Nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Thị Luyến

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN
HĨA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP
HỆ VI LƯU

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

HÀ NỘI - 2017


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Trần Thị Luyến

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN
HĨA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO POLYPYRROLE TÍCH HỢP
HỆ VI LƯU

Chuyên ngành: Kỹ thuật Hóa học
Mã số: 62520301

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÓA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS.TS. MAI ANH TUẤN
2. PGS.TS. HUỲNH ĐĂNG CHÍNH

HÀ NỘI - 2017


LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự hướng dẫn của tập
thể giáo viên hướng dẫn. Các số liệu, kết quả nghiên cứu là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.

Tập thể hướng dẫn

PGS. TS. Mai Anh Tuấn

PGS.TS. Huỳnh Đăng Chính

Tác giả luận án

Trần Thị Luyến


LỜI CẢM ƠN

Với tấm lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới các
Thầy, PGS.TS. Mai Anh Tuấn và PGS.TS. Huỳnh Đăng Chính, những người Thầy tâm
huyết, yêu nghề đã giao đề tài và tận tình hướng dẫn tơi, động viên, khích lệ và hết lịng giúp
đỡ để tơi có thể hồn thành cơng trình nghiên cứu này.
Tơi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ về mặt kinh phí từ nguồn kinh phí đào tạo nghiên
cứu sinh của Bộ Giáo dục và Đào tạo (đề án 911 trong nước), đề tài nghiên cứu khoa học
cấp Bộ (mã số: B2015-01-102) và Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ Quốc gia thông

qua đề tài mã số 103.99-2013.58.
Tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới các lãnh đạo và các Thầy Cơ, đồng nghiệp của
tơi trong Bộ mơn Hóa Vơ cơ - Đại cương, Viện Kỹ thuật Hóa học, Viện ITIMS, Viện Đào
tạo sau Đại học và Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo tất cả những điều kiện thuận
lợi nhất để tơi có thể thực hiện luận án.
Tôi xin chân thành cảm ơn các anh, chị, em đã và đang là học viên cao học và nghiên
cứu sinh tại PTN Vật liệu sinh học và Khoa học sự sống, Viện ITIMS, Trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội vì sự hỗ trợ nhiệt tình trong thời gian tơi thực hiện luận án.
Tôi xin trân trọng cảm ơn TS. Đỗ Phúc Quân, Trường Đại học Quốc gia Hà Nội; TS.
Phạm Đức Thành, TS. Chu Thị Xuân, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội; GS. Hiroaki
Suzuki, Trường Đại học Tsukuba (Nhật Bản) vì sự giúp đỡ nhiệt tình và những đóng góp
chun mơn q báu.
Tơi xin trân trọng cảm ơn Công ty CP công nghệ sinh học thú y BTV (Biotech-Vet) đã
cho phép tôi tiếp cận nguồn mẫu tại nhà máy trong q trình thực hiện chương trình nghiên
cứu sinh.
Tơi xin chân thành cảm ơn người thân và bạn bè đã ln động viên, khích lệ tơi. Tơi cũng
xin được dành những lời cảm ơn sâu nặng đến gia đình tôi: bố, mẹ, chồng, con đã yêu thương,
cảm thông và chia sẻ với tơi cơng việc nhà, để tơi có thể tập trung học tập và nghiên cứu
trong suốt những năm tháng gian khổ này.
Nghiên cứu sinh

Trần Thị Luyến


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................. i
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................... iii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ .............................................................................. iv
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
1. TỔNG QUAN ................................................................................................................... 6

1.1. Cảm biến sinh học điện hóa .................................................................................... 6
1.1.1. Phân tích điện hóa ............................................................................................ 6
1.1.2. Cảm biến sinh học điện hóa............................................................................. 7
1.1.2.1 Nhu cầu phát triển cảm biến sinh học .............................................................. 7
1.1.2.2 Khái niệm cảm biến sinh học và cảm biến sinh học điện hóa.......................... 8
1.1.2.3 Tình hình nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa trong và ngồi nước.......... 9
1.1.2.4 Tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa ............................................. 11
1.2. Biến tính bề mặt cảm biến sinh học điện hóa sử dụng vật liệu polime dẫn
polypyrrole .................................................................................................................... 12
1.2.1. Vật liệu polime dẫn polypyrrole ứng dụng trong chế tạo cảm biến DNA
điện hóa ..................................................................................................................... 12
1.2.2. Tổng hợp vật liệu polime dẫn polypyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa ..... 13
1.2.2.1. Cơ chế của q trình polime hóa pyrrole sử dụng kỹ thuật điện hóa ...... 13
1.2.2.2. Một số kỹ thuật điện hóa được sử dụng để tổng hợp polime dẫn ............. 14
1.2.2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình polime hóa điện hóa pyrrole .......... 16
1.2.2.4. Q trình doping polypyrrole .................................................................. 17
1.2.2.5. Vai trị của gelatin trong tổng hợp dây nano polypyrrole ........................ 20
1.3. Cố định phần tử cảm nhận sinh học lên cảm biến sinh học điện hóa ............... 21
1.3.1. DNA và kháng nguyên, kháng thể ................................................................ 21
1.3.1.1. DNA .......................................................................................................... 21
1.3.1.2. Kháng nguyên, kháng thể ......................................................................... 22
1.3.2. Các phương pháp cố định phần tử cảm nhận sinh học .............................. 24
1.3.2.1. Hấp phụ vật lý .......................................................................................... 24
1.3.2.2. Liên kết cộng hóa trị ................................................................................. 26
1.3.2.3. Ái lực sinh học .......................................................................................... 28
1.4. Tích hợp cảm biến sinh học điện hóa và bình phản ứng mini ........................... 32
1.5. Kỹ thuật điện hóa trong nhận biết các thành phần sinh học ............................. 34
1.5.1. Phương pháp phổ tổng trở điện hóa ............................................................. 34
1.5.1.1. Nguyên lý của phổ tổng trở điện hóa ....................................................... 34
1.5.1.2. Biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức.................................................. 35

1.5.1.3. Mạch điện tương đương trong phổ tổng trở ............................................. 37
1.5.2. Phương pháp đo vi sai .................................................................................... 39
1.5.3. Phương pháp quét thế vòng (Cyclic Voltammetry - CV) ........................... 41


