Chế tạo microcantilever và ứng dụng trong phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan

Chế tạo microcantilever và ứng dụng trong
phát hiện DNA chỉ thị ung thư gan
Nguyễn Duy Khanh
Đại học Công nghệ
Luận văn ThS Chuyên ngành: Vật liệu và linh kiện nano
Mã số: Chuyên ngành đào tạo thí điểm
Người hướng dẫn: TS. Tống Duy Hiển
Năm bảo vệ: 2014

Keywords. Linh kiện Nanô; Microcantilever; DNA; Ung thư gan.


xi

MỞ ĐẦU
Ngày nay, microcantilever đang nổi lên là cảm biến với nhiều ứng dụng
trong phát hiện các chất hóa học, sinh học. Nó được xem là cảm biến có dạng các
hệ vi cơ điện tử (MEMS – Microelectromechanical systems) với ít nhất một chiều
có kích thước micro. Độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào tần số cộng
hưởng của nó, tần số cộng hưởng cao sẽ cho độ nhạy cao. Tần số cộng hưởng của
micro/nanocantilevers lại phụ thuộc vào kích cỡ, cấu trúc của nó, kích cỡ càng
nhỏ thì tần số càng cao. Như vậy độ nhạy của microcantilever phụ thuộc vào kích
cỡ của nó, kích cỡ càng nhỏ cho độ nhạy càng cao. Tùy thuộc vào mục đích sử
dụng, giới hạn phát hiện khác nhau, microcantilever có thể có các định dạng và
cấu trúc khác nhau. Ở một cấu trúc đơn giản nhất, microcantilever có cấu trúc
thanh hình chữ nhật.
Microcantilever có hai mô hình hoạt động: Mô hình tĩnh và mô hình động.
Ở mô hình tĩnh, microcantilever bị uốn cong do ảnh hưởng của ứng suất bề
mặt hoặc hấp phụ khối lượng hoặc bị ảnh hưởng ở cả hai yếu tố. Dưới đây là hình
ảnh minh họa mô hình uốn tĩnh.

Nếu microcantilever hấp phụ các chất trên toàn thanh, độ lệch của thanh sẽ được
biểu diễn theo công thức:
Z =

𝑤0 𝐿4
8𝐸𝐼

Ở đây, Z là độ lệch của thanh, 𝑤0 là trọng lượng của chấp bị hấp phụ, L là chiều
dài của cantilever, E là modun suất Young, I = w𝑡 3 /12 là momen quán tính.
Mô hình động thể hiện tần số dao động của microcantilever, đối với
microcantilever có dạng thanh hình chữ nhật, tần số cộng hưởng của thanh được
biểu diễn bởi công thức:
𝑓0 =

3.515 1 𝐸𝐼
√
2. 𝜋 𝑙 2 𝜌𝐴


xii

Ở đây, 𝑓0 là tần số dao động của thanh, l là chiều dài, E là modun Young, I là
momen quán tính, A là diện tích cắt ngang của thanh và 𝜌 là khối lượng riêng của
thanh.
Khối lượng của chất hấp phụ lên thanh có mối liên hệ với độ lệch tần số
∆𝑓
được biểu diễn bởi biểu thức: ∆𝑚 = 2𝑚 , dưới đây là một ví dụ về một đồ thị
𝑓0

thể hiện sự dịch chuyển tần số khi cantilever bắt cặp với virut.

