Nghiên cứu và chế tạo cảm biến sinh học điện hoá độ nhạy cao sử dụng điện cực in các bon ứng dụng trong chẩn đoán bệnh sớm (Luận án tiến sĩ)

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

ĐỖ THỊ NGỌC TRÂM

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA
ĐỘ NHẠY CAO SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC IN CÁC BON ỨNG DỤNG
TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH SỚM

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

Hà Nội - 2018


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

ĐỖ THỊ NGỌC TRÂM

NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA
ĐỘ NHẠY CAO SỬ DỤNG ĐIỆN CỰC IN CÁC BON ỨNG DỤNG
TRONG CHẨN ĐOÁN BỆNH SỚM

Ngành: Vật lý kỹ thuật
Mã số: 9520401

LUẬN ÁN TIẾN SĨ VẬT LÝ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên

2. GS.TS. Patrick Wagner

Hà Nội - 2018


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin bày lòng biết ơn sâu sắc nhất đến tập thể cán bộ hướng dẫn PGS.TS.
Trương Thị Ngọc Liên trường Đại học Bách khoa Hà Nội và GS.TS. Patrick Wagner trường
Đại học KU Leuven, Vương quốc Bỉ đã nhiệt tình chỉ bảo, định hướng và giúp đỡ về mặt
khoa học để tôi có thể hoàn thành luận án tiến sĩ.
Tôi xin chân thành cảm ơn các thành viên trong phòng thí nghiệm Cảm biến sinh học
thuộc Bộ môn Vật liệu Điện tử, phòng thí nghiệm của GS. Yoshiakia Ukita thuộc Đại học
Yamanashi Nhật Bản, phòng thí nghiệm trọng điểm Quốc gia về Vật liệu và Linh kiện Điện
tử, Phòng thí nghiệm Siêu cấu trúc và Công nghệ nano y sinh thuộc Viện Vệ sinh dịch tễ,
Khoa Vật lý trường Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội đã giúp đỡ và
tạo điều kiện thuận lợi giúp tôi thực hiện các thí nghiệm trong thời gian nghiên cứu.
Tôi xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ tài chính của đề tài NAFOSTED mã số
103.99.2012.12, đề tài VLIR-UOS mã số ZEIN2013RIP022 và đề tài AUN/SEED-Net CRC
2016-2018.
Tôi xin cảm ơn tới ban lãnh đạo Viện Vật lý kỹ thuật và trường Đại học Bách khoa Hà
Nội đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ trong thời gian học tập. Tôi cũng xin cảm ơn tập thể
các thầy cô, anh chị và bạn bè đồng nghiệp thuộc bộ môn Vật liệu điện tử, Viện Hóa học và
Viện Công nghệ sinh học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã hỗ trợ và
đóng góp những ý kiến quí báu về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài.
Cuối cùng, tác giả xin dành những tình cảm chân thành và sâu sắc nhất tới gia đình đã
luôn sát cánh, chia sẻ những khó khăn, thông cảm và động viên trong suốt quá trình học tập,
nghiên cứu.
Tác giả

Đỗ Thị Ngọc Trâm

i


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tác giả thực hiện dưới sự hướng
dẫn của PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên và GS.TS. Patrick Wagner. Các số liệu và kết quả
trong luận án là trung thực và chưa được tác giả khác công bố trong bất kỳ công trình nào.
Tất cả các công trình đã công bố chung với thầy hướng dẫn khoa học và đồng nghiệp đều
được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án.
Hà Nội, ngày…… tháng……năm 2018
TM tập thể hướng dẫn

Tác giả luận án

PGS.TS. Trương Thị Ngọc Liên

Đỗ Thị Ngọc Trâm

ii


MỤC LỤC
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT..................................................................viii
DANH MỤC CÁC BẢNG.................................................................................................... x
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ ........................................................................... xi
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1. CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HÓA ỨNG DỤNG CHẨN ĐOÁN BỆNH
SỚM ...................................................................................................................................... 6

1.1 Cảm biến sinh học ........................................................................................................... 6
1.1.1 Đầu thu sinh học ....................................................................................................... 7