1.5.3.1. Nguyên lý của phương pháp CV ............................................................... 41
1.5.3.2. Quét thế vòng trên điện cực phẳng ........................................................... 42
2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HÓA TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO
POLYPYRROLE ................................................................................................................ 45
2.1. Mở đầu .................................................................................................................... 45
2.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 45
2.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 45
2.2.2. Điện cực tích hợp ............................................................................................ 46
2.2.3. Tổng hợp dây nano PPy sử dụng kỹ thuật điện hóa ................................... 46
2.2.4. Cố định DNA dị trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 47
2.2.5. Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò ...................... 47
2.3. Kết quả và thảo luận .............................................................................................. 48
2.3.1. Tổng hợp dây nano PPy trên điện cực Pt..................................................... 48
2.3.1.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực Pt tích hợp ...................................... 48
2.3.1.2. Giá trị điện thế trong phản ứng polyme hóa pyrrole ............................... 48
2.3.1.3. Ảnh hưởng của gelatin – khuôn nano trong chế tạo dây polyme ............. 50
2.3.1.4. Ảnh hưởng của nồng độ monome pyrrole ................................................ 51
2.3.1.5. Thời gian polime hóa ................................................................................ 53
2.3.1.6. Phổ FT-IR ................................................................................................. 54
2.3.1.7. Phổ Raman ............................................................................................... 55
2.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định DNA dị .............................................................. 56
2.3.3. Đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dị- DNA đích ............................................ 57
2.4. Kết luận ................................................................................................................... 60
3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HĨA TÍCH HỢP HỆ VI LƯU ... 61
3.1. Mở đầu .................................................................................................................... 61

3.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 62
3.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 62
3.2.2. Hệ ba điện cực tích hợp kết nối với bình phản ứng mini ........................... 62
3.2.3. Tổng hợp dây nano PPy trong vi bin
̀ h phản ứng ........................................ 65
3.2.4. Cố định DNA dò trên điện cực Pt-PPy NWs ............................................... 66
3.2.5. Phát hiêṇ tín hiêụ lai hóa DNA sử du ̣ng Lock-in Amplifier ....................... 66
3.3. Kết quả và thảo luâ ̣n .............................................................................................. 66
3.3.1. Kế t quả chế ta ̣o hê ̣vi kênh tích hơ ̣p với điêṇ cực ........................................ 66
3.3.1.1. Kế t quả đo bề dày vi kênh PDMS ............................................................. 67
3.3.1.2. Kế t quả gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực ............................................. 68
3.3.2. Đặc tuyến điện hóa của hệ ba điện cực tích hợp trong vi bin
̀ h phản ứng . 70
3.3.3. Tổ ng hơ ̣p PPy NWs trong vi bin
̀ h phản ứng ............................................... 71
3.3.4. Phát hiện hiện tượng lai hóa DNA ................................................................ 74
3.4. Kết luận ................................................................................................................... 77


4. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN MIỄN DỊCH ĐIỆN HĨA TÍCH HỢP BÌNH
PHẢN ỨNG MINI ỨNG DỤNG TRONG PHÁT HIỆN VIRUS NEWCASTLE ............. 78
4.1. Mở đầu .................................................................................................................... 78
4.2. Thực nghiệm ........................................................................................................... 80
4.2.1. Hóa chất .......................................................................................................... 80
4.2.2. Thiết kế và chế tạo hệ điện cực tích hợp bình phản ứng mini ................... 81
4.2.3. Cố định kháng thể trên bề mặt cảm biến ..................................................... 82
4.2.4. Phát hiện virus (bất hoạt) sử dụng cảm biến miễn dịch điện hóa .............. 83
4.2.5. Thống kê và xử lý số liệu ............................................................................... 83
4.3. Kết quả và thảo luâ ̣n .............................................................................................. 84
4.3.1. Đặc tuyến điện hóa của hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay thế

đã chế tạo................................................................................................................... 84
4.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định kháng thể ........................................................... 87
4.3.3. Đặc trưng tín hiệu tương tác virus - kháng thể ........................................... 91
4.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến miễn dịch ................. 92
4.3.4.1 Ảnh hưởng của nồng độ kháng thể ............................................................ 92
4.3.4.2 Ảnh hưởng của thời gian bắt cặp kháng thể - virus .................................. 95
4.3.5. Độ nhạy của cảm biến miễn dịch .................................................................. 97
4.4 Kết luận .................................................................................................................. 100
KẾT LUẬN CHUNG ........................................................................................................ 101
DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ..................................... 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 104


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Viết tắt

Từ tiếng Anh đầy đủ

Nghĩa tiếng Việt

1

Ab

Antibody

Kháng thể

2

DNA

Deoxyribonucleic acid

Axit deoxyribonucleic

3

Ag

Antigen

Kháng nguyên

4

AO

Atomic Orbital

Obitan nguyên tử

5

APTES

3-aminopropyl–triethoxysilane

3-aminopropyl–triethoxy-silan

6

BSA

Bovine serum albumin

Albumin huyết thanh bò

7

CE

Counter Electrode

Điện cực đối

8

CV

Cyclic Voltammetry

Phương pháp Von-Ampe vòng

9

DPV

Diffirential Pulse
Voltammetry

Vi sai xung Voltammetry

10

EID50

50 % Empryo infective dose

Liều nhiễm trùng trên phôi (gà)

