đối xứng và cách nhau bởi khe 40 µm [38]. ................ 29
Hình 1.13. Mơ tả cấu trúc chip tập trung protein bằng phương pháp đánh thủng điện áp:
(a)Thiết kế; (b) chế tạo; (c) hình thực tế của chip tập trung protein bằng cách sử
dụng hạt nano vàng chèn vào giữa lớp PDMS và kính nền [12]. .......................... 31
Hình 2.1: Nghiên cứu giải pháp thực hiện chip xét nghiệm protein với ba chức năng tập
trung, chọn lọc và phát hiện. ................................................................................. 37
Hình 2.2: Mơ hình thiết kế của chip tập trung và phát hiện protein: (a) các kênh vi lỏng
tập trung protein vào vùng bắt giữ nơi các kháng thể được cấy lên điện cực vàng,
protein đã bị bắt đặc hiệu được phát hiện bằng phương pháp đo trở kháng; (b)
cấu trúc thiết kế của chip, kháng thể cấy lên điện cực vàng trong kênh vi lỏng có
chiều cao 2 µm. ..................................................................................................... 39
Hình 2.3: Ngun lý hoạt động của bộ tập trung protein dựa trên dòng chảy điện thẩm
và cấu trúc đứt gãy nano làm nghèo ion. ............................................................... 41
Hình 2.4: Cấu trúc đứt gãy nano được tạo ra trong chip hai kênh vi lỏng bằng cách cung
cấp nguồn DC điện áp cao để đánh thủng chỗ tiếp giáp của PDMS và tấm kính

ix


ở khe giữa hai kênh: (a) sử dụng điện áp cao để tạo đứt gãy nano; (b) sử dụng
nano vàng gắn lên tấm kính chỗ khe giữa hai kênh để tạo cấu trúc đứt gãy.........43

Hình 2.5: Cấu trúc của một cảm biến biến miễn dịch kiểu tụ phẳng...................................45
Hình 2.6. Mơ hình của cảm biến miễn dịch tụ phẳng hai điện cực: (a) mơ hình điện của
cảm biến cấu trúc tụ phẳng hai điện cực; (b) mạch điện tương đương của cảm
biến........................................................................................................................ 47
Hình 2.7. Sơ đồ khối của mạch đo phổ trở kháng dải tần từ 10 kHz đến 200 kHz.............52
Hình 2.8. Khảo sát mạch đo phổ khuếch đại Lock-in với tín hiệu có cộng thêm nguồn
nhiễu trắng: tín hiệu 100 mVpk-pk trước và sau khi cộng với 2 Vpk-pk nhiễu trắng. 55