1.1.2 Bộ phận chuyển đổi tín hiệu ................................................................................... 13
1.1.3 Phương pháp cố định đầu thu sinh học................................................................... 15
1.1.4 Các phương pháp cố định kháng thể....................................................................... 17

1.1.4.1 Hấp phụ vật lý .............................................................................................. 18
1.1.4.2 Liên kết cộng hóa trị .................................................................................... 18
1.1.4.3 Ái lực tương tác sinh học ............................................................................. 20
1.2 Cảm biến sinh học điện hóa........................................................................................... 21
1.2.1 Điện cực điện hóa ................................................................................................... 21

1.2.2 Phân loại cảm biến sinh học điện hóa..................................................................... 24
1.2.2.1 Cảm biến đo dòng ........................................................................................ 24
1.2.2.2 Cảm biến đo điện thế.................................................................................... 26
1.2.2.3 Cảm biến đo độ dẫn ..................................................................................... 28
1.2.2.4 Cảm biến đo phổ tổng trở ............................................................................ 29
1.3 Ung thư và một số chất chỉ dấu khối u .......................................................................... 32

1.3.1 Chỉ dấu α-hCG và ung thư tế bào mầm tinh........................................................... 34
1.3.2 Chỉ dấu PSA và ung thư tiền liệt tuyến .................................................................. 35
1.3.3 Chỉ dấu AFP và ung thư gan nguyên phát .............................................................. 36
1.4 Nghiên cứu về cảm biến sinh học điện hóa ứng dụng phát hiện chỉ dấu khối u ........... 36
1.4.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước ........................................................................... 36
1.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................................... 47
1.4.3 Định hướng nghiên cứu của luận án ....................................................................... 47
iii

CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.................... 49
2.1 Phương pháp điện hóa ................................................................................................... 49
2.1.1 Phương pháp phổ tổng trở điện hóa (EIS) .............................................................. 49

2.1.1.1 Mô hình mạch điện tương đương Randles ................................................... 50
2.1.1.2 Biểu diễn phổ tổng trở trong mặt phẳng phức ............................................. 51
2.1.2 Phương pháp quét thế tuần hoàn (CV) ................................................................... 53
2.2 Phương pháp khảo sát tính chất và hình thái học vật liệu ............................................. 54

2.2.1 Ảnh hiển vi điện tử quét phát xạ trường (FE-SEM) ............................................... 54
2.2.2 Phổ tán xạ năng lượng tia X (EDS) ........................................................................ 54
2.2.3 Phổ tán xạ Raman ................................................................................................... 54
2.3 Công nghệ vi lưu ly tâm ................................................................................................ 55
2.3.1 Giới thiệu ................................................................................................................ 55
2.3.2 Thiết kế và quy trình chế tạo chíp vi lưu ly tâm ..................................................... 55
2.3.3 Vận chuyển dung dịch trong chíp vi lưu ly tâm ..................................................... 57
2.4 Quy trình thực nghiệm chế tạo cảm biến....................................................................... 58
2.4.1 Tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực làm việc SPCE .......................................... 58
2.4.2 Màng đơn lớp tự lắp ghép (SAM) alkanethiol........................................................ 58

2.4.3 Tổng hợp vật liệu polyme bằng phương pháp trùng hợp điện hóa......................... 59
2.4.3.1 Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa ................................................................ 59

2.4.3.2 Vật liệu lai cấu trúc nano hai chiều giữa polyme đồng trùng hợp PPy-PPa
và erGO ................................................................................................................... 60
2.4.3.3 Vật liệu lai poly(p-ATP) và hạt nano vàng .................................................. 61
2.4.4 Cố định đầu thu sinh học bằng liên kết cộng hóa trị............................................... 61
2.4.4.1 Liên kết cộng hóa trị thông qua nhóm amin của đầu thu sinh học .............. 62
2.4.4.2 Liên kết cộng hóa trị thông qua nhóm cacboxyl của đầu thu sinh học ........ 63
2.5 Khảo sát hoạt động của cảm biến phổ tổng trở điện hóa............................................... 63

2.6 Quy hoạch số liệu thực nghiệm ..................................................................................... 65
2.6.1 Độ nhạy của cảm biến............................................................................................. 65