11

EIS

Electrochemical impedance
spectroscopy

Phổ tổng trở điện hóa

12

FE-SEM

Field Emision Scanning
Electron Microscope

Hiển vi điện tử quét phát xạ trường

13

ELISA

Enzyme linked immuno
sorbent assay

Kỹ thuật miễn dịch hấp phụ gắn
men

14

FTIR

Fourier transform infrared
spectroscopy

Phổ hồng ngoại biến đổi Fourier

15

GA

Glutaraldehyde

Glutaraldehyde

16

GS

Galvanostatic

Phương pháp dòng không đổi

17

HIV

Human immunodeficiency
virus

Virus gây suy giảm miễn dịch cho
người

18

HPV

Human papillomavirus

Virus gây ung thư cổ tử cung

19

IUPAC

International Union of Pure
and Applied Chemistry

Hiệp hội Hóa Tinh khiết và Ứng

dụng Quốc tế

20

ISFET

Ion sensitive field effect
transistor

Transistor hiệu ứng trường nhạy ion

21

ITO

Indium tin oxide

Oxit thiếc - Indi

22

MO

Molecular Orbital

Obitan phân tử

23

MPTMS

(3-Mercaptopropyl)
trimethoxysilane

(3-Mercaptopropyl)
trimethoxysilane

24

NHS

N-Hydroxysuccinimide

N-Hydroxysuccinimide

25

PANi

Polyaniline

Polyaniline

26

PBS

Phosphate buffered saline

Dung dịch đệm phosphate

TT

i


27

PCR

Polymerase chain reaction

Phản ứng chuỗi polymerase

28

PDMS

Polydimethylsiloxane

Polydimethylsiloxane

29

PPy

Polypyrrole

Polypyrrole

30

PrA

Protein A

Protein A

31

PRE

Psuedo reference electrode

Điện cực so sánh thay thế

32

RE

Reference electrode

Điện cực so sánh

33

SARS

Severe acute respiratory
syndrome

Hội chứng hơ hấp cấp tính nặng

34

SEM

Scanning electron microscopy

Hiển vi điện tử quét

35

SERS

Surface Enhanced Raman

Phổ Raman Tăng cường bề mặt

Spectroscopy
36

SWV

Square Wave Voltammetry

Von-ampe sóng vng

37

UV

Ultraviolet

Tử ngoại

38

WE

Working Electrode

Điện cực làm việc

39

WHO

World Health Organization

Tổ chức y tế thế giới

ii


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa trên thế giới ............. 9
Bảng 1.2: Một số kết quả nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa tại Việt Nam ........... 10
Bảng 1.3: Sự phụ thuộc của ∆Ep vào ψ tại nhiệt độ 25 ᵒC khi Eλ = Ep – 112,5/n mV và α =
0,5 ....................................................................................................................... 43

Bảng 2.1: Trình tự chuỗi đơn DNA ..................................................................................... 45
Bảng 2.2: Các thông số tổng trở mô phỏng theo mạch tương đương Randles .................... 59
Bảng 2.3: So sánh cảm biến DNA đã chế tạo với một số cảm biến DNA trong những công
bố khác ................................................................................................................ 59
Bảng 3.1: So sánh cảm biến DNA tích hợp vi kênh PDMS chế tạo được với một số cảm biến
DNA trong những công bố khác ......................................................................... 76
Bảng 4.1: Số lượng gia súc, gia cầm 01.10.2014 ................................................................ 78
Bảng 4.2: Qui trình chế tạo điện cực vàng WE và CE tích hợp .......................................... 81
Bảng 4.3: Các thơng số điện hóa thu được từ kết quả đo CV sử dụng hệ ba điện cực với điện
cực so sánh tự chế tạo và điện cực so sánh thương mại...................................... 85
Bảng 4.4: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak thu được từ kết quả đo CV đối với điện cực vàng (WE)
sau mỗi bước cố định kháng thể ......................................................................... 89
Bảng 4.5: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak và ∆Ipeak thu được từ kết quả đo CV đối với các điện cực
cảm biến miễn dịch và cảm biến miễn dịch/virus Newcastle khi thay đổi nồng độ
kháng thể được cố định trên bề mặt cảm biến .................................................... 93
Bảng 4.6: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak và ∆Ipeak thu được từ kết quả đo CV đối với các điện cực
cảm biến miễn dịch và cảm biến miễn dịch/virus Newcastle khi thay đổi thời gian
bắt cặp kháng thể - virus ..................................................................................... 96
Bảng 4.7: Các giá trị Ip,a, Ip,c, Ipeak và ∆Ipeak thu được từ kết quả đo CV đối với các điện cực
cảm biến miễn dịch và cảm biến miễn dịch/virus Newcastle khi thay đổi hàm
lượng virus Newcastle......................................................................................... 98
Bảng 4.8: So sánh kết quả dị tìm virus gây bệnh của một số loại cảm biến miễn dịch ...... 99

iii


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: a) Thống kê công bố khoa học sử dụng kỹ thuật “phân tích điện hóa”; (b) Thống
kê cơng bố theo thời gian. Nguồn www.sciendirect.com ..................................... 6
Hình 1.2: Thống kê cơng trình cơng bố về “phân tích điện hóa ứng dụng trong y sinh” từ

năm 2010 trở lại đây. Nguồn www.sciencedirect.com ......................................... 7
Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học ......................................................... 8
Hình 1.4: Đường chronoamperometric của quá trình tổng hợp dây nano PPy trên điện cực
Ni (−) và điện cực ITO (---) ................................................................................ 15
Hình 1.5: Polaron, bipolaron và sự hình thành các dải năng lượng tương ứng ................... 19
Hình 1.6: Cấu trúc của chuỗi geletin ................................................................................... 20
Hình 1.7: Cấu trúc và sự lai hóa của phân tử DNA ............................................................. 22
Hình 1.8: (a) Cấu trúc kháng thể IgG;(b) tương tác kháng nguyên - kháng thể .................. 23
Hình 1.9: Tương tác tĩnh điện giữa điện tích dương của PPy và điện tích âm của DNA… 25
Hình 1.10: Gắn kết kháng thể trên nền Si/SiO2 .................................................................. 26
Hình 1.11: Cố định DNA trên nền CS/Fe3O4/SPE .............................................................. 27
Hình 1.12: Quy trình chế tạo điện cực dC-PPy-PVS/Pt ..................................................... 28
Hình 1.13: a) Cơng thức hóa học của biotin; b) Sơ đồ cấu trúc liên kết giữa biotin – avidin
.......................................................................................................................... 29
Hình 1.14: Quy trình chế tạo điện cực BdC-avidin-PPy-PVS/Pt ....................................... 29
Hình 1.15: Quy trình cố định kháng thể lên điện cực vàng và phát hiện kháng nguyên virus
cúm A H5N1 .................................................................................................... 30
Hình 1.16: Quy trình cố định kháng thể cho cảm biến miễn dịch điện hóa nhằm phát hiện
kháng nguyên Carcinoembryonic (CEA) ........................................................ 31
Hình 1.17: (A): điện cực vàng tích hợp; (B): vi kênh ........................................................ 32
Hình 1.18: (A): cảm biến điện hóa ba điện cực trên PDMS sau khi AgCl (màu đen) hình
thành; (B): hệ lab-on-a-chip tích hợp với cảm biến điện hóa ba điện cực ....... 33
Hình 1.19: Sơ đồ khối mô phỏng nguyên lý đo tổng trở ..................................................... 34
Hình 1.20: Biểu diễn vector Fresnel trong mặt phẳng phức ................................................ 35
Hình 1.21: Tập hợp các điểm M vẽ nên một đường phổ tổng trở (dạng Nyquist) đặc trưng
cho hệ khảo sát.................................................................................................. 35
Hình 1.22: Đồ thị tổng trở ở vùng tần số thấp ..................................................................... 36
Hình 1.23: Đồ thị tổng trở ở vùng tần số cao ...................................................................... 37
Hình 1.24: Sơ đồ biểu diễn tổng trở trên mặt phẳng phức .................................................. 37
Hình 1.25: Mạch điện tương đương Randles ...................................................................... 38