Hình 2.9. Kết quả khảo sát mạch đo: (a) sai số của bộ khuếch đại Lock-in ở dải tần từ 10
kHz đến 90 kHz với các tỉ lệ tín hiệu trên tạp khác nhau; (b) sai số của bộ khuếch
đại ứng với các tỉ lệ tín hiệu trên tạp..................................................................... 56
Hình 2.10. Kết quả sử dụng module đo phổ trở kháng để đo giá trị tụ 104 pF và trở 47
kΩ được mắc nối tiếp của mạch RC ở dải tần từ 10 kHz đến 200 kHz: (a) kết
quả đo tổng trở; (b) góc pha thay đổi; (c) giá trị điện trở R đo được trong mạch
mắc nối tiếp; (d) giá trị tụ điện đo được trong mạch mắc nối tiếp........................57
Hình 2.11. Quy trình chế tạo kênh vi lỏng...........................................................................59
Hình 2.12. Quy trình chế tạo chip bao gồm tạo điện cực, gắn hạt nano vàng và gắn vi
kênh lên chip..........................................................................................................62
Hình 2.13. Thiết kế hệ gắn vi kênh lên chip có vùng nano vàng và điện cực; (a) hình mơ
tả hai phần chip và vi kênh cùng với mô tả thiết bị gắn bao gồm phần dịch chuyển
và phần gắn lên vi kênh; (b) hình ảnh thực tế của hệ thống gắn kênh lên chip.....63
Hình 2.14. Quy trình gắn kháng thể bắt giữ protein lên điện cực vàng...............................65
Hình 2.15. (a) Chip sau khi được chế tạo; (b) Mô-đun đo kết nối với chip sau khi được
chế tạo....................................................................................................................66
Hình 3.1. Thiết kế cảm biến miễn dịch loại trở kháng hình dạng trịn: (a) kích thước và
hình dạng cảm biến trịn trong kênh vi lỏng; (b) kháng thể gắn lên trên điện cực
vàng để bắt giữ protein BSA................................................................................. 70
Hình 3.2. Quá trình tập trung protein của chip điện cực tròn thực hiện trong thời gian 30
phút........................................................................................................................72
Hình 3.3. Cường độ huỳnh quang tại vùng tập trung và phát hiện tăng lên trong q trình
tập 2 µl mẫu chứa 10 µM protein BSA................................................................. 73
Hình 3.4. Chip vi kênh sau khi được gắn kháng thể và đo theo thời gian...........................74
Hình 3.5. Trở kháng thay đổi trước khi và sau khi tiến hành tập trung protein tại vùng có
cảm biến.................................................................................................................75
Hình 3.6. Đồ thị biểu diễn phần thực và phần ảo thay đổi theo tần số đo trên cảm biến
trước và sau khi tập trung. A) Đồ thị trở kháng phần phần thực. B) Đồ thị trở
kháng phần phức....................................................................................................76

x


Hình 3.7. Kết quả thực nghiệm trên chip protein sau khi mạch đo được thiết kế lại: (a)
Tổng trở thay đổi trước và sau tập trung; (b) Tụ nối tiếp thay đổi trước và sau
tập trung.................................................................................................................77
Hình 3.8. Thiết kế của điện cực cấu trúc răng lược tích hợp trong kênh vi lỏng.................81
Hình 3.9. Mơ hình cảm biến sinh học kiểu tụ răng lược: (a) các thành phần điện của mơ
hình đo; (b) sơ đồ tương đương của mơ hình đo................................................... 85
Hình 3.10. Kết quả tổng trở kháng của 4 nồng độ muối PBS khác nhau lần lượt với 1mM,
5 mM, 10 mM và 20 mM khảo sát ở dải tần từ 1 kHz đến 1 MHz.......................86
Hình 3.11. Đồ thị phần thực và phần ảo của cảm biến đo trên nồng độ muối 1 mM, 5
mM, 10 mM và 20 mM: (a) Phần thực; (b) phần ảo............................................. 88
Hình 3.12. Kết quả đo các nồng độ muối khác nhau ở tần số 1 MHz: (a) độ dẫn thay đổi
tương ứng với nồng độ muối PBS; (b) tụ nối tiếp tương đương thay đổi tương
ứng với nồng độ muối PBS................................................................................... 89
Hình 3.13. Các lớp sinh hóa có mặt trên bề mặt điện cực tương đương với các lớp điện
môi xếp chồng lên nhau tạo thành một mạch tụ nối tiếp.......................................91
Hình 3.14. Quá trình theo dõi các lớp sinh hóa PEG, EDC, ANTI, Biotin được cấy lên
bề mặt của cảm biến: (a) Phổ trở kháng thay đổi sau mỗi bước; (b) Tụ nối tiếp
thay đổi sau mỗi bước............................................................................................93
Hình 3.15. Đồ thị phần thực và phần ảo của trở kháng thay đổi tương ứng với ba lớp Au,
PEG và EDC: (a) phần thực; (b) phần ảo..............................................................94
Hình 3.16: Sự thay đổi trở kháng và tụ nối tiếp tương ứng với các lớp sinh hóa được gắn
lên lần lượt với Au(chip ban đầu), lớp PEG, EDC, Antibody (kháng thể), Biotin
và protein: (a) Tổng trở thay đổi ở 1MHz; (b) Tụ nối tiếp thay đổi ở 1MHz........97
Hình 3.17. Trở kháng và cường độ huỳnh quang thay đổi trong quá trình tập trung protein
ở điện cực răng lược.............................................................................................. 98