Nguyên lý hoạt động cơ bản của microcantilever dựa trên dịch chuyển tần
số có thể được giải thích như sau: Tần số cộng hưởng ban đầu của microcantilever
là f0, khi nó hấp phụ một chất sinh học hay hóa học nào đó sẽ làm cho khối lượng
của nó thay đổi, khối lượng thay đổi sẽ dẫn tới tần số thay đổi. Như vậy, dựa vào
sự thay đổi tần số của microcantilever có thể phát hiện ra được có chất nào bị hấp
phụ trên thanh hay không. Tần số dịch chuyển càng nhiều thì chất hấp phụ /gắn
kết trên thanh càng nhiều và ngược lại.
Microcantilever được ứng dụng rất nhiều trong các ứng dụng phát hiện các
chất sinh học, hóa học. Dưới đây là một số hình ảnh mình họa việc bắt cặp các
chất trên thanh.


xiii

I.P Burg và S.R. Manalis đã báo cáo rằng, những thay đổi về khối lượng trên
cantilever của nhóm chế tạo có thể phát hiện được khối lượng xuống tới 10-19
g/𝜇m2. Microcantilever có lớp áp điện có thể phát hiện được độ nhạy nồng độ
xuống tới 10 pg/ml. Bằng việc sử dụng polysilicon nanocantilever hoạt động trong
chân không, B.Ilic và Y.Yang có thể phát hiện được khối lượng 1,5 fg các đơn
virut. Đặc biệt, sử dụng SiN Cantilever để phát hiện DNA, nhóm của B.Ilic và
Y.Yang phát hiện được khối lượng xuống tới 1,65 ag.
Trong nghiên cứu này, tác giả và nhóm nghiên cứu sẽ trình bày kết quả chế
tạo microcantilever lần đầu tiên tại Việt Nam. Sau chế tạo thành công,
microcantilever sử dụng 2 chất là Cysteamine và Glutaraldehyde (GAD) để cố
định đơn chuỗi DNA và lai hóa DNA bổ sung với nó. Cặp DNA này có tên P53
chỉ thị tín hiệu ung thư gan. Nghiên cứu thành công công đề tài này cũng là cơ sở
để ứng dụng microcantilever cho việc phát hiện các biomarker chỉ thị ung thư gan.

66

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Chung-Kai YANG, From MEMS to NEMS: Scaling Cantilever Sensors,
Technische Universiteit Delft, 2012.
[2] Then, D.; Vidic, A.; Ziegler, C. Sens. Actuators, B2006, B117,1.
[3] Then, D.; Ziegler, C. Encycl. Nanosci. Nanotechnol.2004, 1, 499.
[4] Abadal, G.; Davis, Z. J.; Helbo, B.; Borrise, X.; Ruiz, R.; Boisen Lang, H.
P.; Berger, R.; Battiston, F.; Ramseyer, J. P.; Meyer, E.
[5] Andreoli, C.; Brugger, J.; Vettiger, P.; Despont, M.; Mezzacasa, T.;
Scandella, L.; Guentherodt, H. J.; Gerber, C.; Gimzewski, J. K.Appl. Phys.
A1998, 66, S61.
[6] Rasmussen, P. A.; Grigorov, A. V.; Boisen, A. J. Micromech.
Microeng.2005, 15, 1088.
[7] Lu, P.; Lee, H. P.; Lu, C.; O’Shea, S. J. Phys. ReV. B: Condens.
Matter2005, 72, 085405/1.
[8] M.C. Petty, Langmuir-Blodgett Films, Cambridge University Press,
Cambridge, 1996.
[19] W. Weaver Jr., S. P. Timoshenko and D. H. Young,Vibration Problems in
Engineering, Wiley-Interscience, New York, 5th edn,1990, ch. 5, pp. 427–
428.
[10] Karen M. Goeders, Jonathan S. Colton, Lawrence A. Bottomley,
Microcantilevers, Chem. Rev. 2008, 108, 522-542.
[11] D.F. McGuigan, C.C. Lam, R.Q. Gram, A.W. Hoffman, D.H. Douglass,
and H.W. Gutche. Measurements of the mechanical Q of single-crystal
silicon at low temperatures. J. Low Temp. Phys., 30(5/6):621–29, 1978.
[12] Lange D (2000) Cantilever-based microsystems for gas sensing and atomic
force microscopy.
[13] R. McKendry, J. Zhang, Y. Arntz, T. Strunz, M. Hegner, H. P. Lang, M. K.
Baller, U. Certa, E. Meyer, H.-J. Gu¨ ntherodt and Ch. Gerber,Proc. Natl.