Hình 1.26: Hê ̣ đo vi sai sử du ̣ng Lock-in Amplifier SR830 DSP ....................................... 39
Hình 1.27: Da ̣ng sóng từ bơ ̣ kh́ ch đa ̣i Lock-in ................................................................ 39
Hình 1.28: Sơ đồ mạch tương đương của hệ đo vi sai ........................................................ 40
Hình 1.29: (a). Qt thế tuyến tính; (b). Quan hệ dịng thế trong phương pháp qt thế tuyến
tính .................................................................................................................... 41

iv


Hình 1.30: Thời điểm và điện thế bắt đầu quét thế ngược lại (λ và Eλ) .............................. 42
Hình 1.31: Quan hệ giữa điện thế và dòng điện trong quét thế vịng tuần hồn ................. 42
Hình 2.1: (A): quy trình chế tạo rút gọn; (B): điện cực dùng làm cảm biến ....................... 46
Hình 2.2: Sơ đồ hệ điện hóa ba điện cực ............................................................................. 47
Hình 2.3: Quy trình cố định trực tiếp DNA dò lên cảm biến sinh học trên cơ sở dây nano
polypyrrole và phát hiện hiện tượng lai hóa DNA .............................................. 47
Hình 2.4: Đường CV khảo sát đặc tuyến điện hóa của hệ điện cực Pt tích hợp trong dung
dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 50 mV/s .............. 48
Hình 2.5: Đường CV tổng hợp PPy trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt gelatin và Py 0,1 M
............................................................................................................................. 49
Hình 2.6: Đường chronoamperometric tổng hợp PPy trong Py 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS
và: (a) 0 %wt gelatin; (b): 0,08 %wt gelatin ....................................................... 50
Hình 2.7: Ảnh FE-SEM của PPy được tổng hợp trong pyrrole 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS
và:(a) 0 %wt gelatin; (b): 0,08 %wt gelatin. Thời gian tổng hợp PPy là 300s.... 51
Hình 2.8: Đường chronoamperometric tổng hợp PPy trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt
gelatin và Py: (a): 0,05 M; (b): 0,1 M và (c): 0.15 M ......................................... 51
Hình 2.9: Ảnh FE-SEM của PPy được tổng hợp trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt gelatin
và Py: (a): 0,05 M; (b): 0,1 M và (c): 0.15 M. Thời gian tổng hợp PPy là 300s.. 52
Hình 2.10: Ảnh FE-SEM của PPy được tổng hợp trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt gelatin
và Py 0,1 M: (a): 150 s; (b): 200 s; (c): 300 s; (d): 400 s .................................... 53
Hình 2.11: Phổ FT-IR của dây nano PPy được tổng hợp trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt

gelatin và Py 0,1 M ............................................................................................. 54
Hình 2.12: Phổ Raman tăng cường bề mặt của dây nano PPy hình thành trên điện cực Pt. 55
Hình 2.13: Phổ tổng trở của điện cực: (a) Pt- PPy NWs; (b): Pt-PPy NWs-DNA dị..........56
Hình 2.14: Phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò tại các nồng độ DNA đích khác
nhau ..................................................................................................................... 57
Hình 2.15: Mơ hình mạch tương đương Randles được sử dụng trong luận án ................... 58
Hình 3.1: (a): mặt nạ cho chế tạo hệ ba điện cực tích hợp (Mask 1); (b): mặt nạ cho chế tạo
khn SU-8 (Mask 2); ........................................................................................ 63
Hình 3.2: Polydimethylsiloxane .......................................................................................... 63
Hình 3.3: Quy triǹ h chế ta ̣o khn SU-8 ............................................................................. 64
Hình 3.4: Quy trình gắ n kế t sử du ̣ng chấ t làm đơng............................................................ 65
Hình 3.5: Quy triǹ h gắ n kế t sử du ̣ng băng diń h .................................................................. 65
Hình 3.6: Hê ̣ đo vi sai sử du ̣ng Lock-in Amplifier SR830 DSP ......................................... 66
Hình 3.7: Cảm biến ba điện tích hợp sử dụng PRE Pt trong bình phản ứng mini. Kích thước
của chip là 12 x 15 mm. ...................................................................................... 67
Hình 3.8: Kế t quả đo bề dày vi kênh PDMS phu ̣ thuô ̣c vào tớ c đơ ̣ quay phủ SU-8 3050 .. 67
Hình 3.9: Kiể m tra kế t quả gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực sử du ̣ng dung dich
̣ xanh
metilen................................................................................................................. 68

v


Hình 3.10: Kiể m tra chấ t lươ ̣ng gắ n kế t vi kênh PDMS và điê ̣n cực bằ ng lực cơ ho ̣c: (a)phương pháp plasma oxi và phương pháp sử du ̣ng chấ t đóng rắn; (b)-phương pháp
sử du ̣ng băng dính ............................................................................................... 69
Hình 3.11: Sự hình thành nhóm –OH trên bề mặt vi kênh PDMS sau khi được xử lý trong
buồng plasma oxy ............................................................................................... 69
Hình 3.12: Đường CV đo trong dung dịch: (a): K3Fe(CN)6 0,03 M; (b): K4Fe(CN)6 0,03 M;
(c): K3Fe(CN)6 /K4Fe(CN)6 0,03 M, trong KCl 0,1 M, tốc độ quét 25 mV/s của hê ̣
ba điê ̣n cực Pt tić h hơ ̣p trong vi bình phản ứng .................................................. 70

