Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đạc và phân tách các phân tử sinh học đặc hiệu - protein-ADN

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC03 BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI/DỰ ÁN NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÁCH CÁC PHÂN TỬ SINH

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC03

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI/DỰ ÁN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÁCH

CÁC PHÂN TỬ SINH HỌC ĐẶC HIỆU - Protein/ADN

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

CHƯƠNG TRÌNH KHCN CẤP NHÀ NƯỚC KC03

BÁO CÁO TỔNG HỢP

KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI/DỰ ÁN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO HỆ THỐNG ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÁCH

CÁC PHÂN TỬ SINH HỌC ĐẶC HIỆU - Protein/ADN

MÃ SỐ: KC.03.TN10/11-15

Chủ nhiệm đề tài/dự án Cơ quan chủ trì đề tài/dự án

(ký tên) (ký tên và đóng dấu)

TS Cao Xuân Hữu PGS.TS Lê Kim Hùng

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

(ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ)

TS Nguyễn Chỉ Sáng TS Nguyễn Thiện Thành

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

I THÔNG TIN CHUNG

Tên đề tài/dự án: Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đạc và phân tách các

phân tử sinh học đặc hiệu – protein/ADN

Họ và tên: Cao Xuân Hữu

Ngày, tháng, năm sinh: 06-09-1978 Nam/ Nữ: Nam

Học hàm, học vị: Tiến sĩ

Chức danh khoa học: Chức vụ Điện thoại: Tổ chức: 0511.3735112 Mobile: 0934348189

Fax: E-mail: cxhuu@dut.udn.vn

Tên tổ chức đang công tác: Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng

Địa chỉ tổ chức: 54 Nguyễn Lương Bằng, TP Đà Nẵng

Địa chỉ nhà riêng: P.203, CC Hòa Thuận, Q Hải Châu, TP Đà Nẵng

E-mail: hcth.dhbk@dut.udn.vn

Website: http://dut.edu.vn/

Địa chỉ: 54 Nguyễn Lương Bằng, TP Đà Nẵng

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: PGS.TS Lê Kim Hùng

Số tài khoản: 3711.1.1055688

tại Kho Bạc Nhà nước Quận Liên Chiểu

Tên cơ quan chủ quản đề tài: Bộ Khoa học và Công nghệ

c) Kết quả sử dụng kinh phí theo các khoản chi:

- Lý do thay đổi (nếu có):

Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện đề tài/dự án:

(Liệt kê các quyết định, văn bản của cơ quan quản lý từ công đoạn xác định nhiệm vụ, xét chọn,

phê duyệt kinh phí, hợp đồng, điều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì đề tài, dự án (đơn, kiến nghị điều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban

hành văn bản Tên văn bản

Ghi chú

1 1643/QĐ-BKHCN ngày

8/6/2011

Quyết định v/v phê duyệt Danh mục đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ tiềm năng thuộc lĩnh vực Công nghệ Cơ khí

và Tự động hóa để xét chọn thực hiện năm 2011

Biên bản họp Hội đồng xét chọn đề tài

4 3855/QĐ-BKHCN ngày Quyết định v/v phê duyệt kinh phí đề tài

13 Công văn điều chỉnh nội

4 Tổ chức phối hợp thực hiện đề tài, dự án:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

Daejeon, Hàn Quốc

Hỗ trợ nghiên cứu về

nguyên lý đo đạc, nguyên

lý mô phỏng

từ trường, hệ thống cơ khí chính xác

Nguyên lý đo đạc, Kết quả

mô phỏng,

Mô hình hệ thống cơ khí chính xác

Hỗ trợ phương pháp thiết kế phần

tử nhạy

Không

- Lý do thay đổi (nếu có):

5 Cá nhân tham gia thực hiện đề tài, dự án:

(Người tham gia thực hiện đề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Nội dung tham gia chính