2.6.2 Khoảng tuyến tính của cảm biến ............................................................................ 66
2.6.3 Độ lặp lại của cảm biến .......................................................................................... 66

2.6.4 Giới hạn phát hiện của cảm biến ............................................................................ 66
iv


2.6.5 Độ chọn lọc của cảm biến....................................................................................... 67

CHƯƠNG 3. CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU α-hCG ỨNG DỤNG
CHẨN ĐOÁN U TẾ BÀO MẦM TINH ............................................................................ 68
3.1 Mở đầu........................................................................................................................... 68
3.2 Thực nghiệm.................................................................................................................. 69
3.2.1 Hóa chất .................................................................................................................. 69
3.2.2 Điện cực và linh kiện .............................................................................................. 70

3.2.3 Quy trình cố định mAb hCG trên điện cực vàng.................................................... 71
3.2.4 Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM....................... 72
3.2.4.1 Vi cân tinh thể thạch anh ............................................................................. 72
3.2.4.2 Khảo sát hoạt động của cảm biến ................................................................ 73
3.2.5 Khảo sát hoạt động của cảm biến mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE .................... 73
3.3. Kết quả và thảo luận ..................................................................................................... 74
3.3.1 Cảm biến miễn dịch nhạy khối lượng mAb hCG/SAM(MHDA)/QCM ................ 74
3.3.1.1 Hiệu suất cố định kháng thể ......................................................................... 74
3.3.1.2 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................... 75

3.3.2 Cảm biến miễn dịch phổ tổng trở mAb hCG/SAM(MHDA)/SPAuE .................... 77

3.3.2.1 Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ ................................................. 77
3.3.2.2 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................... 79

3.4 Kết luận ......................................................................................................................... 81
CHƯƠNG 4. CẢM BIẾN APTAMER PHÁT HIỆN CHỈ DẤU PSA ỨNG DỤNG CHẨN
ĐOÁN UNG THƯ TIỀN LIỆT TUYẾN ............................................................................ 82

4.1 Mở đầu........................................................................................................................... 82
4.2 Thực nghiệm.................................................................................................................. 83
4.2.1 Hóa chất .................................................................................................................. 83
4.2.2 Điện cực và linh kiện .............................................................................................. 84

4.2.3 Tổng hợp hạt nano vàng trên điện cực SPCE ......................................................... 84
4.2.4 Cố định aptamer...................................................................................................... 86
4.3 Kết quả và thảo luận ...................................................................................................... 87
4.3.1 Cảm biến aptamer phổ tổng trở điện hóa................................................................ 87
4.3.2 Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/SPAuE.................................................... 88
v


4.3.2.1 Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ ................................................. 88

4.3.2.2 Ảnh hưởng của nồng độ aptamer lên tín hiệu cảm biến .............................. 89
4.3.3 Cảm biến PSA-aptamer/SAM (MHDA)/AuNPs-SPCE ......................................... 90
4.3.3.1 Phân tán aptamer ......................................................................................... 90
4.3.3.2 Đặc tính điện hóa sau mỗi bước công nghệ ................................................. 93
4.3.3.3 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................... 95
4.3.3.4 Độ chọn lọc của cảm biến ............................................................................ 97

4.4 Kết luận ......................................................................................................................... 97

CHƯƠNG 5. CẢM BIẾN MIỄN DỊCH PHÁT HIỆN CHỈ DẤU AFP ỨNG DỤNG CHẨN
ĐOÁN UNG THƯ GAN ..................................................................................................... 98

5.1 Mở đầu........................................................................................................................... 98
5.2 Thực nghiệm.................................................................................................................. 99
5.2.1 Hóa chất và điện cực............................................................................................... 99
5.2.2 Cố định mAb AFP lên điện cực PPy-PPa/SPCE và PPy-PPa/erGO-SPCE ........... 99
5.2.3 Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính bởi SAM (p-ATP).................... 100
5.2.4 Cố định mAb AFP lên điện cực SPCE biến tính bởi vật liệu lai poly(p-ATP) và hạt
nano vàng....................................................................................................................... 100
5.3. Kết quả và thảo luận ................................................................................................... 101
5.3.1 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPy-PPa/SPCE .................................... 101
5.3.1.1 Polyme đồng trùng hợp PPy-PPa trên điện cực SPCE ............................. 101