Hình 3.13: Ảnh FE-SEM của dây nano PPy đươ ̣c tổng hợp trong vi bình phản ứng sử dụng
kỹ thuâ ̣t điê ̣n hoá: (a) phân cực thế tiñ h (0,5 V, 1200 s);(b) quét thế vòng tuầ n
hoàn (0-0,6V, 6 vòng, tố c đô ̣ quét 25 mV/s) ...................................................... 71
Hình 3.14: Ảnh FE-SEM của các sản phẩm được tổng hợp điện hóa sử dụng kỹ thuật phân
cực thế tĩnh (0,5 V, 150 s), dung dịch điện li gồm LiClO4 0,1 M, PBS, gelatin 0,08
% wt và: (a) khơng có Py; (b) Py 0.1 M trong vi bình phản ứng ........................ 72
Hình 3.15: Liên kết hidro giữa monome Py và gelatin ....................................................... 73
Hình 3.16: Đường CV của hệ ba điện tích hợp được đo trong vi bình phản ứng chứa dung
dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M và KCl 0,1 M, tố c đô ̣ quét 25 mV/s: (a) trước
và (b) sau khi tổng hợp điện hóa PPy NWs trên điện cực làm việc .................... 73
Hình 3.17: Phổ FT-IR của dây nano PPy được tổng hợp trong vi bình phản ứng, dung dịch
điện li gồm LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 % wt gelatin và Py 0,1 M ........................ 74
Hình 3.18: Tín hiệu lai hóa DNA, CDNA dị = 10 μM, T = 298K: (a) Chuỗi DNA đích 2 nM;
(b) Chuỗi DNA đích khơng kết cặp 2 nM ........................................................... 75
Hình 3.19: Tín hiệu lai hóa DNA tương ứng với các giá trị nồng độ DNA đích khác nhau76
Hình 4.1: Mơ phỏng sơ lược hệ điện hóa mini đi kèm bình phản ứng mini và đầu đo tích hợp
............................................................................................................................................. 80
Hình 4.2: Hai điện cực vàng tích hợp (WE và CE) ............................................................. 81
Hình 4.3: Bình phản ứng mini kết nối với hệ điện cực ....................................................... 82
Hình 4.4: Đặc tuyến Cyclic Voltammetry của hệ ba điện cực: WE Au, CE Au (tích hợp trên
một chip) và điện cực so sánh thay thế (Ag/AgCl) tự chế tạo bằng cách nhúng dây
Ag vào dung dịch FeCl3 0,1 M trong các khoảng thời gian: (a): 1 phút; (b): 3 phút;
và (c): 5 phút. ...................................................................................................... 84
Hình 4.5: Đặc tuyến Cyclic Voltammetry của hệ ba điện cực: WE Au, CE Au (tích hợp trên
một chip) và (a): điện cực so sánh thay thế (Ag/AgCl) tự chế tạo;(b): điện cực so
sánh thương mại (Ag/AgCl trong dung dịch KCl bão hịa) ................................ 85
Hình 4.6: Đặc tuyến Cyclic Voltammetry của hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay
thế Ag/AgCl và một chíp tích hợp (WE và CE) trong dung dịch
K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 25 mV/s, thực hiện lặp lại
10 vòng quét. ....................................................................................................... 86

vi


Hình 4.7: Đặc tuyến Cyclic Voltammetry của hệ một điện cực so sánh Ag/AgCl và sáu chíp
tích hợp (WE và CE) trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M,
tốc độ quét 25 mV/s. ........................................................................................... 87
Hình 4.8: Qui trình cố định kháng thể IgY từ trứng gà lên trên bề mặt cảm biến miễn
dịch ...................................................................................................................... 88
Hình 4.9: Sự hấp phụ của protein trên vàng ........................................................................ 88
Hình 4.10: Đường CV của điện cực: (a): Au; (b): Au/PrA; (c): Au/PrA/GA/Ab và (d):
Au/PrA/GA/Ab/BSA (cảm biến miễn dịch) trong dung dịch
K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 25 mV/s ...................... 89
Hình 4.11: Đường CV của các điện cực Au/PrA/GA/Ab/BSA (cảm biến miễn dịch) khác
nhau (cùng sử dụng một qui trình cố định kháng thể) trong dung dịch
K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 25 mV/s ...................... 90
Hình 4.12: Đường CV của điện cực: (a): cảm biến miễn dịch và (b): cảm biến miễn dịch/virus
Newcastle trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét
25 mV/s ............................................................................................................... 91
Hình 4.13: Đường CV của điện cực: (a): cảm biến miễn dịch; (b): cảm biến miễn dịch/virus
VNNB trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét 25
mV/s .................................................................................................................... 92
Hình 4.14: Đường CV của điện cực: (a): cảm biến miễn dịch và (b): cảm biến miễn dịch/virus
Newcastle trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M, tốc độ quét
25 mV/s khi thay đổi nồng độ kháng thể được cố định trên bề mặt cảm biến: (A):
20 µg/ml, (B): 30 µg/ml, (C): 40 µg/ml, (D): 50 µg/ml và (E): 60 µg/ml .......... 93
Hình 4.15: Ảnh hưởng của nồng độ kháng thể (được cố định trên bề mặt cảm biến) đến giá
trị ∆Ipeak của cảm biến miễn dịch ........................................................................ 94
Hình 4.16: Đường CV của điện cực: (a): cảm biến miễn dịch và (b-f): cảm biến miễn
dịch/virus Newcastle trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M,

tốc độ quét 25 mV/s khi thay đổi thời gian bắt cặp kháng thể - virus: (b): 15 phút,
(c): 30 phút, (d): 45 phút, (e): 90 phút và (f): 60 phút ........................................ 95
Hình 4.17: Ảnh hưởng của thời gian bắt cặp kháng thể - virus (trên bề mặt cảm biến) đến giá
trị ∆Ipeak của cảm biến miễn dịch ........................................................................ 96
Hình 4.18: Đường CV của điện cực: (a): cảm biến miễn dịch và (b-f): cảm biến miễn
dịch/virus Newcastle trong dung dịch K3Fe(CN)6/K4Fe(CN)6 0,03 M, KCl 0,1 M,
tốc độ quét 25 mV/s khi thay đổi hàm lượng virus Newcastle: (b):102 EID50/ml,
(c):103 EID50/ml, (d):104 EID50/ml, (e):105 EID50/ml và (f):106 EID50/ml ... 97
Hình 4.19: Sự thay đổi tín hiệu đầu ra của cảm biến miễn dịch (∆Ipeak) phụ thuộc vào hàm
lượng virus Newcastle (log EID50/ml) ............................................................... 98