Sản phẩm chủ yếu đạt được

Ghi chú*

1 TS Cao Xuân

Hữu

TS Cao Xuân Hữu

Quản lý chung, thực hiện, Các Nội dung 2, 4, 5.1, 5.2, 5.4, 6.1, 6.3, 8

Theo đăng

ký trong Thuyết minh

Chủ nhiệm

2 TS Đặng Đức

Long

TS Đặng Đức Long

Nội dung 1.2, 1.3, 1.4

Theo đăng

ký trong Thuyết minh

Kiêm thư ký

3 TS Nguyễn

Hoàng Hải

ThS Nguyễn Thị Minh Xuân

Nội dung 1.4 Theo đăng

ký trong

Thuyết minh

4 TS Phạm Văn

Tuấn

TS Phạm Văn Tuấn

Nội dung 3.1 Theo đăng

ký trong Thuyết minh

5 ThS Nguyễn

Trung Kiên

ThS Nguyễn Trung Kiên

Nội dung 3.2 Theo đăng

ký trong Thuyết minh

6 ThS Ngô Thái

Bích Vân

ThS Ngô Thái Bích Vân

Nội dung 1.1 Theo đăng

ký trong Thuyết minh

7 KS Nguyễn

Thế Nghĩa

KS Nguyễn Thế Nghĩa

Nội dung 5.3, 5.5, 6.2

Theo đăng

ký trong Thuyết minh

Son

KS Vũ Vân Thanh

Nội dung 3.3 Theo đăng

ký trong Thuyết minh

Kim Thảo

Nội dung 7 Theo đăng

ký trong Thuyết minh

- Lý do thay đổi ( nếu có): TS Nguyễn Hoàng Hải – Trường ĐHQG Hà Nội do bận công tác nên không thể tham gia đề tài GS.TS Derac Son – Trường Đại học Hannam, Daejeon, Hàn Quốc chỉ tham gia hướng dẫn

ĐHKHTN-từ xa nên xin rút tên khỏi danh sách tham gia thực hiện

1 Nội dung: Tìm kiếm đối tác

hợp tác và hỗ trợ Học hỏi

kinh nghiệm chế tạo hệ thống

đo đạc và phân tách các phân

tử sinh học đặc hiệu –

protein/ADN

Nội dung: Tìm kiếm đối tác hợp tác và hỗ trợ Học hỏi kinh nghiệm chế tạo hệ thống đo đạc

và phân tách các phân tử sinh học đặc hiệu – protein/ADN

Đạt yêu cầu đề ra

Số đoàn: 01

Số người đi công tác: 01

- Lý do thay đổi (nếu có):

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

(Nội dung, thời gian, kinh

phí, địa điểm ) Ghi chú*

1 Nghiên cứu hệ thống đo đạc

- Lý do thay đổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, điều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

Người,

cơ quan thực hiện

1 Nội dung 1: Nghiên cứu quy

03/2012 – 08/2012

ThS Ngô Thái Bích Vân

- Khảo sát và thu thập các loại

hóa chất và dung dịch sinh hóa

(có chứa protein hoặc ADN,

kháng thể, kháng nguyên) có

đặc điểm phù hợp yêu cầu đo

đạc và phân tách

01/2012 – 02/2012

05/2012

03/2012-TS Đặng Đức Long

- Tiến hành nghiên cứu lý

01/2012 – 06/2012

TS Đặng Đức Long

- Tiến hành nghiên cứu thực

nghiệm quy trình gắn kết

04/2012 – 05/2012

03/2012- 08/2012

TS Đặng Đức Long, ThS Nguyễn T.M Xuân

2 Nội dung 2: Sử dụng phần tử

nhạy từ trường thích hợp

(GMR, GMI), nghiên cứu

nguyên tắc hoạt động của bộ

05/2012-03/2012 – 06/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Nghiên cứu nguyên tắc hoạt

