BỘGIÁODỤCVÀĐÀOTẠO
TRƯỜNGĐẠI HỌCBÁCHKHOAHÀNỘI

TRẦNTHỊLUYẾN

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC ĐIỆN HĨA
TRÊNCƠSỞDÂYNANOPOLYPYRROLETÍCH HỢPHỆVILƯU

Chun ngành: Kỹ thuật Hóa
họcMãsố:62520301

TĨMTẮT LUẬNÁNTIẾNSĨKỸTHUẬT HĨAHỌC

Hà Nội –2017


Cơngtrìnhđượchồnthànhtại:
TRƯỜNGĐẠI HỌCBÁCHKHOAHÀNỘI

Ngườihướng dẫnkhoa học:
Hướng dẫn 1: PGS.TS. Mai Anh
TuấnHướng dẫn2:PGS.TS.HuỳnhĐăng
Chính

Phản biện 1: PGS. TS. Nguyễn Xuân
HoànPhảnbiện2:PGS.TS.Vũ Anh Tuấn
Phảnbiện 3: PGS.TS.LêAnh Tuấn

LuậnánđượcbảovệtrướcHộiđồngđánhgiáluậnántiếnsĩcấpTrườnghọptạiTrường
Đạihọc Báchkhoa Hà Nội
Vào hồi……..giờ,ngày…..tháng…..năm……

Cóthểtìmhiểuluậnántạithư viện:
1. Thưviện TạQuang Bửu-TrườngĐHBKHàNội
2. ThưviệnQuốcgia ViệtNam


MỞĐẦU
Hiệnnay,cácphươngphápphântichsinhhọcphântửtruyềnthống(PCR,ELISA…)đ
angđư
́
ợ c s ử d ụ n g p h ổ b i ế n , c h o k ế t q u ả t ố t v à đ ộ c h í n h x á c c a o , t u y nhiênbêncạnhnhữngưuđiểm
cũngthểhiệnnhữngnhượcđiểm.Cácphươngpháptrên đều phức tạp, u cầu kỹ thuật viên có tay nghề
cao,
u
cầu
phịng
thí
nghiệmhiệnđạitạinhững trungtâm nghiêncứu,phânt íchtr ung ư ơng hoặccácthà
nhphố lớn,trongqtrìnhthựchiệncầnphảisửdụngcácsinhphẩmvàhóachấtđặchiệu.
Các phương pháp trên đều cần hàng giờ đến hàng ngày để thực hiện và đặc biệt,
cácthiết bị phân tích, chẩn đốn khơng thể dịch chuyển ra khỏi nơi lắp đặt ban
đầu.Đâycũngl à m ộ t t r o n g nh ữ n g đ i ể m t ồn t ạ i c ầ n đ ư ợ c g i ả i q u y ế t k h i t h ự c h i ệ n c á
c c h i ế n dịchphântíchlưuđộng.Vì vậy, việcnghiên cứu và phát triển những kỹ thuật phântích có
khả năng bổ sung, thậm chí thay thế một phần những kỹ thuật phân tích truyềnthốnglà
thực sự cần thiết.Cảm biến sinh học là một trong những thiết bị được
kỳvọngc ó k h ả n ă n g t h a y t h ế m ộ t p h ầ n c á c k ỹ t h u ậ t p h â n t í c h t r u y ề n t h ố n g n h ờ k
h ả năng ứng dụng rộng rãi trong phát hiện virus gây bệnh, chẩn đốn lâm sàng, giám sátmơi trường,phântíchđộchọc
trongthựcphẩm….
Vìl í d o t r ê n , c h ú n g t ô i q u y ế t đ ị n h t h ự c h i ệ n l u ậ n á n : “ N g h i ê n c ứ u p h á t t r i
ể n cảmbiếnsinhhọcđiệnhóatrêncơsởdâynanopolypyrroletíchhợphệvilưu”.Mụctiêu củaluậnán:

Mục tiêu của luận án là nghiên cứu chế tạo và tích hợp cảm biến sinh học điện hóavà
vibìnhphảnứngứngdụngtrongpháthiệncácthànhphầnsinhhọc,baogồm:01)biến tính bề mặt cảm biến sử dụng
vật liệu có cấu trúc nano nhằm nâng cao hiệu quảcố định các phần tử cảm nhận sinh
học
lên
bề
mặt
cảm
biến;
02)
tích
hợp
hệ
điện
cựcvớivibìnhphảnứngnhằmthunhỏhệthốngphântích,giảmlượngmẫutiêuthụvà
3) phát triển và tùy biến qui trình đo lường điện hóa sử dụng cảm biến sinh
họckhơngđánhdấu nhằmpháthiệncác thành phầnsinhhọc.
Cáchtiếpcận,phươngphápnghiêncứu:
Phương pháp nghiên cứu của luận án là nghiên cứu thực nghiệm. Cách tiếp cậntrong
quá trình nghiên cứu là từ các kết quả thực nghiệm, kết hợp với lý thuyết và
cáctàiliệuthamkhảo,giảithích,sosánh,đánhgiávà tốiưu quitrìnhthựcnghiệm.
Nội dung củaluậnán:
Đểgiảiquyết đượcmụctiêu củađềtài,luận ántập trungnghiêncứu 3nội dung:
Nội dung nghiên cứu 1: Nghiên cứu chế tạo cảm biếnD N A đ i ệ n h ó a t r ê n
c ơ s ở dây nano polypyrrole. Trong nội dung nghiên cứu 1, mục tiêu của NCS là làm
quenvới các kỹ thuật điện hóa được thực hiện trong một hệ đo mở, các phép đo điện
hóakhơng sử dụng các điện cực thương mại mà trên cơ sở các điện cực tự thiết kế và
pháttriển,vậtliệuthểmềmcấutrúcdâynanođượcchếtạogiữvaitròlàmlớpvậtliệutrung gian giữa bề mặt cảm biến và
bộ chuyển đổi, giúp nâng cao hiệu quả cố địnhthành phần cảm nhận sinh học lên bề
mặt cảm biến, DNA được lựa chọn làm đốitượng đo vì DNA có độ bền, độ ổn định cao

và
dễ
đặt
mua.
Nội
dung
nghiên
cứu
1baog ồ m : n g h i ê n c ứ u t ổ n g h ợ p d â y n a n o p o l y p y r r o l e t r ê n đ i ệ n c ự c P t s ử d ụ n
g k ỹ thuậtđiệnhóanhằmbiếntínhbềmặtcảmbiến;nghiêncứucốđịnhDNAdịlênbềmặt cảm biến trên cơ sở dây
nano polypyrrole; nghiên cứu đặc trưng tín hiệu lai hóaDNAdị –DNAđíchcủa cảmbiến
DNAđiệnhóa đã chếtạo.
1