vii


MỞ ĐẦU
Hiện nay, các phương pháp phân tích sinh học phân tử truyề n thố ng (PCR, ELISA…)
đang được sử dụng phổ biến, cho kết quả tốt và độ chính xác cao. Dẫu vậy, mọi kỹ thuật
phân tích tiên tiến đều có những điểm cịn chưa hồn thiện [8,47] cần có hoạt động R&D để
nâng cấp hoặc thậm chí thay thế. Các phương pháp trên đều phức tạp, yêu cầu kỹ thuật viên
có tay nghề cao, u cầu phịng thí nghiệm hiện đại tại những trung tâm nghiên cứu, phân
tích trung ương hoặc các thành phố lớn, trong quá trình thực hiện cần phải sử dụng các sinh
phẩm và hóa chất đặc hiệu. Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến hàng ngày để thực
hiện và đặc biệt, các thiết bị phân tích, chẩn đốn khơng thể dịch chuyển ra khỏi nơi lắp đặt
ban đầu [123]. Đây cũng là một trong những điểm tồn tại cần được giải quyết khi thực hiện
các chiến dịch phân tích lưu động. Việc nghiên cứu và phát triển những kỹ thuật phân tích
có khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật phân tích truyền thống là
thực sự cần thiết. Trong số đó cảm biến sinh học là một trong những thiết bị được kỳ vọng
thay thế một phần các kỹ thuật phân tích truyền thống nhờ khả năng ứng dụng rộng rãi trong
phát hiện virus gây bệnh, chẩn đốn lâm sàng, giám sát mơi trường, phân tích độc học trong
thực phẩm…[60,92].

Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure and Applied
Chemistry) năm 1999 định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị tích hợp có khả
năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm một
phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi
(transducer). Phần tử nhận biết sinh học có thể là DNA, tế bào, enzyme..., giữ vai trị dị tìm
đối tượng đích trong mẫu phân tích. Mẫu phân tích có thể là mẫu máu, mẫu nước tiểu hay vi
khuẩn, virus... Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học là dựa trên các phản ứng đặc
hiệu: kháng nguyên- kháng thể (cảm biến miễn dịch), lai hóa DNA (cảm biến DNA) hoặc
enzym- cơ chất (cảm biến enzym)… Khi diễn ra tương tác sinh học đặc hiệu giữa phần tử
nhận biết sinh học và đối tượng đích, phần tử chuyển đổi giữ vai trị chuyển đổi tương tác
sinh học thành tín hiệu điện hóa, quang, nhiệt… sau đó đưa qua bộ phận xử lý tín hiệu và
hiển thị kết quả đo. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi quang,
chuyển đổi nhiệt … Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo nguyên lý điện
hóa có khả năng ứng dụng lớn trong phân tích các đối tượng y sinh vì những ưu điểm nổi
bật như thời gian phân tích nhanh, độ nhạy và độ chọn lọc cao, thiết bị nhỏ gọn, sử dụng đơn
giản, chi phí thấp.
Cảm biến sinh học điện hóa hoạt động dựa trên kết quả khảo sát những thay đổi về đặc
tính điện hóa khi diễn ra tương tác sinh học giữa phần tử dò và phần tử đích trên bề mặt cảm
biến. Tuy nhiên, khi nồng độ phần tử đích rất nhỏ, tương tác sinh học chỉ làm thay đổi một
phần rất nhỏ tín hiệu điện hóa trên bề mặt của màng sinh học (nơi gắn kết phần tử dị). Vì
vậy, để phát triển thành cơng một bộ cảm biến sinh học điện hóa khơng những phụ thuộc
vào việc nghiên cứu thiết kế và chế tạo điện cực, phương pháp biến tính bề mặt điện cực

1


nhằm nâng cao hiệu quả của qui trình cố định phần tử cảm nhận sinh học lên trên bề mặt
điện cực mà còn phụ thuộc vào việc xây dựng các qui trình đo lường điện hóa nhằm phát
hiện phần tử đích trong mẫu phân tích. Để có thể thực hiện được những nhiệm vụ trên, đòi
hỏi sự kết hợp đa ngành giữa hóa học, sinh học, vật lý, khoa học vật liệu, điện tử và y

sinh...Trong các nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phân tích y sinh,
vấn đề giảm thể tích mẫu phân tích, đồng thời cải thiện tỷ lệ tín hiệu/nhiễu ln là thách thức
đặt ra cho các nhóm nghiên cứu. Cảm biến sinh học điện hóa được tích hợp với hệ vi lưu
hay một vi bình phản ứng sẽ giúp thu nhỏ hệ thống phân tích. Hơn nữa, cảm biến sinh học
điện hóa tích hợp với bình phản ứng mini cịn là bước khởi đầu quan trọng trong mục tiêu
hướng tới chế tạo và phát triển một hệ thống phân tích điện hóa cầm tay, sẽ giúp giải quyết
những nhược điểm của các phương pháp phân tích y sinh truyền thống và giữ vai trò quan
trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụ phân tích lưu động. Đây là vấn đề nghiên cứu còn
mới và đang thu hút được sự quan tâm của các nhóm nghiên cứu tại Việt Nam.
Vì những lí do trên, chúng tôi quyết định thực hiện luận án: “Nghiên cứu phát triển
cảm biến sinh học điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole tích hợp hệ vi lưu”.
Mục tiêu của luận án:
Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và tích hợp cảm biến sinh học điện hóa và vi
bình phản ứng ứng dụng trong phát hiện các thành phần sinh học, bao gồm: 01) biến tính bề
mặt cảm biến sử dụng vật liệu có cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quả cố định các phần tử
cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến; 02) tích hợp hệ điện cực với vi bình phản ứng nhằm
thu nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêu thụ và 03) phát triển và tùy biến qui trình
đo lường điện hóa sử dụng cảm biến sinh học không đánh dấu nhằm phát hiện các thành
phần sinh học.
Cách tiếp cận, phương pháp nghiên cứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu thực nghiệm. Cách tiếp cận trong quá
trình nghiên cứu là từ các kết quả thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết và các tài liệu tham
khảo, giải thích, so sánh, đánh giá và tối ưu qui trình thực nghiệm.
Nội dung của luận án:
Để giải quyết được mục tiêu của đề tài, luận án tập trung nghiên cứu 3 nội dung:
Nội dung nghiên cứu 1: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa trên cơ sở dây nano
polypyrrole. Trong nội dung nghiên cứu 1, mục tiêu của NCS là làm quen với các kỹ thuật
điện hóa được thực hiện trong một hệ đo mở, các phép đo điện hóa khơng sử dụng các điện
cực thương mại mà trên cơ sở các điện cực tự thiết kế và phát triển, vật liệu thể mềm cấu
trúc nano (dạng dây) được chế tạo giữ vai trò làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt cảm