động của bộ cảm biến

06/2012

05/2012-03/2012 – 06/2012

TS Cao Xuân Hữu

3 Nội dung 3: Nghiên cứu thiết

kế và chế tạo hệ thống điện tử

cho bộ thu nhận và xử lý tín

hiệu

- Nghiên cứu mạch điện tử bắt

đầu từ khối tín hiệu analog đến

khối tín hiệu digital

08/2012

05/2012-04/2012 – 07/2012

TS Phạm Văn Tuấn

- Thiết kế sơ đồ mạch điện sử

dụng phần mềm thiết kế ảo và

tối ưu hóa thiết kế

06/2012 – 08/2012

05/2012 – 07/2012

ThS Nguyễn Trung Kiên

- Thiết kế layout mạch, đặt in

mạch lên PCB

Thanh

4 Nội dung 4: Nghiên cứu thiết

kế và chế tạo sensor đo từ

trường

- Thiết kế sensor sử dụng các

phần tử nhạy đã thiết lập

05/2012 – 06/2012

03/2012 – 07/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Chế tạo sensor sử dụng các

phần tử nhạy đã thiết lập

07/2012

06/2012-03/2012 – 07/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Kiểm tra, thử nghiệm và đánh

giá sensor

08/2012

07/2012-TS Cao Xuân Hữu

5 Nội dung 5: Nghiên cứu thiết

kế và chế tạo hệ nam châm

điện tạo từ trường ngoài tối

ưu, có thể điều chỉnh được,

tương thích với nhiều hệ hoạt

chất sinh học

06/2012

05/2012 – 06/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Thiết kế cấu hình nam châm

điện

05/2012 – 06/2012

03/2012 – 06/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Sử dụng phần mềm, chạy mô

phỏng từ trường tạo ra để tiến

hành tối ưu hóa cấu hình

05/2012 – 06/2012

06/2012 – 08/2012

KS Nguyễn Thế Nghĩa

07/2012

03/2012 – 07/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Thiết kế và chế tạo hệ thống

quét tín hiệu hỗ trợ cảm biến đo

đạc

06/2012 – 07/2012

06/2012 – 08/2012

KS Nguyễn Thế Nghĩa

6 Nội dung 6: Khảo sát kết quả

đo đạc tín hiệu, đánh giá về độ

nhạy, độ chính xác và độ bền

trong điều kiện đo đạc thực tế

của bộ cảm biến từ sinh học

được tạo ra

- Đặt mua dung dịch chuẩn hóa

Tiến hành bước chuẩn hóa tín

hiệu

07/2012 – 08/2012

07/2012 – 11/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Tiến hành đo đạc hàm lượng

các hỗn hợp đã được đánh dấu

08/2012 08/2012 –

12/2012

KS Phạm Thị Kim Thảo

7 Nội dung 7: Tiến hành quá

11/2012 – 12/2012

ThS Nguyễn Thị Minh Xuân

8 Nội dung 8: Khảo sát và đánh

giá hiệu suất phân tách Viết

báo cáo tổng hợp

- Khảo sát và đánh giá hiệu suất

phân tách

09/2012 – 10/2012

11/2012 – 12/2012

TS Cao Xuân Hữu

- Lý do thay đổi (nếu có): Hệ thống đo đạc mới được nghiên cứu thiết kế và chế tạo nên cần nhiều thời gian điều chỉnh và chuẩn hóa trước khi có thể tiến hanh đo đạc thực tế Đó là lý do mà các nội dung từ 6 đến 8 đã hoàn thành muộn hơn so với dự kiến

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA ĐỀ TÀI, DỰ ÁN

1 Sản phẩm KH&CN đã tạo ra:

Đo được nồng

độ cỡ nM với sai

số ≤ 10% và phân tách với hiệu suất đạt ≥ 90%

Đặc điểm Sản phẩm Dạng I: 01 hệ thống đo đạc và phân tách hoàn chỉnh ở mức phòng thí nghiệm sử dụng sensor từ-sinh học Hệ thống này có khả năng thực hiện các phép đo hàm lượng hoạt chất sinh học rất nhỏ, từ vài chục nM trở lên với sai số ≤ 10% và phân tách hàm lượng đó với hiệu suất đạt

từ 90 đến 100%

- Lý do thay đổi (nếu có):