Nộidungnghiêncứu2:NghiêncứuchếtạocảmbiếnDNAđiệnhóatíchhợphệvi lưu.
Pháttriểntừcáckếtquảđãđạtđượctrongnộidungnghiêncứu1vớicácphépđođiệnhóađượcthựchiệntronghệđomở,đốivớinộidung
nghiên cứu 2, luận ántập trung nghiên cứu các tính chất điện hóa diễn ra khi thu nhỏb ì n h
đ i ệ n h ó a . V i ệ c thu nhỏ bình phản ứng, giảm lượng mẫu tiêu thụ có ý nghĩa rất
quan trọng trong phântíchysinhvìcácmẫuphântíchcóthểlàmẫumáu,vikhuẩn,virus…Nộidungnghiên cứu 2 bao
gồm: nghiên cứu thiết kế, chế tạo và gắn kết hệ ba điện cực tích
hợpPtvàvikênhPDMS;nghiêncứutổnghợpđiệnhóadâynanopolypyrrolebêntrongvi
bìnhphảnứngnhằmcốđịnhDNAtrongchếtạocảmbiếnDNAđiệnhóatíchhợpvới hệ vi lưu; nghiên cứu đặc trưng
tín hiệu lai hóaDNA dị –D N A đ í c h c ủ a c ả m biến DNA điện hóa tích hợp hệ
vi lưu đã chế tạo với các phép đo điện hóa được thựchiệntronghệđóng.
Nội dung nghiên cứu 3: Nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch điện hóa tích
hợpbình phản ứngminiứng dụng trongp h á t h i ệ n v i r u s N e w c a s t l e . S a u
k h i h o à n t h à n h nội dung nghiên cứu 2 với các qui trình đo lường điện hóa được
thực
hiện

trong
mộtbìnhđ i ệ n h ó a t h u n h ỏ , t r o n g n ộ i d u n g n g h i ê n c ứ u 3 l u ậ n á n s ẽ t i ế n g ầ n t h ê m m
ộ t bước đến ứng dụng thực tiễn. Các kết quả đạt được của luận án sẽ khơng chỉ dừng
lạiởcácbàibáokhoahọcmàcịncókhảnănghướngđếnsựhợptácvớicáccơngty,cácnhà
sảnxuất.Trongnộidungnghiêncứu3,thayvìsửdụngDNAlàmphầntửdịcho 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
trứnggà–
mộtsảnphẩmđãđượcbántrênthịtrườngdocơngtycổphầncơngnghệsinhhọc thú y
BTV(Biotech-Vet)cungcấp,tươnglaihướngđếnviệcđánhgiáchấtlượngkhángthểtheođơnđặthàngtừphíacơngty.Nộidungnghiêncứu
3baogồm:nghiêncứuthiếtkế,chếtạovàghépnốihệbađiệncựcsửdụngđiệncựcsosánhthaythếAg/AgCl và một bình phản
ứng mini; nghiên cứu qui trình cố định kháng thể khángvirus Newcastle thu thập 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 đãchếtạotrongpháthiệnvirus Newcastle.
Ýnghĩa khoa họcvàthực tiễncủa luậnán:
Nhậnthấycácphươngphápphântíchtrùnthốngđangđượcápdụngrộngrãi,có
phổ k ết quảr ộ n g , độ chí nhxáccaonhư ng đ ồ n g t hời c ũ n g c ó nhi ều b ấ t cập khi triển
khaisửdụngnhưđịihỏiđộingũkỹthuậtviêncótaynghềcao,thiếtbịvàsinhphẩm, 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 đótập trung vào việc làm tăng độ nhạy, độ chọn
lọc, làm giảm lượng mẫu phân tích, thờigianphântích.
Luận án tập trung vào phát triển cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thông tin ditruyền
(DNA) và kháng thể của vật chủ, sử dụng kỹ thuật đo lường điện hóa. Để pháttriển
cảm biến sinh học điện hóa, trước tiên, luận án đã tập trung nghiên cứu thiết kếvà chế

tạo các điện cực khác với điện cực truyền thống. Bề mặt điện cực sau đó đượcbiến tính
trên cơ sở lớp vật liệu trung gian với cấu trúc nano. Trên bề mặt phân cáchgiữa dung
dịch chứa mẫu phân tích và màng sinh học có cấu trúc nano, các tính
chấthóalýdiễnracóphầnkhácsovớinhữngtínhchấtđóởcácđiệncựctrùnthống.


Các kỹ thuật quét thế vòng, thế tĩnh, tổng trở và kỹ thuật đo vi sai đã được triển
khaiđểnghiêncứucáctínhchấtđiệnhóatạiđây.Đốivớiviệcpháttriểncảmbiếnsin
hhọc điện hóa ứng dụng trong phát hiện các thành phần sinh học, vấn đề giảm thể
tíchmẫup h â n t í c h , t h u n h ỏ h ệ t h ố n g p h â n t í c h c ó ý n g h ĩ a q u a n t r ọ n g . L u ậ n á n đ ã t
ậ p trung nghiên cứu các kỹ thuật đo lường điện hóa trong một vi bình phản ứng có thểtích rấtnhỏ
thayvìthựchiệncácphépđotronghệmở.
Những đóng gópmới củaluậnán:
Một trong những đóng góp mới của luận án là đã tổng hợp được vật liệu polimedẫn
polypyrrole (PPy) với cấu trúc dây nano nhằm mục đích biến tính bề mặt cảmbiến,
nâng cao hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học. Dây nano PPy
đượctổnghợptrực tiếptrênđiệncực làm việc (WE), sử dụngkỹ thuậtp o l i m e h ó a
đ i ệ n hóa,khắc phục đư ợ c tìnhtr ạng vật liệuPPy đượctạot hành dướidạngđảo, có
c ấu trúchoasúplơ.Đặcbiệt,việctổnghợpthànhcơngvậtliệuPPycócấutrúcnanotạichính xác một vị trí mong muốn
bên trong vi bình phản ứng (thể tích 4 µl) là mộtthách thức mà cho đến thời điểm hiện
tại, rất ít nhóm nghiên cứu trên thế giới làmđược. Hiện nay, số lượng cơng trình cơng
bố
quốc
tế
liên
quan
đến
việc
tổng
hợp

cấutrúcnanobêntronghệtíchhợpvẫncịnrấthạnchế.
Bên cạnh đó, việc sử dụng kháng thể IgY kháng virus Newcastle chiết xuất
trựctiếpt ừ t r ứ n g g à l à m phần t ử d ò c h o c ả m b i ế n m i ễ n d ị c h c ũ n g l à m ộ t t r o n g n h ữ
n g đónggópmớicủaluậnán.
Luận án cũng đã góp phần quan trọng trong việc thiết kế, chế tạo và gắn kết
bìnhphảnứ ngkí chthướ c nhỏtíchhợphệđiệncực c ó khả năngghép nốivớim ạchđo
,trêncơsởđólàmgiảm lượngmẫuphântích,làmtăngtỷlệtínhiệu/nhiễukhiđolường.Hiện tại,đâylà vấn đềnghiên
cứucịn mớitại ViệtNam.
Thêm một đóng góp mới của luận án, đó là việc phát triển và tùy biến các qui trìnhđo
lườngđiệnhóađượcthựchiệntrongmộtbìnhđiệnhóathunhỏsửdụngcảmbiếnsinh học khơng đánh dấu nhằm phát
hiện các phần tử sinh học: DNA và virusNewcastle.
Ngồi ra, việc làm chủ cơng nghệ chế tạo cảm biến điện hóa ba điện cực
theophương pháp planar với chất lượng tương đương sản phẩm thương mại hiện nay
cũnglàmộttrongnhữngđóng gópthuyếtphụccủaluận án.
Bốcục củaluậnán:
Luậnánđượctrìnhbàytrong103trang(khơngkểphầnmụclụcvàdanhmụccáctàiliệutham
khảo).Cấutrúc củaluậnán gồm:
Mởđầu
1. Tổngquan
2. Nghiên cứu chếtạocảmbiếnDNAđiện hóatrêncơsởdâynanopolypyrrole
3. Nghiên cứu chếtạocảmbiếnDNAđiện hóatíchhợphệvilưu
4. Nghiêncứuchếtạocảmbiếnmiễndịchđiệnhóatíchhợpbìnhphảnứngminiứng
dụngtrongpháthiệnvirusNewcastle
Kết luận
Cáck ế t q u ả c h í n h c ủ a l u ậ n á n đ ã đ ư ợ c c ô n g b ố t r o n g 0 9 c ơ n g t r ì n h k h o a h ọ c , tron
gđócó02bàibáođượcđăngtrêntạpchíchunngànhquốctếISI,04bàibáo


đượcđăngtrêntạpchíchunngànhtrongnướcvà03báocáotạicáchộinghịtrongnướcvàquốctế.