biến và bộ chuyển đổi, giúp nâng cao hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học lên bề
mặt cảm biến, DNA được lựa chọn làm đối tượng đo nhờ độ bền, độ ổn định cao và dễ đặt
mua. Nội dung nghiên cứu 1 bao gồm: nghiên cứu tổng hợp dây nano polypyrrole trên điện
cực Pt sử dụng kỹ thuật điện hóa nhằm biến tính bề mặt cảm biến; nghiên cứu cố định DNA

2


dò lên bề mặt cảm biến trên cơ sở dây nano polypyrrole; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai
hóa DNA dị – DNA đích của cảm biến DNA điện hóa đã chế tạo.
Nội dung nghiên cứu 2: Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu.
Phát triển từ các kết quả đã đạt được trong nội dung nghiên cứu 1 với các phép đo điện hóa
được thực hiện trong hệ đo mở, đối với nội dung nghiên cứu 2, luận án tập trung nghiên cứu
các tính chất điện hóa diễn ra khi thu nhỏ bình điện hóa. Việc thu nhỏ bình phản ứng, giảm
lượng mẫu tiêu thụ có ý nghĩa quan trọng trong phân tích y sinh vì các mẫu phân tích có thể
là mẫu máu, vi khuẩn, virus… Nội dung nghiên cứu 2 bao gồm: nghiên cứu thiết kế, chế tạo
và gắn kết hệ ba điện cực tích hợp Pt và vi kênh PDMS; nghiên cứu tổng hợp điện hóa dây
nano polypyrrole bên trong vi bình phản ứng nhằm cố định DNA trong chế tạo cảm biến
DNA điện hóa tích hợp với hệ vi lưu; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai hóa DNA dị – DNA
đích của cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu đã chế tạo với các phép đo điện hóa
được thực hiện trong hệ đóng.
Nội dung nghiên cứu 3: Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình
phản ứng mini ứng dụng trong phát hiện virus Newcastle. Sau khi hoàn thành nội dung
nghiên cứu 2 với các qui trình đo lường điện hóa được thực hiện trong một bình điện hóa
thu nhỏ, trong nội dung nghiên cứu 3 luận án sẽ tiến gần thêm một bước đến ứng dụng thực
tiễn. Các kết quả đạt được của luận án dự kiến sẽ không chỉ dừng lại ở các bài báo khoa học
mà cịn có khả năng hướng đến sự hợp tác với các công ty, các nhà sản xuất. Trong nội dung
nghiên cứu 3, thay vì sử dụng DNA làm phần tử dị cho cảm biến với qui trình tách chiết
phức tạp, địi hỏi chi phí cao và thời gian dài, luận án sẽ sử dụng kháng thể IgY kháng virus
Newcastle chiết xuất trực tiếp từ trứng gà – một sản phẩm đã được bán trên thị trường do

công ty cổ phần công nghệ sinh học thú y BTV (Biotech-Vet) cung cấp, tương lai hướng đến
việc đánh giá chất lượng kháng thể theo đơn đặt hàng. Nội dung nghiên cứu 3 bao gồm:
nghiên cứu thiết kế, chế tạo và ghép nối hệ ba điện cực sử dụng điện cực so sánh thay thế
Ag/AgCl và một bình phản ứng mini; nghiên cứu qui trình cố định kháng thể IgY kháng
virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ trứng gà lên trên bề mặt cảm biến sinh học; nghiên
cứu ứng dụng cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình phản ứng mini đã chế tạo trong
phát hiện virus Newcastle.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án:
Nhận thấy các phương pháp phân tích truyền thống đang được áp dụng rộng rãi, có phổ
kết quả rộng, độ chính xác cao nhưng đồng thời cũng có nhiều bất cập khi triển khai sử dụng
như đòi hỏi đội ngũ kỹ thuật viên có tay nghề cao, thiết bị và sinh phẩm, hóa chất đắt tiền,
chỉ tập trung ở các cơ sở phân tích tại các thành phố lớn, trung ương..., luận án hướng tới
việc phát triển một kỹ thuật phân tích mới trong đó tập trung vào việc làm tăng độ nhạy, độ
chọn lọc, làm giảm lượng mẫu phân tích và thời gian phân tích.
Luận án tập trung vào phát triển cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thông tin di truyền
(DNA) và kháng thể của vật chủ, sử dụng kỹ thuật đo lường điện hóa. Để phát triển cảm biến
sinh học điện hóa, trước tiên, luận án đã tập trung nghiên cứu thiết kế và chế tạo các điện

3


cực khác với điện cực truyền thống. Bề mặt điện cực sau đó được biến tính trên cơ sở lớp
vật liệu trung gian với cấu trúc nano. Trên bề mặt phân cách giữa dung dịch chứa mẫu phân
tích và màng sinh học có cấu trúc nano, các tính chất hóa lý diễn ra có phần khác so với
những tính chất đó ở các điện cực truyền thống. Các kỹ thuật qt thế vịng, thế khơng đổi,
tổng trở và kỹ thuật đo vi sai đã được triển khai để nghiên cứu các tính chất điện hóa tại đây.
Đối với việc phát triển cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng trong phát hiện các thành phần
sinh học, vấn đề giảm thể tích mẫu phân tích, thu nhỏ hệ thống phân tích có ý nghĩa quan
trọng. Luận án đã tập trung nghiên cứu các kỹ thuật đo lường điện hóa trong một vi bình
phản ứng có thể tích rất nhỏ thay vì thực hiện các phép đo trong hệ mở.