5.3.1.2 Tối ưu hóa tỷ số hợp phần của monome Pa với Py.................................... 103
5.3.1.3 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................. 104

5.3.2 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/PPa-PPy/erGO-SPCE .......................... 107
5.3.2.1 Khử điện hóa GO trên SPCE ..................................................................... 107
5.3.2.2 Hình thái học bề mặt điện cực ................................................................... 111
5.3.2.3 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................. 112

5.3.3 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/SAM (p-ATP)/AuNPs-SPCE .............. 115
5.3.3.1 Ảnh hưởng của mật độ hạt nano vàng ....................................................... 115
5.3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian tạo màng SAM ................................................... 118
5.3.3.3 Đặc trưng điện hóa sau mỗi bước công nghệ ............................................ 119
5.3.3.4 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................. 120
vi

5.3.4 Cảm biến miễn dịch điện hóa mAb AFP/poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE................. 121
5.3.4.1 Poly(p-ATP) kết hợp hạt nano vàng trên điện cực AuNPs-SPCE.............. 122
5.3.4.2 Phổ tán xạ Raman của màng poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE ......................... 124
5.3.4.3 Đặc trưng điện hóa sau các bước công nghệ ............................................. 125
5.3.4.4 Đặc trưng chuẩn của cảm biến .................................................................. 126

5.4 Kết luận ....................................................................................................................... 128
CHƯƠNG 6. CẢM BIẾN ĐIỆN HÓA GLUCOSE.......................................................... 129
6.1 Glucose và đường huyết .............................................................................................. 129

6.2 Cảm biến điện hóa enzyme GOx................................................................................. 130
6.3 Polyme ôxy hóa khử Osmium và cảm biến GOx ........................................................ 133
6.4 Thực nghiệm................................................................................................................ 133
6.4.1 Hóa chất và thiết bị ............................................................................................... 133
6.4.2 Quy trình chế tạo cảm biến (GOx/Osmium)n/AuNPs-SPCE................................ 134
6.5 Kết quả và thảo luận .................................................................................................... 135
6.5.1 Khảo sát hình thái bề mặt cấu trúc đa lớp (GOx/Osmium) .................................. 135
6.5.2 Khảo sát ảnh hưởng của số lớp (GOx/Osmium)................................................... 136
6.5.3 Đáp ứng dòng-thế của cảm biến (GOx/Osmium)4/AuNPs-SPCE ........................ 137

6.6 Kết luận ....................................................................................................................... 138
KẾT LUẬN ....................................................................................................................... 139
KIẾN NGHỊ....................................................................................................................... 140
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN ................................... 160
PHỤ LỤC ......................................................................................................................... - 1 -

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu

Tiếng Anh

Tiếng Việt
Kháng thể

Ab

Antibody

AFP

Alpha-fetoprotein

Ag

Antigen

Kháng nguyên

AuNPs

Gold nano-particles

Hạt nano vàng

BSA

Bovine serum albumin

Albumin huyết thanh bò

CA

Chronoamperometry

Kỹ thuật đo dòng – thời gian

CV

Cyclic voltammetry

Kỹ thuật quét thế tuần hoàn

DNA

Deoxyribo nucleic acid

Axít deoxyribonucleic

DPV

Different pulse voltammetry

Kỹ thuật đo dòng-thế xung vi phân

EDC

1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl)
carbodimide

EDS

Energy dispertive spectroscopy

Phổ tán xạ năng lượng

EIS

Electrochemical impedance
spectroscopy

Phổ tổng trở điện hóa

ELISA

Enzyme linked immuno sorbent
assay

Kỹ thuật miễn dịch gắn enzyme

FAD

Flavin adenine dinucleotide

GDH

Glucose dehydrogenase

Enzyme glucose dehydrogenase

GMC

Graphitized mesoporous carbon

Các bon lỗ xốp trung bình

GOx

Glucose oxidase

Enzyme glucose oxidase

hCG

Human chorionic gonadotropin

IGCA

Immunogold chromatographic assay

IUPAC

Internatonal union of pure and applied Hiệp hội Quốc tế về hóa học và hóa
chemistry
học ứng dụng