1. TỔNGQUAN
1.1. Cảmbiến sinhhọcđiện hóa
1.1.2.2Kháiniệmcảmbiến sinhhọcvà cảmbiến sinhhọcđiệnhóa
Hiệp hội quốc tế về hóa học ứng dụng – IUPAC (International Union of Pure
andApplied Chemistry) năm 1999 đã định nghĩa: Cảm biến sinh học (biosensor) là
mộtthiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thơng tin phân tích định lượng hoặc bán
địnhlượng đặc trưng, bao gồm một phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp
trựctiếp với một phần tử chuyển đổi tín hiệu (transducer). Chất được gắn trên bộ
phậnchuyển đổi được gọi là “phần tử dò/phần tử nhận biết sinh học”, chất cần phân
tíchtrong mẫu được gọi là “phần tử đích”. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học
làdựa trên các phản ứng đặc hiệu: kháng nguyên- kháng thể (cảm biến miễn dịch),
laihóa DNA (cảm biến DNA) hoặc enzym- cơ chất (cảm biến enzym)… Trên cơ sở
cácphảnứngđặchiệunày,
phầntửnhậnbiếts i n h học
giữ vai trị dị tìm
đốitượngđíchtrongmẫuphântí
chvàphầntửchuyểnđổigiữva
itrịchuyển đổi tương tác
sinhhọcthànhtínhiệuđiệnhóa,
quang,nhiệt…sauđó đưa qua bộ
phận
xử
lýtínhiệuvàhiểnthịkếtquảđo,hì
nh1.3.
Hình1.3:Ngun lýhoạtđộng củacảmbiếnsinhhọc

Có nhiều dạng chuyển đổi tín hiệu như chuyển đổi điện hóa, chuyển đổi
quang,chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ
vicơ… Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở chuyển đổi theo nguyên lý điện hóa
cónhiều khả năng ứng dụng trong phân tích các đối tượng y sinh. Nguyên lý hoạt

độngcủa cảm biến sinh học điện hóa là chuyển các tín hiệu của phản ứng sinh hóa
giữaphần tử nhận biết sinh học và phần tử đích trong dung dịch điện ly thành các tín
hiệuđượcnhậnbiếtbởikỹthuậtđiệnhóa.
1.1.2.4Tiếp cậnpháttriển cảmbiến sinhhọcđiện hóa
Đối với việc tiếp cận phát triển cảm biến sinh học điện hóa, các vấn đề được đặt
racóthểlà:
Việc lựa chọn, thiết kế và chế tạo điện cực cho cảm biến sinh học điện hóa có
ýnghĩa quyết định tới độ nhạy, chi phí của phép phân tích và khả năng tương thích
vớicác quy trình cố định. Các điện cực được sử dụng cho phát triển cảm biến sinh
họcđiện hóa thường là các kim loại quý như Pt,vàng và một vài dạng của cacbon
baogồm sợi cacbon,graphit epoxi,graphene hoặc cacbon thủy tinh…Việc lựa chọn,
thiếtkếvàchếtạođiệncựcphụthuộcvàonănglựccủađộingũnghiêncứuvàđiềukiệncơ
sởvậtchấtkỹthuậtcủa phòngsạch.


Vấn đề thứ hai được quan tâm nghiên cứu là nhằm mục đích tối ưu hóa quy trìnhcố
định phần tử cảm nhận sinh học (DNA hoặc kháng nguyên/kháng thể…) trên bềmặt
của cảm biến. Để nâng cao hiệu quả cố định phần tử cảm nhận sinh học, bề mặtcảm
biến cần được biến tính nhằm tạo ra những nhóm chức có khả năng hình thànhcác liên
kết cộng hóa trị, liên kết hyđrơ, hoặc các liên kết yếu Van der
Waals...Cónhiềuphươngphápđểbiếntínhbềmặtcảmbiến,mộttrongnhữngphươngph
ápđólà sử dụng vật liệu polime dẫn. Trong các vật liệu polime dẫn, PPy thường được
lựachọnlàmlớpvậtliệutrung giangiữabềmặtcảmbiếnvàbộchuyểnđổivìpolime d
ẫnPPy đápứngđượcnhữngucầusau:1)bámdínhtốtvớibềmặtbộchuyểnđổi;
2) có độ tương thích sinh học cao, không làm thay đổi cấu trúc và biến tính các phần tử
cảm nhận sinh học; và 3) có khả năng truyền tải thông tin tốt từ tương tác sinh
họcxuốngbộchuyểnđổi.
Vấnđềthứbacũngđangthuhútđượcsựquantâmcủanhiềunhàkhoahọctrênthế giới là
nghiêncứuthiếtkế,chếtạovàtíchhợphệvilưu,vibìnhphảnứ n g v ớ i cảm biến sinh học điện hóa nhằm thu
nhỏ hệ thống phân tích, giảm lượng mẫu tiêuthụ, đồng thời nâng cao tỉ lệ tín

hiệu/nhiễu của phép đo. Sự kết hợp giữa cảm biếnsinh học điện hóa và hệ vi lưu được
coi là một bước đệm để tiến tới chế tạo các bộ viphân tích điện hóa cầm tay, giữ vai trị
quan trọng trong việc thực hiện các nhiệm vụphântích lưu động.Tuynhiên,hiệntại,vấn
đềnàycịntương đốimới tại Việt Nam.
Vấnđ ề t h ứ t ư đ ư ợ c t ậ p t r u n g h ư ớ n g đ ế n l à n g h i ê n c ứ u x â y d ự n g q u i t r ì n h
đ o lườngđiệnhóanhằmpháthiệncácthànhphầnsinhhọc(phầntửđích)trongmẫuphân tích, trên cơ sở đó phát triển
các
thiết
bị
điện
hóa
phù
hợp
phục
vụ
cho
việc
đolường,phântíchđiệnhóasửdụngcảmbiếnsinhhọc.
Để giải quyết được những vấn đề nêu trên, địi hỏi yếu tố liên ngành ở các
nhómnghiênc ứ u : h ó a h ọ c , v ậ t l ý , đ i ệ n t ử , s i n h h ọ c , k h o a h ọ c v ậ t l i ệ u . . . T r ê n
t h ế g i ớ i , những nhóm nghiên cứu liên ngành đang là xu hướng được ưu tiên trong nghiên
cứu,phátt r i ể n v à c h ế t ạ o h ệ đ o đ i ệ n h ó a s ử d ụ n g c ả m b i ế n m i ễ n d ị c h h o ặ c c ả m
b i ế n DNA.
1.2. Biếntínhbềmặtcảmbiếnsinhhọcđiệnhóasửdụng dây nano polypyrrole
CảmbiếnDNAđiệnhóahoạt độngdựa trênkết quả khảosát nhữngthayđổi vềđặctínhđiệnhóa
khixuấthiệnsựlaihóađặchiệugiữacácchuỗiDNAdịvàDNAđích.Khi nồng độ chuỗi DNA rất nhỏ, tương tác
giữa hai chuỗi DNA chỉ làm thay đổi mộtphần rất nhỏ tín hiệu điện hóa trên bề mặt
của màng sinh học (nơi gắn kết DNA dị),vì vậy hiệu quả trùn tải thơng tin điện hóa
từ bề mặt cảm biến đến bộ chuyển đổiquyết định độ nhạy của cảm biến DNA. Trong
đó,