xi

MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Chip sinh học ứng dụng trong xét nghiệm bệnh phẩm đã phát triển rất mạnh
mẽ trong những năm gần đây với mục đích thay thế cho các thiết bị xét nghiệm đắt
tiền và giảm sự cồng kềnh của thiết bị xét nghiệm. Các chip sinh học dựa trên cấu
trúc nano và micro cũng được phát triển với một số mục đích như giảm thời gian xét
nghiệm, giảm giá thành xét nghiệm, tăng khả năng phát hiện bệnh, đáp ứng nhu cầu
xét nghiệm tại chỗ hoặc theo dõi tình trạng của bệnh nhân tại nhà cũng như chăm
sóc sức khỏe định kỳ và theo dõi đáp ứng trong quá trình điều trị.
Dựa trên phương pháp xét nghiệm miễn dịch kết hợp với các phương pháp vật
lý, các chip sinh học đã được phát triển rất đa dạng với nhiều loại khác nhau. Rất
nhiều kit phát triển trong xét nghiệm bệnh học bằng cách kết hợp phương pháp xét
nghiệm miễn dịch với các phương pháp quang học như nhuộm màu chỉ thị hay
nhuộm huỳnh quang đã được nghiên cứu và thương mại hóa. Đánh giá định tính và
định lượng có thể được thực hiện bằng việc đo cường độ huỳnh quang hoặc vạch
màu. Các kit phát triển cũng có kích thước nhỏ gọn với giá thành rẻ và có thể được
sử dụng một lần. Bên cạnh đó các chip sinh học đã được phát triển dựa trên nền tảng
kênh vi lỏng dùng để tập trung, phân tách và phát hiện các đối tượng sinh học. Các
loại chip này dựa trên nền tảng phịng thí nghiệm trên một chip (Lab on a Chip
(LoC)) được phát triển cho các bài toán xét nghiệm ung thư, xét nghiệm DNA hoặc
xét nghiệm protein đã được nhiều rất nghiên cứu triển khai và nhiều nghiên cứu
trong số đó đã được đăng ký bằng sáng chế cũng như thành sản phẩm thương mại.
Trong các loại xét nghiệm này, xét nghiệm protein đóng một vai trị quan trọng
trong phát hiện và chẩn đốn nhiều loại bệnh khác nhau cũng như được áp dụng vào xét
nghiệm ung thư. Các mẫu xét nghiệm bệnh phẩm có thể là mẫu máu, mẫu nước tiểu
hay mẫu mô tế bào của cơ thể người. Một số loại protein trong cơ thể người xuất hiện
trong nước tiểu, máu hoặc ở mô tế bào và tăng đột biến là chỉ dấu sinh học của một căn
bệnh nào đó. Việc phát hiện một lượng nhỏ của một loại protein nào đó trong

1


mẫu phẩm có một vai trị quan trọng trong việc phát hiện sớm và chẩn đoán bệnh
cũng như theo dõi trong quá trình điều trị bệnh. Xét nghiệm protein hiện đã được
thực hiện phổ biến trong các cơ sở y tế bằng các thiết bị phân tích hiện đại, cồng
kềnh và đắt tiền. Để thay thế các thiết bị cồng kềnh và đắt tiền, các chip sinh học đã
được nghiên cứu và phát triển với nhiều ưu điểm như thiết bị nhỏ gọn nhưng vẫn
đáp ứng được yêu cầu về khả năng phát hiện, với lượng lấy mẫu nhỏ, dễ vận hành
và giảm thời gian xét nghiệm. Do vậy, luận án này đặt ra vấn đề tiến hành nghiên
cứu phát triển chip kênh vi lỏng phát hiện protein nhằm hướng tới xây dựng và phát
triển thành một thiết bị xét nghiệm nhỏ gọn bao gồm các các ưu điểm như: khả năng
phát hiện với lượng lấy mẫu nhỏ, chính xác, nhanh chóng, tự động và nhỏ gọn, và
giảm giá thành của thiết bị.
Mục đích của luận án
Luận án tập trung nghiên cứu phát triển một hệ thống chip vi kênh tích hợp các
chức năng tập trung làm giàu protein, chọn lọc protein đặc hiệu nhằm hướng tới xây
dựng và phát triển một thiết bị xét nghiệm nhỏ gọn cho ứng dụng chăm sóc và theo
dõi sức khỏe tại chỗ.
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu bao gồm:
-