LOD

Limit of detection

Giới hạn phát hiện

mAb

monoclonal antibody

Kháng thể đơn dòng

MHDA

16-Mercaptohexadecanoic acid

Axít 16-mercaptohexadecanoic

viii

Kỹ thuật miễn dịch sắc kí sử dụng
hạt vàng


MIP

Molercularly imprinted polymer

Polyme in phân tử

MUA

11-Mercaptoundecanoic acid

Axít 11-mercaptoundecanoic

NHS

N-Hydroxysuccinimide

ODN

Oligo deoxyribo nucleotide

Pa

Pyrrole-2-cacboxylic acid

p-ATP

Para-aminothiophenol

PBS

Phosphate buffered saline

Đệm chứa muối phosphat

PCR

Polymerase chain reaction

Phản ứng chuỗi polymerase

PEGDGE

Poly(ethylene glycol)diglycidyl

PL

Photoluminescence

PPa

Polypyrrole cacboxylic acid

PPy

Polypyrrole

PSA

Prostate specific antigen

Py

Pyrrole

QCM

Quartz crystal microbalance

Vi cân tinh thể thạch anh

RNA

Ribo nucleic acid

Axít ribonucleic

SAM

Self assembled monolayer

Màng đơn lớp phân tử tự lắp ghép

SELEX

Systematic evolution of ligands by
exponential enrichment

SEM

Scanning electron microscopy

Hiển vi điện tử quét

SPAuE

Screen-printed gold electrode

Điện cực in lưới mực in vàng

SPCE

Screen-printed carbon electrode

Điện cực in lưới mực in các bon

SPR

Surface plasmon resonance

Kỹ thuật cộng hưởng plasmon bề mặt

STDEV

Standard deviation

Sai số chuẩn

SWSV

Square wave stripping voltammetry

Kỹ thuật đo xung vuông quét nhanh

Kỹ thuật phổ huỳnh quang

Ung thư tiền liệt tuyến

UTTLT

ix


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1. Phân loại enzyme [256]. ................................................................................... 10
Bảng 1.2. Nhóm chức thuộc amino axít tham gia cố định bằng liên kết cộng hóa trị
[178]................................................................................................................. 19
Bảng 1.3. Điện cực điện hóa trong cảm biến sinh học điện hóa. ...................................... 22
Bảng 1.4. Nồng độ ngưỡng chỉ dấu khối u trong huyết thanh của người [260]................ 32
Bảng 1.5. Các chỉ dấu khối u thông dụng trong chẩn đoán và điều trị một số bệnh ung
thư [32]. ........................................................................................................... 32
Bảng 1.6. Nồng độ hCG và β-hCG đối với người bình thường [201]. ............................. 34
Bảng 1.7. Mối liên hệ giữa nồng độ PSA toàn phần trong máu và tỷ lệ mắc bệnh
UTTLT [26]..................................................................................................... 35
Bảng 2.1. Cố định đầu thu sinh học bằng liên kết cộng hóa trị. ....................................... 61
Bảng 2.2. Mô hình mạch tương đương khớp phổ tổng trở thực nghiệm. ......................... 65
Bảng 3.1. Số phân tử cố định trên bề mặt linh kiện QCM sau mỗi bước chế tạo............. 75
Bảng 3.2. Giá trị thành phần của mạch tương đương Randles sau mỗi bước thực hiện
quy trình chế tạo cảm biến mAb α-hCG/SAM(MHDA)/SPAuE. ................... 78
Bảng 3.3. Một số kết quả nghiên cứu cảm biến sinh học phát hiện chỉ dấu khối u hCG . 80
Giá trị thành phần của mạch tương đương Randles sau mỗi bước thực hiện
quy trình chế tạo cảm biến PSA-aptamer/SAM(MHDA)/SPAuE................... 89
Bảng 4.2. Giá trị thành phần của mạch tương đương Randles sau mỗi bước thực hiện
quy trình chế tạo cảm biến PSA-aptamer/SAM(MHDA)/AuNPs-SPCE........ 94
Bảng 4.3. Một số kết quả nghiên cứu cảm biến đện hóa sử dụng đầu thu aptamer phát
hiện chỉ dấu khối u PSA .................................................................................. 96
Bảng 5.1. Số sóng đặc trưng trong phổ Raman của polyme PPy-PPa theo thực nghiệm
và so sánh với giá trị lý thuyết [179, 243]. .................................................... 102