kỹ
thuật
cố
định
DNA
dị
lên
trênbềm ặ t c ả m bi ến l à m ộ t y ế u t ố q u a n t r ọ n g g ó p p h ầ n c ả i t h i ệ n t ỷ l ệ t í n h i ệ u / n h i
ễ u . HiệntạichưacókỹthuậtổnđịnhđểcốđịnhtrựctiếpchuỗiDNAdịlêntrênbềmặtcủa điện cực kim loại. Nói cách
khác, người ta thường phải biến tính bề mặt điện cựcbằng cách sử dụng một lớp vật
liệu trung gian giữa bề mặt cảm biến và chuỗi DNA.Lớp vật liệu trung gian này cần
đáp ứng những yêu cầu sau: 1) bám dính tốt với cả bềmặtbộchuyểnđổivàsợiD N A ; 2 ) c ó
đ ộ t ư ơ n g t h í c h s i n h h ọ c , k h ô n g l à m t h a y đ ổ i cấu trúc và biến
tính sợi DNA; và 3) làm tăng hiệu quả quá trình truyền tải thông tintừ tương tác sinh
học xuống bộ chuyển đổi. Vật liệu polime dẫn, như polypyrrole(PPy),
polythiophenevàpolyanilin thường được lựa chọn trong chếtạocảmbiếnsinh


họcđiệnhóa,vớivaitrịlàmlớpvậtliệutrunggiangiữacảmbiếnvàbộchuyểnđổivì vật liệu
polimedẫnnàyđápứngđủbaucầukểtrên,dođógópphầnlàmtăngđộnhạy,độchínhxác,độổnđịnhcủacảmbiếnsinhhọc.Trong
các vật liệu polime dẫn,PPy được nhận định là thích hợp ứng dụng trong cảm biến sinh
học điện hóa nhờ khảnăng tạo ra cấu trúc nano với diện tích bề mặt lớn, khả năng tạo
liên kết tốt với đốitượng sinh học, khả năng biến tính để điều khiển độ dẫn,do đó góp
phần cải thiện tỷlệ tín hiệu/nhiễu, nâng cao độ nhạy, độ ổn định của cảm biến sinh học.
Đối
với
việcpháthiệncácphầntửsinhhọctạimơitrườngpHtựnhiêncủacơthểđộngvật,PPycóưu
điểm hơn so với polythiophene và polyaniline do vật liệu này được tổng hợp
từmonomet ại m ô i tr ườ ng pH trungtí nh .Bê n cạ nh đó, PPycũngt hể hi ệnnhữngđặc
tínhnhưđộbềncao,dễ tổnghợpvàđộdẫntốt.

Khả năng ứng dụng vật liệu polime dẫn nói chung và PPy nói riêng trong chế
tạocảm biến sinh học điện hóa với vai trị làm lớp vật liệu trung gian giữa bề mặt
bộchuyển đổi và thành phần cảm nhận sinh học đã được chứng minh qua nhiều
cơngtrìnhcơngbốquốctế.Tuynhiên,chođếnthờiđiểmhiệntại,trongnhiềucơngtrình
đãcơngbố,vậtliệupolimedẫnPPychủyếuđượctổnghợpvớicấutrúchoasúplơ(màng PPy). Số lượng các cơng trình
cơng
bố
quốc
tế
liên
quan
đến
việc
tổng
hợp
vàứngdụngvậtliệuPPycấutrúcdâynanotrongchếtạocảm biếnsinhhọcđiệnhóav
ẫncịnhạnchế.Trongluậnánnày,vậtliệupolimedẫnPPyvớicấutrúcdâynanosẽđượctổnghợptạichínhxácmộtvịtrímongmuốn(WE)
bằngkỹthuậtđiệnhóasửdụng gelatin làm “khn mềm” định hướng cho sự phát triển dây nano.
So sánh vớivật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vật liệu PPy cấu trúc dây nano với diện
tích
bề
mặtriênglớnhơnsẽgiúpnângcaohiệuquảcốđịnhcácphầntửcảmnhậnsinhhọclênbề
mặt cảm biến, góp phầnc ả i t h i ệ n t ỷ l ệ t í n h i ệ u / n h i ễ u , n â n g c a o đ ộ
n h ạ y , đ ộ ổ n địnhcủacảmbiếnsinhhọc.
1.4. Tíchhợpcảmbiến sinhhọcđiệnhóavàbìnhphảnứngmini
Việc tích hợp cảm biến điện hóa và hệ vi lưu, vi bình phản ứng nhằm thu nhỏ
hệthống phân tích, giảm thể tích mẫu tiêu thụ là xu hướng đang thu hút được sự
quantâm của nhiều nhóm nghiên cứu trên thế giới. Tuy nhiên, hiện tại, vấn đề này
còntương đối mới tại Việt Nam. Bên cạnh đó, trong các cơng trình cơng bố quốc tế,
cảmbiến điện hóa tích hợp hệ vi lưu đã được ứng dụng để định lượng thuốc, sự thay

đổihìnhd ạ n g t ế b à o , ki m l oại n ặ n g , v àg l u co se tr ong d u n g d ị c h . Tuy n hi ên , hi ệnn
ay, trênthếgiới,sốlượngcơngtrìnhcơngbốliênquanđếnviệctổnghợpcácvậtliệucấutrúcnanobêntronghệtíchhợpvẫncịnrấthạnchế.
Trongluậnánnày,việctíchhợpcảm biến sinh học điện hóa và hệ vi lưu, tiếp sau đó là qui trình
tổng hợp vật liệu cấutrúc nano bên trong vi bình phản ứng nhằm mục đích biến tính bề
mặt cảm biến sẽđược tập trung hướng đến. Việc tích hợp cảm biến sinh học điện hóa
với vi bình phảnứng trong phát hiện các phần tử sinh học (DNA hoặc kháng ngun/kháng
thể…)đượccholàkhơngnhữngsẽgiúpthunhỏhệthốngphântích,giảmlượngmẫutiê
uthụmàcịn góp phần nâng cao tỉ lệ tín hiệu/nhiễu, cải thiện độc h í n h x á c c ủ a
h ệ thống.
1.5. Kỹthuậtđiệnhóa trong nhậnbiếtcácthànhphầnsinhhọc
Trong các kỹ thuật điện hóa ứng dụng trong nhận biết các phần tử sinh học
(DNA,khángnguyên/kháng t hể) ,m ỗi k ỹ thuậtđềuc ó nhữ ng ư u đi ểmr iêng. Ư u đi ể
m của


phương pháp EIS (phương pháp phổ tổng trở điện hóa) là trong suốt quá trình đo chỉcần
đưa một điện áp kích thích nhỏ vào hệ nên hoạt tính của các thành phần sinh họckhông
bị ảnh hưởng và hệ vẫn được giữ ở trạng thái cân bằng. Hơn nữa phương phápEIS có
độ ổn định cao, cho phép phân tích khơng chỉ tồn bộ q trình mà cả các
giaiđoạnriêngrẽ,diễnrađồngthờihoặcsongsongtronghệnghiêncứu.Ưuđiểmcủ
a
phươngphá pđovisailàcóthểloaibỏsựnhiêucủ amơitrườ ng,dođóchokếtquả
đo chính xác ngay cả khi tín hiệu đo nhỏ hoặc bị nhiễu bởi các nguồn nhiễu khác.
Ưuđiểm của phương pháp CV (phương pháp quét thế vòng) là do phương pháp này
đượcsửdụngrộngrãitrongphântíchđiệnhóanóichungnêncácthiếtbịđiệnhóađượcsửdụng cho phép đo CV là phổ
biến. Hơn nữa, khi mục tiêu xa hơn được hướng đến lànghiên cứu thiết kế, chế tạo bộ
vi phân tích điện hóa ứng dụng trong y sinh (sự kếthợp của đầu đo tích hợp, vi bình
phản ứng và thiết bị điện hóa cầm tay) thì phươngpháp CV là một lựa chọn phù hợp,
khả thi trong việc thiết kế, chế tạo mạch đo chothiết bị điện hóa cầm tay. Trên cơ sở
đó, trong luận án này, cả ba kỹ thuật điện hóatrên sẽ được lựa chọn tùy thuộc vào từng

nội
dung
nghiên
cứu
cụ
thể
và
điều
kiện
cơsởvậtchấtkỹthuậttrongtừnggiaiđoạnnghiêncứu.

2. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢMB I Ế N D N A
T R Ê N C Ơ SỞDÂYNANO POLYPYRROLE

ĐIỆN

HÓA

2.1. Mởđầu
Trongn ộ i d u n g n g h i ê n c ứ u n à y , l u ậ n á n s ẽ h ư ớ n g đ ế n v i ệ c n g h i ê n c ứ u c h ế t ạ o
cảmbiếnDNAđiệnhóatrêncơsởdâynanopolypyrrole.Cáckỹthuậtđiệnhóađượcthực hiện trong một hệ đo mở sẽ
được tập trung nghiên cứu, các phép đo điện hóakhơng sử dụng các điện cực thương
mại mà trên cơ sở các điện cực tự thiết kế và pháttriển,vậtliệuthểmềmPPycấutrúcdâynanosẽđượcchếtạo
nhằmbiếntínhbềmặtcảm biến, giúp nâng cao hiệu quả cố định thành phần cảm nhận sinh học
lên
bề
mặtcảmbiến,DNAđượclựachọnlàmđốitượngđovìDNAcóđộbền,độổnđịnhcaovàdễ
đặtmua.
2.2. Thựcnghiệm
2.2.1. Hóa chất

Bảng2.1Trìnhtự chuỗiđơn DNA
Thiol-C6-5’-AGACCTCCAGTCTCCATGGTACGTC-3’
Chuỗiđầudị(probe):
Chuỗiđích(target):
5’-GACGTACCATGGAGACTGGAGGTCT-3’
Chuỗi đích khơngkết cặp:
5’-ACGCTGAGTACGGGTGCAAGAGTCA-3’

2.2.2. Điệncực tíchhợp
Hệ hai điện cực Pt tích hợp bao gồmđiện
cực làm việc với diện tích 0,8 mm 2vàđiện
cựcđối vớidiệntích5 mm2,hình 2.1.
Hình 2.1:(A): quy trình chế tạo rút gọn;
(B):điệncựcdùng làmcảm biến

2.2.3. Tổnghợpdây nanoPPy sửdụng kỹthuậtđiệnhóa


Quát r ì n h t ổ n g h ợ p d â y n a n o P P y đ ư ợ c t h ự c h i ệ n t r ê n h ệ đ i ệ n h ó a A u t o
L a b PGSTAT12,EcoChemie,HàLan.BìnhđiệnhóasửdụngđiệncựcPttíchhợp(bao


gồm điện cực làm việc và điện cực đối) và điện cực so sánh Ag/AgCl trong dung
dịchKClbãohịa.DâynanoPPyđượctổnghợptrongmơitrườngtrungtính,pH=7,4vớivai trị của đệm muối phốt
phát
(PBS).
Dung
dịch
điện
li

được
pha
chế
gồm:
monomepyrrole,g e l a t i n 0 , 0 8 % v ề k h ố i l ư ợ n g , L i C l O 40 , 1 M v à đ ệ m P B S . D â y n
a n o P P y đượctổnghợptrựctiếplênđiệncựcPt(WE)nhờkỹthuậtđiệnhóa:á p đ i ệ n t h ế không đổi 0,75V
lên điện cực làm việc và đo dòng phản hồi I theo thời gian, gelatinđược sử dụng với
vai trị làm khn mềm định hướng cho sự phát triển của dây nanoPPy.
2.2.4. CốđịnhDNAdò trênđiệncựcPt-PPyNWs
Chuỗi đơn DNA dò được cố định trực tiếp lên bề mặt màng cấu tạo bởi các dâynano
PPy bằng phương pháp hấp phụ. 10 μl dung dịch DNA dò nồng độ 10 μM đượcnhỏl dung dịch DNA dò nồng độ 10 μl dung dịch DNA dò nồng độ 10 μM đượcnhỏM đượcnhỏ
đều, phủ lên điện cực Pt-PPy NWs trong 2 giờ. Sau đó điện cực được rửa sạchnhiều
lần bằng nước khử ion nhằm loại bỏ các sợi DNA dị khơng liên kết hoặc liênkết yếu
với dây nano PPy. Cuối cùng, cảm biến được làm khô tự nhiên và bảo quản ở4 oC.
2.2.5. Đặctrưng phổtổng trởcủađiệncựcPt-PPyNWs-DNAdò
Đặc trưng phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWs-DNA dò tại các nồng độ
DNAđíchkhácnhauđượckhảosátsửdụnghệđiệnhóaAutoLabPGSTAT12,E c o Chemie,Hà
Lan.Dịngxoaychiềuđặtvàocóbiên độEac= 10mV,tần sốbiến thiênf
= 0,1 Hz đến 104Hz, điện áp một chiều không đổi Edc= 0,25 V so với Ag/AgCl trongdung
dịchKClbãohòa.
2.3. Kếtquảvà thảoluận
2.3.1. Tổng hợpdây nano PPy trênđiệncựcPt
2.3.1.3. Ảnhhưởng của gelatin–khuônnanotrong chếtạo dâypolyme
Khi khơng sử dụng gelatin, PPy được hình thành trên bề mặt điện cực Pt với cấutrúc
hoa súp lơ (cauliflower). Để khắc phục hiện tượng này, gelatin được sử dụng vớivai trị
như khn mềm trong q trình polime hóa, kết quả là PPy xuất hiện trên bềmặt điện
cực Pt với cấu trúc dây nano, đường kính dây khoảng 65 nm đến 105
nm,chiềud à i d â y c ỡ m i c r o m e t .
KíchthướcdâynanoPPytổng
hợp

được
là
đồng
đều,đườngkínhđồngđềudọcthe
o chiều dài của dây và dâynano
phân bố tương đối đềutrên bề mặt
điệncực.
Hình 2.7: ẢnhSo
FE-SEM
hợp trong pyrrole 0,1 M, LiClO4 0,1 M, PBS và:(a) 0 %wt gelatin; (b): 0,08 %wt gela
sánhcủa
vớiPPy
vậtđược
liệutổng
PPycấu
trúc hoa súp lơ, vật
liệuPPycấutrúcdâynanovớiđặct í
n h d i ệ n t í c h b ề m ặ t
riênglớn được cho là sẽ thuận lợihơncho quá trình cốđịnh trực tiếpD N A d ò
l ê n cảm biếnDNA nhờ sự tạo thành liên kết giữa gốc amin trên dây nanoP P y v à
g ố c phốt phát của DNA. Mối liên kết trực tiếp này cùng với khả năng truyền dẫn điện
tửtốt của dâynano PPyđược cholàgópphầncảithiệnđộ nhạycủacảmbiến DNA.
2.3.1.4. Ảnhhưởng của nồngđộmonomepyrrole