Những đóng góp mới của luận án:
Một trong những đóng góp mới của luận án là đã tổng hợp được vật liệu polime dẫn
polypyrrole (PPy) với cấu trúc dây nano nhằm mục đích biến tính bề mặt cảm biến, nâng cao
hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học. Dây nano PPy được tổng hợp trực tiếp trên
điện cực làm việc (WE), sử dụng kỹ thuật polime hóa điện hóa, khắc phục được tình trạng
vật liệu PPy được tạo thành dưới dạng đảo, có cấu trúc hoa súp lơ. Đặc biệt, việc tổng hợp
thành cơng vật liệu PPy có cấu trúc nano tại chính xác một vị trí mong muốn bên trong vi
bình phản ứng (thể tích 4 µl) là một thách thức mà cho đến thời điểm hiện tại, rất ít nhóm
nghiên cứu trên thế giới làm được. Hiện nay, số lượng cơng trình cơng bố quốc tế liên quan
đến việc tổng hợp cấu trúc nano bên trong hệ tích hợp vẫn cịn rất hạn chế.
Bên cạnh đó, việc sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất trực tiếp từ
trứng gà làm phần tử dò cho cảm biến miễn dịch cũng là một trong những đóng góp mới của
luận án.
Luận án cũng đã góp phần quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và gắn kết bình phản
ứng kích thước nhỏ tích hợp hệ điện cực có khả năng ghép nối với mạch đo, trên cơ sở đó
làm giảm lượng mẫu phân tích, làm tăng tỷ lệ tín hiệu/nhiễu khi đo lường. Hiện tại, đây là
vấn đề nghiên cứu cịn mới tại Việt Nam.
Thêm một đóng góp mới của luận án, đó là việc phát triển và tùy biến các qui trình đo
lường điện hóa được thực hiện trong một bình điện hóa thu nhỏ sử dụng cảm biến sinh học
không đánh dấu nhằm phát hiện các phần tử sinh học: DNA và virus Newcastle.
Ngoài ra, việc làm chủ cơng nghệ chế tạo cảm biến điện hóa ba điện cực theo phương
pháp planar với chất lượng tương đương sản phẩm thương mại hiện nay cũng là một trong
những đóng góp thuyết phục của luận án.
Bố cục của luận án:
Luận án được trình bày trong 103 trang (khơng kể phần mục lục và danh mục các tài liệu
tham khảo). Cấu trúc của luận án gồm:
Mở đầu
1. Tổng quan
2. Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa trên cơ sở dây nano polypyrrole
3. Nghiên cứu chế tạo cảm biến DNA điện hóa tích hợp hệ vi lưu

4


4. Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích hợp bình phản ứng mini ứng
dụng trong phát hiện virus Newcastle
Kết luận
Các kết quả chính của luận án đã được cơng bố trong 09 cơng trình khoa học, trong đó
có 02 bài báo được đăng trên tạp chí chuyên ngành quốc tế ISI, 04 bài báo được đăng trên
tạp chí chuyên ngành trong nước và 03 báo cáo tại các hội nghị trong nước và quốc tế.

5


1. TỔNG QUAN
1.1. Cảm biến sinh học điện hóa
1.1.1. Phân tích điện hóa
Đứng trước nhu cầu rất cao của xã hội, việc phát triển một hệ thống phân tích đáp ứng
được đầy đủ các yêu cầu như thời gian phân tích nhanh, độ chính xác, độ chọn lọc, độ nhạy
cao, thiết bị đơn giản, chi phí thấp là hết sức cần thiết. Các phương pháp phân tích truyền
thống như phân tích thể tích, phân tích khối lượng sử dụng thiết bị đơn giản, có sẵn ở các
phịng thí nghiệm, chi phí phân tích hợp lý nhưng hạn chế của các phương pháp trên là chỉ
áp dụng được với hàm lượng mẫu lớn, thời gian phân tích kéo dài, độ nhạy, độ chọn lọc
không cao, nhiều yếu tố gây nhiễu, sai số [3]. Một bước tiến quan trọng của các phương
pháp phân tích hiện đại như phương pháp quang phổ [4], phương pháp sắc kí [3], phương
pháp phân tích điện hóa (độ dẫn điện, điện thế, cực phổ, điện lượng, vol ampe…) [11] là cho
phép phân tích những lượng mẫu nhỏ với độ nhạy, độ lặp, độ chọn lọc, độ chính xác, độ tin
cậy cao và thời gian phân tích nhanh [3].
Trong các phương pháp phân tích hiện đại, phân tích điện hóa ln là đề tài hấp dẫn các
nhà khoa học trong nhiều thập kỷ liên tiếp. Phương pháp phân tích điện hóa đã được hình

thành từ thế kỉ 19 và cho đến nay vẫn không ngừng phát triển và hoàn thiện. Ưu điểm lớn
của phương pháp là ở chỗ khi hệ đo chịu tác động điện (dịng, thế) thì đáp ứng nhận được
cũng là tín hiệu điện. Đặc điểm nổi bật của phương pháp phân tích điện hóa là độ nhạy và
độ chọn lọc cao, khơng địi hỏi thể tích dung dịch lớn (nhỏ hơn 1 ml) [11]. Thành cơng của
kỹ thuật điện hóa được thể hiện trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, thực phẩm, dược
phẩm, y học, quốc phịng, khoa học vật liệu, hàng khơng, môi trường [28,127,130]…Đà tăng
trưởng trong nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu và phát triển các sản phẩm ứng dụng cho phân
tích điện hóa đã phản ánh sự quan tâm sâu sắc của các trung tâm nghiên cứu khoa học hàng
đầu, các tập đồn cơng nghệ quốc tế.

(a)
(b)
Hình 1.1: a) Thống kê công bố khoa học sử dụng kỹ thuật “phân tích điện hóa”; (b)
Thống kê cơng bố theo thời gian. Nguồn www.sciendirect.com
Thống kê trên hệ thống sciencedirect.com, hệ thống công bố khoa học lớn nhất hiện nay,
với từ khóa “Electrochemical Analysis” (phân tích điện hóa) trong giai đoạn 2010-2016,

6