So với đăng ký trong Thuyết minh đề tài, hệ thống đo đạc chỉ sử dụng một loại sensor (thay cho hai loại sensor đăng ký, bao gồm sensor GMR và sensor GMI) với sự hỗ trợ chế tạo từ 1 cơ quan ngoài nước (PTN Biosensor – Hàn Quốc) Lý do thay đổi là loại sensor sử dụng vật liệu GMI có cấu hình phức tạp và có dải đo từ trường từ 10 A/m trở lên nên không thể áp dụng thực

tế cho đo đạc từ trường cảm ứng rất nhỏ của các hạt nano từ (< 10 A/m)

Hệ thống phân tách các phần tử sinh học ra khỏi dung dịch sử dụng hệ các nam châm vĩnh cửu thay cho nam châm điện trong Thuyết minh Lý do là

hệ nam châm vĩnh cửu có kích thước gọn nhẹ nhưng lại có cường độ mạnh nên phù hợp hơn với lượng mẫu nhỏ của các hệ mẫu sinh học sử dụng không gian nhỏ của bình chứa mẫu Ngược lại, hệ nam châm điện tạo ra từ trường yếu lại khá cồng kềnh nên khó tích hợp với lượng mẫu nhỏ của các hệ sinh học

Ổn định, có khả năng lặp lại ở các PTN khác

01 quy trình

Đặc điểm Sản phẩm Dạng II: Quy trình gắn kết hóa sinh được thực hiện theo một trình tự cụ thể, bao gồm các bước tiến hành từ khâu chuẩn bị hóa chất, nguyên vật liệu (hạt nano từ) cho tới khâu kiểm tra đánh giá kết quả Các lưu ý trong quá trình thực hiện cũng được trình bày để đảm bảo cơ sở khoa học cho khả năng lặp lại hoàn toàn tại các phòng thí nghiệm khác

- Lý do thay đổi (nếu có): không

Số lượng, nơi công bố

(Tạp chí, nhà

xuất bản)

1 01 bài báo đăng trên tạp

chí trong nước trình bày

nội dung đề tài và kết quả

đạt được

Theo chuẩn Quốc tế (bài báo tiếng Anh)

Theo chuẩn Quốc tế (bài báo tiếng Anh)

01 bài báo Journal of Science and Technology – University of Danang, 2012,

số 12 (61) tr 40-46

2 01 báo cáo Hội nghị Sơ

kết công tác triển khai các

KC.03/11-15,

Hà Nội 21/12/2012, tr 38-44

Đặc điểm Sản phẩm Dạng III: Nội dung bài báo trình bày về kết quả đạt được của nghiên cứu này kèm theo các kết luận khoa học để đưa ra hướng nghiên cứu có thể thực hiện tiếp theo

- Lý do thay đổi (nếu có): không

d) Kết quả đào tạo: không

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

- Lý do thay đổi (nếu có):

đ) Tình hình đăng ký bảo hộ quyền sở hữu công nghiệp, quyền đối với giống cây trồng:

mô tả sáng chế)

Gửi Cục Sở hữu trí tuệ Việt Nam,

2012

- Lý do thay đổi (nếu có):

2 Đánh giá về hiệu quả do đề tài, dự án mang lại:

a) Hiệu quả về khoa học và công nghệ:

Đề tài là bước đi đầu tiên của lộ trình nghiên cứu chế tạo thiết bị y sinh trong nước phục vụ đo đạc hàm lượng các phân tử sinh học, như protein, ADN, virut hoặc tế bào, trong đó sử dụng hạt nano từ làm tác nhân đo đạc Không dừng lại ở việc ứng dụng hạt nano từ vào đo đạc hàm lượng sinh học,