Khi nồng độ ban đầu của Py là 0,15 M, PPy được hình thành trên bề mặt điện cực Pt
với cấu trúc hoa súp lơ (cauliflower), hình 2.9c. Với mục đích tổng hợp dây
nanoPPyt r ê n đ i ệ n c ự c P t , p h ả n ứ n g p o l i m e
hóa cần được thực hiện trong điều
kiệnnồng độ Py ban đầu thấp hơn. Khi

nồngđộ ban đầu của Py là 0,1 M, dây
nanoPPy có kích thước đồng đều hơn và
phânbốđồngđềuhơntrênbềmặtcảmbiến,hình 2.9b, so
với khi nồng độ ban đầucủa Py là 0,05 M,
hình 2.9a. Với kíchthước đồng đều và sự
phân bố đồng đềucủa dây nano PPy trên
bề mặt cảm biến,quá trình cố định phần tử
cảm nhận sinhhọc
lên
trên
dây của
nano
Hình 2.9:
Ảnh
FE-SEM
PPyPPy
được tổng hợp trong LiClO4 0,1 M, PBS, 0,08 %wt gelatin và Py: (a):
sẽ thuận lợihơn,
nồng
độ Py
0.15 vì
M. vậy
Thời giá
gian trị
tổng
hợp PPy
là 300 s.
ban đầu0,1 M được lựa chọn trong các
quy trìnhtổng hợp dây nano PPy định
hướng

ứngdụng
trong
chếtạo
cảmbiếnsinhhọc.
2.3.1.5. Thờigianpolimehóa
Khi thời gian phản ứng là 150 giây, dây nano PPy bắt đầu hình thành trên bề
mặtđiệncực P t , hình2 .1 0a . Khit hờ i gianphảnứ ngl à 200 giây,một sốdây nanoPP
ypháttriểndàithêm,tuynhiên,mộtsốdâynanoPPyvẫnởtrạngtháinhưkhibắtđầuhình thành, hình 2.10b. Khi tăng
thời gian phản ứng lên 300 giây, dây nano PPy tiếptục phát triển dài thêm với kích
thước
khá
đồng
đều,
đường
kính
dây
khoảng
65
nmđến1 0 5 n m , c h i ề u d à i d â y c ỡ m i c r o m e t
và dây phân bố đồng đều trên bề mặt
điệncựcPt,hình2.10c.Tuynhiên,khitiếptụctăngthờigianphảnứng
lên
400
giây,
dodâynanoPPypháttriểnquádài,hiệntượng chồng
chậpcácdâynanoxuấthiệndẫn đến sự phân bố không
đồng đều củadây nano trên bề mặt điện cực
Pt, hình2.10d. Như vậy, thời gian polime
hóa 300giâylàphùhợpđốivớinghiêncứunàyvìvớisựpháttriển
ổn định, kích thước đồngđềuvàsựphânbốđồngđềucủa

dây nano
PPy trên bề mặt điện cực, quá trình cốđịnh
Hình 2.10:Ảnh FE-SEM của PPy được
phần tử cảm nhận sinh học lên trêncảm
tổnghợptrongLiClO40,1 M, PBS, 0,08
%wtgelatin
và Py 0,1 M: (a): 150 s; (b):
biến sẽ thuận lợi hơn. Việc có
200 s;(c):300s;(d): 400s
thểkhốngchếđượcthời gianphảnứng (trong
nghiên cứu này là 300 giây) là một trong những ưu điểm của phương pháp tổng
hợpđiện hóa nhằm tạo ra các sản phẩm mong muốn (trong nghiên cứu này là dây
nanoPPy).
2.3.1.6. Phổ FT-IR


Hai pic tại 1378 cm-1và 1561 cm-1lần lượt đặc trưng cho liên kết C-H trong cấutrúc
quinoid [79] và liên kết C=C trong cấu trúc aromatic [34] của PPy. Pic tại 1464cm -1đặc
trưng cho dao động đối xứng của vòng PPy. Thêm vào đó, dao động của liênkếtCNvàliênkếtN-HtrongcấutrúcPPycũngđượcghinhậntạicácpic791cm -1
[131]v à 3 3 7 5 c m -1.S ự
cóm ặ t c ủ a g
PO43
ốc
đượcxácđịnhbởic á c pic10
45cm-1và2375cm1
.Cácpictại1682cm
1
và2923cm-1đặctrưng cho
gelatin và pictại9 6 3 c m 1
đặct r ư n g

cho nhóm
.
ClO4 Kết
quảphântíchphổFTIRchothấy,dâynanoP P y đã
Hình 2.11:Phổ FT-IR của dây nano PPy được tổng hợp
đượchìnhthànhtrên
trongLiClO40,1 M, PBS, 0,08 %wt gelatin vàPy0,1 M
điệncực Pt( WE). Bên
cạnh dây nano PPy, xuất hiện thêm các sản phẩm phụ như gelatin, photphat vàpeclorat.
Các hợp chất này được cho là các chất pha tạp, dùng để biến tính dây nanoPPy thu
được. Polime dẫn biến tính được nhận định là có độ dẫn điện cao hơn so vớipolime
dẫn thuần [53,118] và đặc tính này phù hợp với định hướng ứng dụng dâynano PPy
trong cảm biến sinh học với vai trị làm lớp vật liệu trung gian tăng
cườnghiệuquảtrùn tảitín hiệutừtươngtácsinhhọcđếnbộchuyển đổi.
Tóml ại ,d â y n an o P P y đ ã đ ư ợ c t ổ n g h ợ p t r ự c t i ế p t r ê n đ i ệ n c ự c P t s ử d ụ n g k ỹ th
uậtđiệnhóaphâncựcthếtĩnh,giátrịđiệnthế0,75Vđượcgiữkhơngđổivàgelatinđược sử dụng với vai trị làm khuôn
mềm định hướng cho sự phát triển của dây nanoPPy. Khi nồng độ ban đầu của
monome Py là 0,1 M và thời gian thực hiện phản ứngpolimehóalà300 giây, dây
nanoPPy hình thành trên điện cựcPt vớik í c h t h ư ớ c đồng đều và sự phân bố đồng
đều. So sánh với vật liệu PPy cấu trúc hoa súp lơ, vậtliệu PPy cấu trúc dây nano với
diện tích bề mặt riêng lớn hơn được cho là sẽ giúpnâng cao hiệu quả cố định các phần
tử cảm nhận sinh học lên bề mặt cảm biến, gópphầncải thiện tỷlệtín hiệu/nhiễu,nâng cao
độnhạy,độổn địnhcủacảmbiếnDNA.
2.3.2. Đặc trưng tín hiệu cố định DNA
dịTổngtrởcủacảm
biếnsaukhicốđ ị n h DNAd ò , t ă n g l ê n đ á n
g k ể s o v ớ i t ổ n g t r ở củacảmbiếnkhichỉcódâynano
PPy.
ĐiềunàyđượcgiảithíchlàdocácsợiđơnDNA
dịgắnkếttrựctiếplêndâynanoPPythơngquasự

tạothànhliênkếtgiữagốcphốtphátcủaD N A v
à g ố c a m i n t r ê n d â y nano P P y , dẫnđếnlàm


tănggiátrịđiệntrởc h u y ể n điệntíchvàođiệ
ncựcPtt ừ 23.63KΩđến
Hình 2.13:Phổ tổng trở của điện cực:
(a)Pt-PPyNWs; (b):Pt-PPyNWs-DNAdò