Acad. Sci. U. S. A., 2002, 99(15), 9783–9788.
[14] T. Thundat, E. A. Wachter, S. L. Sharp and R. J. Warmack, Appl. Phys.
Lett., 1995, 66(13), 1695–1697.
[15] S. Basak, A. Raman and S. V. Garimella,J. Appl. Phys., 2006, 99(11),
114906.


67

[16] J. Polesel-Maris, L. Aeschimann, A. Meister, R. Ischer, E. Bernard, T.
Akiyama, M. Giazzon, P. Niedermann, U. Staufer, R. Pugin, N. F. de
Rooij, P. Vettiger and Heinzelmann,J. Phys.: Conf. Ser., 2007, 61, 955–
959.
[17] X. Yu, J. Thaysen, O. Hansen and A. Boisen,J. Appl. Phys., 2002, 92(10),
6296–6301.
[18] J. A. Harley and T. W. Kenny,Appl. Phys. Lett., 1999, 75(2),289–291.
[19] Gfeller, K. Y.; Nugaeva, N.; Hegner, M.Appl. EnViron. Microbiol. 2005,
71, 2626.
[20] Gfeller, K. Y.; Nugaeva, N.; Hegner, M.Biosens. Bioelectron.2005, 21,
528.
[21] Ramos, D.; Tamayo, J.; Mertens, J.; Calleja, M.; Zaballos, A.J. Appl.
Phys.2006, 100.
[22] Campbell, G. A.; Mutharasan, R. Biosens. Bioelectron.2006, 22,78.
[23] Campbell, G. A.; Mutharasan, R. Biosens. Bioelectron.2006, 21,1684
[24] Nugaeva, N.; Gfeller, K. Y.; Backmann, N.; Lang, H. P.; Dueggelin, M.;
Hegner, M.Biosens. Bioelectron.2005, 21, 849.
[25] T. P. Burg, S. R. Manalis. Suspended microchannel resonators for
biomolecular detection. Appl. Phys. Lett., 2003, 83 (13), 2698-2700.
[26] J. H. Lee, K. S. Hwang, J. Park, K. H. Yoon, D. S. Yoon and T. S. Kim,
Biosens. Bioelectron., 2005, 20, 2157–2162

[27] B. Ilic, Y. Yang and H. G. Craighead, Appl. Phys. Lett., 2004, 85 (13),
2604–2606.
[28] B. Ilic, Y. Yang, K. Aubin, R. Reichenbach, S. Krylov and H. G. Craighead,
Nano Lett., 2005, 5 (5), 925–929.
[29] Philip S. Waggoner and Harold G. Craighead, Micro- and nanomechanical
sensors for environmental, chemical, and biological detection, Lab Chip,
2007, 7, 1238–1255.
[30] Kinzler, Kenneth, W.; Vogelstein, Bert (2002). “Introduction”. The genetic
basis of human cancer. New York: McGraw – Hill, Medical Pub.
Division.p.5.
[31] Jemal A, Bray, F, Center, MM, Ferlay, J, Ward, E, Forman, D (February
2011). “Global cancer statistics”. CA: a cancer journal for clinicians 61 (2):
69 – 90.


68

[32] N.F. Martinez, P.M. Kosaka, J. Tamayo. Rev. Sci. Instrum.81, 125109
(2010).
[33] Daniel Ramos, Maria Arroyo-Hernandez, Eduardo Gil-Santos, Hien Duy
Tong, Cees Van Rijn, Montserrat Calleja, and Javier Tamayo. Arrays of Dual
Nanomechanical Resonators for Selective Biological Detection. Anal Chem.,
2009, 81 (6), 2274-2279.
[34] N. F. Martínez, P. M. Kosaka, J. Tamayo, T. D. Hien, C. V. Rijn, and M.
Calleja. High throughput optical readout of dense arrays of nanomechanical
systems for sensing applications. Rev. Sci. Instrum. 2010, 81, 125109.