Bảng 5.2. Giá trị thành phần của mạch tương đương Randles sau mỗi bước thực hiện
quy trình chế tạo cảm biến mAb AFP/SAM (p-ATP)/AuNPs-SPCE ........... 120
Bảng 5.3. Số sóng đặc trưng trong phổ Raman của poly(p-ATP) theo thực nghiệm. .... 124
Bảng 5.4. Giá trị thành phần của mạch tương đương Randles sau mỗi bước thực hiện
quy trình chế tạo cảm biến mAb AFP/poly(p-ATP)/AuNPs-SPCE.............. 125
Bảng 5.5. Một số kết quả nghiên cứu cảm biến sinh học điện hóa phát hiện chỉ dấu
khối u AFP..................................................................................................... 127
Bảng 6.1. Giá trị chuẩn của nồng độ đường huyết đối với người bình thường [5]......... 130
x


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, ĐỒ THỊ
Hình 1.1. Cấu trúc của cảm biến sinh học. ......................................................................... 6
Hình 1.2. Phân loại cảm biến sinh học theo cơ chế chuyển đổi tín hiệu và loại đầu thu
sinh học [134]. ................................................................................................... 7
Hình 1.3. Cấu trúc của phân tử globulin miễn dịch [66]. ................................................... 8
Hình 1.4. Lực tương tác giữa kháng nguyên – kháng thể [66]. .......................................... 9
Hình 1.5. Mô hình cấu trúc của RNA, DNA [287]........................................................... 11
Hình 1.6. Cấu trúc và tương tác giữa aptamer và chỉ dấu sinh học [288]......................... 12
Hình 1.7. Đầu thu sinh học nhân tạo tổng hợp bằng phương pháp in polyme phân tử
[255]................................................................................................................. 13
Hình 1.8. Biểu đồ tỷ lệ bài báo cảm biến sinh học theo cơ chế chuyển đổi tín hiệu. Số
liệu thống kê bài báo tìm kiếm theo từ khóa “electrochemical biosensor”,
“optical biosensor”, “piezoelectric biosensor”, “calorimetric biosensor” từ
năm 2000 ÷ 2018 theo website Science Direct [289]. ..................................... 14
Hình 1.9. Phương pháp cố định đầu thu sinh học: a) Hấp phụ vật lý, b) Liên kết cộng
hóa trị, c) Bẫy, d) Liên kết chéo, e) Hóa rắn [139].......................................... 15
Hình 1.10. Biểu đồ số lượng bài báo cảm biến sinh học phân loại theo phương pháp cố
định đầu thu sinh học. Số liệu thống kê bài báo tìm kiếm theo từ khóa
“adsorption”, “covalent”, “encapsulation”, “entrapment”, “cross -linking”

trong khoảng từ năm 2000 ÷ 2018 theo website Science Direct [289]. .......... 16
Hình 1.11. Định hướng cố định của kháng thể trên bề mặt điện cực [254]...................... 17
Hình 1.12. Kháng thể cố định trên bề mặt điện cực bằng liên kết cộng hóa trị; (a) giữa
nhóm amin (hoặc nhóm cacboxyl) trên kháng thể với nhóm cacboxyl (hoặc
nhóm amin) biến tính trên bề mặt điện cực; (b) giữa nhóm thiol sinh ra do
phản ứng khử liên kết cầu disulfide trên kháng thể bởi TCEP (hoặc 2-MEA)
và bề mặt điện cực vàng; (c) giữa nhóm aldehyde sinh ra do phản ứng ôxy
hóa gốc đường nằm ở đoạn Fc của kháng thể và nhóm hydrazide biến tính
trên bề mặt điện cực [254]. .............................................................................. 18
Hình 1.13. Kháng thể được cố định trên bề mặt điện cực thông qua ái lực tương tác:
(a) giữa protein G và kháng thể; (b) lai hóa giữa ssDNA cố định và ssDNA
gắn trên kháng thể [151].................................................................................. 20
Hình 1.14. Kháng thể cố định trên bề mặt điện cực thông qua ái lực tương tác giữa
Avidin/ Streptavidin với Biotin [181].............................................................. 21
Hình 1.15. Điện cực các bon thủy tinh (Glassy carbon electrode - GCE) và hệ điện hóa
ba điện cực sử dụng điện cực làm việc GCE................................................... 22
Hình 1.16. Điện cực điện hóa in lưới màng dầy (a) hệ 2 điện cực, (b) hệ 3 điện cực. ..... 23
xi