32.01 KΩ,bảng2.2.Kếtquảlàtổngtrởcủa cảmbiếnDNAtănglên.
So sánh với các phương pháp cố địnhD N A s ử d ụ n g m à n g P P y
[ 64,80],nhậnthấy, trong luận án này, kỹ thuật cố định trực tiếp DNA lên cảm biến sinh
học với bềmặt được chức năng hóa bằng dây nano polypyrrole là đơn giản, thuận tiện
và chohiệu quả tốt. Màng cấu trúc bởi các dây nano polypyrrole đóng vai trị điện cực
đượccố định DNA dị lên bề mặt của nó thơng qua mối liên kết trực tiếp giữa nhóm
phốtphát của DNA và nhóm amino của polypyrrole.Đ ồ n g t h ờ i , d â y n a n o
p o l y p y r r o l e đóng vai trị tăng cường khả năng trùn tải tín hiệu từ sự lai
hóaD N A
dị
D N A đíchđ ế n b ộ c h u y ể n đ ổ i s i n h h ọ c , n h ờ đ ó , đ ộ n h ạ y c ủ a c ả m b i ế n s i n h h ọ c c ó
t r i ể n vọngđượccảithiện.
2.3.3. Đặctrưng tínhiệulai hóa DNAdị-DNAđích
Nhận thấy, phổ tổng trở trong mặt phẳng phức bao gồm một bán cung ở vùng tầnsố
cao đặc trưng cho q trình chuyển điện tích và một phần tuyến tính ở vùng tần
sốthấpđặctrưngchosựchuyểnkhối.
Tổng trở của cảm biến khi có
DNAđích trong dung dịch điện li,
hình2.14b-h,tănglênđángkểsovớitổng
trở của cảm biến khi khơng cóDNA đích, hình

2.14a. Các chuỗiDNA chứa các
nhóm photphat tíchđiện âm, trong khi
đó, PPy là chấtbán dẫn loại p với hạt
tải là các lỗtrống. Khi có DNA đích
trong
dungdịchđiệnli,hiệntượnglaih ó a DN
A diễn ra trên bề mặt dây
nanoPPyd ẫ n đ ế n l à m g i ả m m ậ t đ ộ h
ạt
tải của PPy, do đó làm giảm độ
Hình 2.14:Phổ tổng trở của điện cực Pt-PPy NWsdẫnvà làm tăng tổng trở của cảm
DNAdị tại cácnồng độ DNAđích khácnhau
biến.Từsựthayđổiphổtổngtrở,cót
hể
nhậnthấy,tạinồngđộDNAđíchlà10pMtínhiệuđiệnhóađượctạorabởisựlaihóa
DNA đã được thiết bị đo thu nhận và hiển thị. Tín hiệu này càng thể hiện rõ (cógiátrịlớnhơn)
khitiếptụctăngnồngđộDNAđích.
Đường phổ tổng trở Zimvs. Zrethực nghiệm có thể được mơ phỏng bằng một mạchđiện
tươngđươngtrongđómỗiphầntửcủamạchđạidiệnchomộttínhchấtđiệncủahệđ i ệ n h ó a . M ạ c h t ư ơ n g đ ư ơ n g
Randles,thườngđượcsửd ụ n g đ ể mơp
hỏnghệ
điệnhóatrongdungdịch
điệnli,gồmcácthànhphầnsau:
(1) điện trở dung dịchRdd;(2)
Hình 2.15:Mơ hình mạch tương đương
trởkhángWarburgZW;
Randlesđượcsửdụng trong luậnán
(3)điệnd u n g lớpk é p C lk;và( 4 ) đ i ệ
ntrởchuyển



điện tích Rct. Trong mơ hình mạch tương đương Randles, phần tử pha Q CPEcó thểđược
sử dụng để hiệu chỉnh và thay thế cho phần tử điện dung lớp kép C lk, hình
2.15.Điềunàyđượcgiảithíchlàdotrênthựctế,trongmộthệđiệnhóakhócóthểtồntại


mộttụđiệnlýtưởngvìđặctínhkhơngđồngnhấtvàđộgồghềcủavậtliệutrênbềmặt
điệncực.
Mốiquan hệgiữatrởkháng Z(ω))vàQCPEđượcbiểudiễntheophươngtrình[15]:
Z

1
QCP (j)n

(2.1)

E

trongđó,ω)=2πfflàtầnsốgóc,flàtầnsố,nlàhệsốCPE,ncógiátrịtrongkhoảngtừ0đến1vàgi
átrịcủanđặctrưngchotínhkhơngđồngnhấtvàđộgồghềcủabềmặtđiệncực[64].Tươ
ngứngvớicácgiátrịn=1,0và0,5,Q CPElầnlượtđạidiệnchomộttụ điệnlýtưởng,mộtđiện
trởthuầnhaymộtthànhphầnWarburg[123].
Bảng2.2Cácthơngsố trởkháng mơphỏngtheomạchtương đươngRandles

Bềmặtđiệncực

Rs(Ω)

Rct(KΩ)


QCPE(μl dung dịch DNA dị nồng độ 10 μM đượcnhỏ F)

n

χ2(x10-3)

PPyNWs

317

23.63

1.19

0.82

2.84

PPyNWs/DNAdị/DNAđích
0pM

295.3

32.01

0.74

0.90

2.43


10pM

282.1

32.25

0.78

0.90

1.75

100pM

269.6

32.33

0.76

0.90

2.23

1nM

256.4

32.40


0.85

0.89

1.71

10nM

219.3

32.57

0.92

0.89

1.71

100nM

214.4

34.66

0.92

0.89

1.63


300nM

207.6

36.24

0.92

0.89

1.62

500nM

202.6

36.39

0.93

0.89

2.13

Trong luận án này, n nhận giá trị từ 0,82 đến 0,90, chứng tỏ sự hiện diện của
QCPEtrong mơ hình mạch tương đương Randles là cần thiết. Kết quả này cũng phù hợp
vớinhữngkếtquảcóđượckhiphântíchhìnhtháibềmặtcủacảmbiếnđượcchứcnănghóa bởi dây nano PPy. Giá trị
nhỏ của χ2(chuẩn χ bình phương)cho thấy trongkhoảng nồng độ DNA đích từ 10 pM đến
500 nM, việc sử dụng mơ hình Randles trênđểmơphỏngtổngtrởcủahệlàhợplývàkếtquảthuđượcsaumơ

phỏnglàđángtincậy.
2.4. Kếtluận
Một trong những đóng góp mới của luận án là việc tổng hợp được vật liệu
polimedẫn PPy cấu trúc dây nano tại chính xác một vị trí mong muốn (WE) sử dụng kỹ
thuậtđiệnhóa,khắc phục được tình trạngtạothànhPPycấu trúchoa súplơ.
Dây nano PPy được tổng hợp trực tiếp trên điện cực Pt sử dụng kỹ thuật điện
hóaphân cực thế tĩnh, điện thế 0,75V được giữ không đổi và gelatin được sử dụng với
vaitrịlàmkhnmềmđịnhhướngchosựpháttriểncủadâynanoPPy.KhinồngđộbanđầucủamonomePylà0,1Mvàthờigianthựchiện
phản
ứng
polime
hóa
là
300
giây,dâynano P P y hì nh t h à n h t r ê n đ i ệ n c ự c P t v ớ i k í c h t h ư ớ c đ ồ n g đ ề u v à s ự p h â n b
ố đồngđều.
ChuỗiđơnDNAdịđượccốđịnhtrựctiếptrênbềmặtcảmbiếnsinhhọctrêncơsở dây nano
PPy. Hiện tượng lai hóa DNA được khảo sát sử dụng phương pháp phổtổng
trởđiệnhóa.CảmbiếnDNAcógiớihạnpháthiện10pMtại25oC.


3. NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN DNA ĐIỆN HĨA
TÍCHHỢPHỆVILƯU

3.1. Mởđầu
Phát triển từ các kết quả đã đạt được trong nội dung nghiên cứu 1 với các phép
đođiện hóa được thực hiện trong hệ đo mở, trong nội dung nghiên cứu 2, mục đích
tíchhợp cảm biến DNA điện hóa với một bình phản ứng kích thước nhỏ có khả năng
ghépnối với mạch đo nhằm thu nhỏ hệ thống phân tích, đồng thời nâng cao tỷ lệ
tínhiệu/nhiễus ẽ đ ư ợ c t ậ p t r u n g h ư ớ n g đ ế n . V i ệ c t h u n h ỏ b ì n h p h ả n ứ n g , g i ả m l ư ợ

n g mẫutiêuthụcóýnghĩarấtquantrọngtrongphântíchysinhvìcácmẫuphântíchcóthểlàmẫumáu,vikhuẩn,virus…
Cũngtrongnộidungnghiêncứu2,dâynanoPPysẽđượctổnghợpbêntrongvibìnhphảnứngnhằmbiếntínhbề
mặt cảm biến (đã tíchhợp với hệ vi lưu) thay vì tổng hợp trong hệ mở như nội dung nghiên cứu 1. Cấu
trúcdâynanocủaPPyvàhệbađiệncựctíchhợpvớivibìnhphảnứngđượchivọngsẽ
cải thiện các đặc tính của cảm biến sinh học điện hóa, đồng thời giu ṕ thu
nhỏh ê thốngphântich.
́
3.2. Thựcnghiệm
3.2.2. Hệba điệncựctích hợp kếtnốivớibìnhphảnứng mini
Chếtạohệbađiện cực tíchhợp:
HệbađiệncựcPttíchhợpbaogồm WEvớidiệntích0,8mm2,CEvớidiệntích5mm2và điệncực
sosánhthaythế.

Hình3.1:(a):mặt nạchochếtạohệbađiệncựctíchhợp; (b):mặtnạchochếtạokhuônSU-8

Chếtạo hệvi lưutrêncơsởvật liệuPDMS:
KhuônS U - 8 đ ư ợ c c h ế t ạ o s ử d ụ n g k ỹ t h u ậ t q u a n g k h ắ c , h ì n h 3 . 3 . P h i ế n S U 8
đượcdu ǹ gla m
̀ khuônđểc hế taoca ć vikênhPDMS(polydimethylsiloxane).Khuôn
SU-8đ ư ơ c c ố đ i ṇ hv a ò m ô t đ i a n h ư a
petri.T i ề n c h ấ t p o l i m e P D M S v a ̀c h
ấ t đóngrắn(curingagent)(theotỷl ê1̣ 0:1
vềthểti ć h)đươctrônđềuvàr ótvaò đia.
Sauđo ,́ hỗn hợpt r ên đư ơ c xư ̉l y ́t r o n g
binhh
u t́ c h â n k h ô n g đ ể l o a i b o ̉h o a ǹ
̀
toaǹ cać botkhívàs ẽđóngrắnsau2giờ
Hình3.3:Quytrinhchếtao
khnSU-8

gianhiêttai70oC.Ć icù ng,phiêń
PDMSđươclơtrakhoỉ khn,cắtthaǹ htừngvikênhriêngbiêṭ,khoanlỗvàluồn
dâyđểtaođầuvaò vàđ ầu rachomỗivikênh.
Gắnkết vikênhvàđiện cực:
Phươngp h a ṕ g ắ n k ế t p l a s m a o x y : Đ i ệ n c ự c s a u k h i đ ư ơ c x ư ̉l y ́b ề m ă t b ă
̀ng
phươngpháphoás ẽđượcgắnkếtvớivikênhPDMStrongbuồngplasmaoxi(10Pa,


20W,20s).Sựgắnkếtgiưã vikênhPDMSvađ̀ iêncưcđượccun̉ gcốbằngcáchgia


nhiêṭtrong15phútở70oC,sauđógiả mnhiêṭđợvềnhiệtđộphịng.
3.2.3. TổnghợpdâynanoPPytrongbinhviphan
̉ ứng
DâynanoPPyđượctổnghợptrongvibinhpha
n̉ ứngsửdụngkỹthuậtđiệnhóaphâncựcthếtĩnh(P
̀
S-Potentiostatic):điện thếphâncực khơng đổi là0 ,5 V trongthời
gianphả nứnglà1200giâyvàqué tthếvò ngtuầ nhoà n:điêná ptừ0đêń
0,6V,6
vò ng,tố cđộqué t25mV/s.Cácb ướcxửlýbềmặtđ iệncựcvàphachếdungdịchđiệnliđược
thực hiệntươngtựnhưđãtrìnhbàytrongphần2.2.3.
3.2.4. CốđịnhDNAdị trênđiệncựcPt-PPyNWs
Quy trình cố định DNA dò lên điện cực Pt-PPy NWs được thực hiện tương tự nhưđã
trình bày trong phần 2.2.4. Tuy nhiên, vì hệ điện cực Pt tích hợp đã được gắn kếtvới vi
kênh PDMS nên dung dịch DNA dò cần được bơm vaò vi bình phan̉ ưń g
thayvìthựchiệnviệcnhỏphủ trựctiếplênbềmặtđiệncực làmviệc (WE).
3.2.5. Phat́ hiêntín hiêulaihoaD
́ NAsưd

̉ ungLock-inAmplifier
Tínhiệudòngxoaychiềuvơí tầnsố10kHzvàbiênđộ100mVtưǹ guồnphátđiện của thiết bi ̣Lock-in
AmplifierSR830đượcđặtvàohaiđiệncựcgiốngnhautíchhợptrong các bình vi phản ứng. Trong đó, bề mặt
của
một
điện
cực
được
cố
địnhDNAdò/PPyNWs(đo ń gvaitròđiệncựclàmviệc)vàbềmặtcủađiệncựccònlại
đượcbiếntínhchỉvớiPPyNWs(đóngvaitròđ iên cưcsosánh).

Hình3.6:Hệđovi saisửdungLock-in AmplifierSR830 DSP

Khi4µldungdic ̣hDNAđić h(chuỗibơs̉ ung)đượcbơmvàobiǹ hviphảnưń g,
hiêntươnglaihoa ́D N A se ̃d iên ratrênbề m ă t điệncựclàmviệc(đa ̃đ ươc cốđịnh
DNAdị),dẫnđếnsựthayđổiđiêntichcu
̣
̉amaǹ gdân,dođólàmchủndichtín
́
hiệu đầu ra. Tín hiệu đầu ra từ điện cực làm việc và điện cực so sánh của cảm biến
điqua hai điện trở 1 k, được thu thập trên kênh A và kênh B của Lock-in, sau đó
sẽđượcxửlývàhiển thị kết quảtrên maý tiń h.
3.3. Kếtquảvat̀ hảoluâṇ
3.3.1. Kếtquac̉ hêt́ aohệvikênhtíchhơpvơí điêncưc
Hình 3.7 mơ tả hệ vi kênh PDMS tích hợp với
điệncực.Kíchthướccủa chip là 12x15mm.
Thểtíchcủavibình phảnứngđượctính theocơng thức:
V=a. b.h
Trongđó:

a là chiều rộng của kênh, a = 3,5 mm = 3500
Hình 3.7:Cảm biến ba
µmblàchiềudài của kênh,b=5mm=5000 µm
điệncựctíchhợpsửdụngPRE
h là chiềucao củakênh,h =260µm
Pttrongbình phảnứng mini.