Hệ thống kênh vi lưu tập trung protein bằng cấu trúc đứt gãy nano ở điện
áp thấp để làm giàu làm nghèo ion cùng với nguyên lý dòng chảy điện
thẩm nhằm tập trung protein.

-

Cảm biến miễn dịch kiểu tụ điện phẳng hai điện cực tích hợp trong kênh vi
lỏng nhằm bắt giữ chọn lọc và phát hiện protein.

-

Phương pháp đo và phân tích trở kháng, điện dung và mạch điện tử đặc dụng

đo và phân tích trở kháng cảm biến miễn dịch kiểu tụ điện phẳng hai điện
cực.

2


Phạm vi nghiên cứu
Trong khuôn khổ luận án này, nghiên cứu sinh tập trung nghiên cứu hệ thống vi
lưu phát hiện protein bao gồm các chức năng tập trung, chọn lọc và phát hiện protein
cùng với việc nghiên cứu phát triển mơ-đun đo và phân tích trở kháng áp dụng cho
vi cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng trong việc phát hiện protein. Nghiên cứu sử dụng
hạt nano vàng có đường kính 13nm chèn vào lớp tiếp xúc giữa vật liệu PDMS và kính
trên chip có gắn cảm biến miễn dịch đã được tiến hành nhằm tạo giảm điện áp đánh

thủng xuống 50 V để tạo ra đứt gãy cấu trúc nano áp dụng cho việc làm giàu và làm
nghèo ion trong kênh. Kênh vi lưu được tiến hành nghiên cứu tích hợp vi cảm biến
miễn dịch kiểu tụ phẳng với cấu trúc điện cực tròn và răng lược tại vùng tập trung
nhằm chọn lọc và phát hiện protein. Phương pháp đo phân tích trở kháng, tụ điện
được nghiên cứu áp dụng cho vi cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng hai điện cực với
kích thước dưới 100 µm tích hợp trong vi kênh. Từ đó, mơ-đun đo trở kháng áp
dụng cho vi cảm biến sinh học được nghiên cứu thiết kế và chế tạo đã đáp ứng cho
bài toán đo và phát hiện protein trên vi cảm biến.
Các phương pháp nghiên cứu đã sử dụng

Các phương pháp nghiên cứu bao gồm phương pháp xây dựng mơ hình, tính tốn lý
thuyết kết hợp với các phương pháp thực nghiệm, chế tạo cấu trúc và đo đạc trên
những thiết bị hiện đại. Dựa trên những tính tốn lý thuyết, các chế độ đo đã được
xây dựng nhằm đo đạc trên các cấu trúc chip vi kênh đã được chế tạo. Các kết quả
đo trên các máy đo hiện đại cũng như mạch đo tự phát triển đã chứng minh khả
năng làm việc của chip vi kênh đã được nghiên cứu phát triển.
Ý nghĩa khoa học
Các nội dụng nghiên cứu được tiến hành trong luận án này có những ý nghĩa
khoa học được nêu dưới đây:

3


- Nghiên cứu thiết kế chế tạo hệ thống vi lưu có chức năng tập trung, chọn lọc
và phát hiện protein giúp tăng khả năng phát hiện protein với một lượng thể tích lấy
mẫu nhỏ, và đẩy nhanh q trình xét nghiệm.
- Sử dụng hạt nano vàng có kích thước 13 nano mét cho phép điện áp đánh thủng
và điện áp hoạt động dưới 50 V trên chip vi kênh thao tác tập trung có tích hợp vi
cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng hai điện cực. Việc giảm điện áp đánh thủng và
điện áp hoạt động của bộ tập trung giúp hạn chế việc sôi kênh phá hủy kênh và vi
điện cực tích hợp trong vi kênh.
- Phương pháp đo điện dung ở tần số cao và điện áp thấp đối với vi cảm biến
sinh học miễn dịch kiểu tụ phẳng cấu trúc răng lược để áp dụng cho bài tốn phát
hiện các lớp sinh hóa gắn trên bề mặt cảm biến.
Ý nghĩa thực tiễn của đề tài
Hệ thống vi lưu thao tác tập trung protein có tích hợp cảm biến miễn dịch kiểu tụ
phẳng đã được nghiên cứu và phát triển trong luận án này có nhiều ưu điểm. Hệ thống
vi lưu với ba chức năng bao gồm chức năng tập trung, chọn lọc và phát hiện protein tạo
ra một thiết bị nhỏ gọn ứng dụng trong việc xét nghiệm tại chỗ. Cụ thể, với việc tập
trung protein trong kênh vi lỏng, thời gian xét nghiệm được giảm xuống, khả năng phát

hiện cũng được tăng lên đáng kể ở cùng một một lượng mẫu nhất định. Do vậy, chức
năng tập trung của chip vi kênh có tính ưu việt về lượng lấy mẫu xét nghiệm. Chức
năng chọn lọc và phát hiện tích hợp trong kênh tạo ra khả năng tự động hóa trong xét
nghiệm giúp đơn giản hóa trong q trình vận hành. Việc tích hợp cảm biến trong vi
kênh cũng tạo ra một chip hoàn chỉnh với kích thước nhỏ gọn thay thế cho các thiết bị,
hệ thống quang học cồng kềnh và đắt tiền. Mạch đo và phân tích trở kháng đã được
phát triển để tích hợp với chip vi kênh tạo ra một thiết bị nhỏ gọn để hướng tới phát
triển các thiết bị chăm sóc tại chỗ (Point of Care) với giá thành rẻ thay thế các thiết bị
cồng kềnh và đắt tiền mà vẫn đáp ứng được bài toán xét nghiệm.

4


Nội dung của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận được tổ chức thành 3
chương với các nội dung:
Chương 1: Tổng quan về phát triển chip sinh học ứng dụng trong phát
hiện protein
Trong chương này, các phương pháp xét nghiệm protein hiện đang được
nghiên cứu và triển khai trên thực tế được trình bày các ưu nhược điểm. Bên cạnh
đó, các kỹ thuật tập trung protein bằng phương pháp làm giàu và làm nghèo ion trên
nền chip vi kênh nhằm giảm thời gian xét nghiệm và tăng khả năng phát hiện cũng
được giới thiệu. Dựa trên phân tích những ưu nhược điểm của các kỹ thuật đã được
nghiên cứu phát triển, phần cuối của chương trình bày về đề xuất nội dung nghiên
cứu của luận án.
Chương 2: Nghiên cứu phát triển và chế tạo hệ thống phát hiện protein
dựa trên hệ thống vi lưu thao tác tập trung tích hợp cảm biến miễn dịch kiểu tụ
phẳng
Chương 2 trình bày nội dung nghiên cứu phát triển chip vi lỏng với ba chức
năng tập trung, chọn lọc và phát hiện protein bao gồm thiết kế và thực nghiệm chế
tạo chip dựa trên cơng nghệ vi chế tạo. Bên cạnh đó, nội dung về thiết kế, chế tạo và