Hình 1.17. Điện cực in lưới mực in các bon của hãng Dropsen (Tây Ban Nha) (a) 1
điện cực làm việc; (b) 2 điện cực làm việc; (c) 4 điện cực làm việc; (d) 8
điện cực làm việc. ............................................................................................ 23
Hình 1.18. Điện cực in lưới màng dày của hãng BioDevice Technology (Nhật Bản) (a)
điện cực làm việc mực in các bon; (b) điện cực làm việc mực in vàng. ......... 23
Hình 1.19. Cơ chế hoạt động của cảm biến miễn dịch đo dòng cấu trúc “sandwich” dựa
trên tác nhân đánh dấu enzyme HRP, ALP và GOx [105]. ............................. 24
Hình 1.20. Cơ chế hoạt động của cảm biến miễn dịch đo dòng cấu trúc “sandwich” dựa
trên tác nhân đánh dấu: (a) muối của kim loại vàng, (b) kim loại bạc Ag, (c)
chấm lượng tử PbS và CdS [105]. ................................................................... 26

Hình 1.21. Điện cực chọn lọc ion ISE dùng trong cảm biến đo điện thế: (a) điện cực
màng chất lỏng; (b) điện cực màng chất rắn [252].......................................... 27
Hình 1.22. Cảm biến điện hóa đo điện thế dựa trên cấu trúc: (a) Transitor hiệu ứng
trường nhạy ion (ISFET), (b) Cảm biến điện thế chiếu sáng vùng (LAPS)
[74]................................................................................................................... 27
Hình 1.23. Cảm biến miễn dịch điện hóa đo độ dẫn dựa trên cấu trúc FET, điện tích
dương của kháng nguyên – kháng thể trên kênh dẫn làm giảm độ dẫn đối
với kênh dẫn là bán dẫn loại n và làm tăng độ dẫn đối với kênh dẫn là bán
dẫn loại p [34].................................................................................................. 28
Hình 1.24. Cảm biến DNA độ dẫn dựa trên cấu trúc dây nano polyme đồng trùng hợp
(poly EDOT-co-EDOT-COOH) giữa hai điện cực làm bằng kim loại vàng,
phản ứng lai hóa giữa chuỗi DNA dò và DNA đích làm thay đổi độ dẫn của
dây nano polyme [98]. ..................................................................................... 28
Hình 1.25. Mô hình mạch điện tương đương Randles mô phỏng tính chất điện của hệ
điện hóa trong dung dịch điện ly (a) không có cặp chất ôxy hóa - khử, (b)
có cặp chất ôxy hóa - khử [105]. ..................................................................... 29
Hình 1.26. Mô hình cấu trúc cảm biến miễn dịch kiểu tụ và mạch điện tương đương
[105]................................................................................................................. 30
Hình 1.27. Cảm biến miễn dịch phổ tổng trở điện hóa sử dụng chất dò [Fe(CN)6]3-/4-;
(a) đầu thu kháng thể cố định trên điện cực vàng, (b) đầu thu kháng thể liên
kết đặc hiệu với kháng nguyên cản trở quá trình truyền điện tích đến điện
cực, (c) mạch tương đương Randles và (d) phổ tổng trở biểu diễn trên mặt
phẳng Nyquist của cảm biến trước và sau phản ứng miễn dịch [105]............. 31
Hình 1.28. Biểu đồ thống kê số lượng bài báo cảm biến sinh học phát hiện chỉ dấu khối
u trong thời gian từ năm 2005÷2018 (dữ liệu từ nguồn Scopus truy cập ngày
01-08-2018): .................................................................................................... 37

xii

Luận án đầy đủ ở file: Luận án Full