khảo sát mạch đo và phân tích trở kháng áp dụng cho chip tập trung và phát hiện
protein cũng được trình bày chi tiết.
Chương 3: Phát hiện protein dựa trên hệ thống vi lưu thao tác tập trung
tích hợp cảm biến miễn dịch kiểu tụ phẳng
Nội dung của chương 3 trình bày các kết quả đạt được của việc phát triển chip tập
trung, chọn lọc và phát hiện protein với cấu trúc chip được tích hợp cảm biến miễn dịch
kiểu tụ phẳng cấu trúc điện cực tròn và cấu trúc điện cực răng lược. Lượng mẫu 2µl của
10 µM protein FITC-BSA đã được tiến hành tập trung trong kênh vi lưu với điện áp
tiến hành dưới 50 V. Phương pháp đo trở kháng đã được áp dụng để phát

5


hiện protein sau khi được tiến hành tập trung. Trình bày nội dung nghiên cứu giải
pháp sử dụng phép đo điện dung của cảm biến ở tần số cao (1 MHz) trên cấu trúc
cảm biến điện cực hình răng lược nhằm phát hiện và theo dõi các lớp sinh hóa có
mặt trên điện cực của cảm biến trong q trình gắn kháng thể cũng như protein bị
bắt giữ sau khi tiến hành tập trung.
Phần kết luận tổng hợp các nội dung nghiên cứu và kết quả đạt được của luận
án cũng như đưa ra phương hướng triển khai các nghiên cứu tiếp theo.

6


Chương 1. TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN CHIP
SINH HỌC ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN PROTEIN
Vai trò của việc phát hiện protein trong chẩn đoán bệnh và các kỹ thuật
xét nghiệm protein
Vai trò của việc phát hiện protein trong chẩn đoán bệnh
Protein được cấu thành từ các loại axit amin đóng một vai trị quan trọng

trong cơ thể người. Các protein đóng vai trị trao đổi chất và có vai trị trong hệ miễn
dịch. Các loại protein là thành phần cấu thành trong các tế bào. Vì vậy, xét nghiệm
protein là một xét nghiệm quan trọng trong việc chẩn đốn và điều trị nhiều loại bệnh
trong đó có bệnh ung thư [2, 3, 25, 28, 64, 76, 80]. Các xét nghiệm phân loại và đánh
giá về các protein trong máu và trong các mô đã được thực hiện [3]. Xét nghiệm các
loại protein trong máu có thể được sử dụng để đánh giá ung thư tuyến tụy [33]. Khoảng
hơn 100 loại protein đặc biệt có trong huyết thanh và huyết tương được phát hiện và
đánh giá áp dụng trong việc xét nghiệm [3]. Các nhóm protein có trong tế bào cũng
đóng một vai trị quan trong trong chẩn đốn ung thư vú [80] [64]. Sự có mặt và tăng
lên đáng kể của một nhóm protein như casein kinase Ie, p53, annexin XI, CDC25C,
eIF-4E và MAP kinase 7 được tìm thấy ở mơ tế bào ác tính của ung thư vú

[28]. PARP protein là một chỉ dấu xuất hiện trong mô tế bào ung thư buồng trứng
[76]. Để xét nghiệm protein, các phương pháp dựa trên xét nghiệm miễn dịch đã được
sử dụng cũng như đang được nghiên cứu phát triển đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng

của việc áp dụng xét nghiệm protein trong chẩn đoán và điều trị bệnh.
Việc xét nghiệm protein về cơ bản dựa trên xét nghiệm miễn dịch với nhiều kỹ
thuật khác nhau như kỹ thuật hóa mơ miễn dịch (immunohistochemistry) viết tắt tiếng
anh là IHC [76, 80], kỹ thuật xét nghiệm phân tích sinh hóa (enzyme linkedimmunosorbent assay) viết tắt tiếng anh là ELISA [64, 76], kỹ thuật đếm dòng chảy tế
bào (flow cytometry) [24]. Các kỹ thuật liệt kê ở trên hiện đang được sử dụng rộng rãi
trong xét nghiệm sinh học cũng như xét nghiệm bệnh ở các trung tâm y tế. Hình

7