đề tài đã thực hiện việc đề xuất và thử nghiệm một phương pháp đo đạc mới (đã đăng ký sáng chế) cho tín hiệu từ tính của các hạt nano từ với những ưu điểm rõ rệt, khắc phục đa số các nhược điểm của các phương pháp hiện tại

Tình hình nghiên cứu chung trên thế giới ở lĩnh vực y sinh trong thời

nghiên cứu hoặc xét nghiệm sinh học với vai trò là tác nhân thu nhận và đo đạc khi chúng được gắn kết theo một liên kết đặc hiệu với các phân tử sinh học cần xác định như protein, ADN, virut hoặc tế bào [1] Ở các phương pháp như ELISA [2], thu nhận lượng tử, hay sử dụng mảng kích thước micromet [3], trị số đo ở lối ra của bộ chuyển đổi được xác định dựa trên tín hiệu đo màu sắc hoặc tín hiệu phát quang của mẫu Vì thế, mức độ hấp thụ quang học hoặc khả năng tự phát quang nội tại của rất nhiều mẫu sinh học sẽ tạo ra giới hạn cho các phép đo này Tương tự như vậy, các cảm biến sinh học sử dụng dây nano [4], ống các-bon [5], cần nâng micro [6], hay cảm biến điện hóa [7] lại dựa vào các tương tác điện tử giữa protein hoặc ADN với cảm biến Điều này làm giảm mức độ tin cậy của các phép đo khi tiến hành với các dung dịch

có độ pH hoặc nồng độ ion biến đổi Phương pháp xác định hàm lượng các phân tử sinh học thông qua việc sử dụng các hạt nano từ làm tác nhân khuếch đại và đo đạc thông qua từ trường cảm ứng của chúng hoàn toàn có thể khắc phục được các nhược điểm nêu trên Khác với các phương pháp kể trên, đối tượng đo là các phân tử sinh học, như protein, ADN, hay tế bào, không có yếu

tố vật lý làm sai khác kết quả đo, cụ thể hơn là các phân tử sinh học này không sinh ra từ trường cảm ứng ảnh hưởng tới từ trường cảm ứng của các hạt từ mà chúng gắn kết trên đó khi cả hệ mẫu đo được đặt trong trường từ hóa mạnh Ngoài ra, phương pháp sử dụng hạt từ như vậy còn làm tăng độ nhạy của phép đo Theo Fishbein và các cộng sự [8], độ nhạy trong các phép

đo nhờ sử dụng các hạt từ làm tác nhân có thể được nâng lên tới hàng ngàn lần, đồng thời thời gian tiến hành đo đạc gần như tức thời, ngắn hơn nhiều lần

so với phương pháp truyền thống như ELISA Thêm vào đó, công nghệ chế tạo các phần tử cảm biến tương đối phức tạp, đồng thời cũng cần chi phí vận hành lớn (như ở phương pháp sử dụng mảng các phần tử cảm biến chế tạo theo công nghệ MEMS hoặc NEMS), hoặc thời gian đo lâu và độ nhạy chưa cao (như phương pháp ELISA) So với những ưu và khuyết điểm ở các

phương pháp đã đề cập, phương pháp đo từ đề xuất trong nghiên cứu này đã

kế thừa những ưu điểm của các phương pháp trước đó, như khả năng tương thích cao với rất nhiều hệ sinh học, độ nhạy cao, đồng thời phát triển được những đặc điểm vượt trội khác, như có công nghệ chế tạo phần tử nhạy đơn giản hơn, phương thức vận hành đơn giản hơn, thời gian đo đạc nhanh và ít sai số hơn

Do phương pháp đo trong nghiên cứu này mới được tìm hiểu và áp dụng nên cần nhiều thời gian hơn để thử nghiệm và đánh giá Kết quả ban đầu của các phép đo hàm lượng sinh học cho thấy độ nhạy của kỹ thuật đo này tương đương với độ nhạy của phương pháp ELISA khi được so sánh trên cùng một đối tượng đo Việc tối ưu hóa trong thiết kế hệ thống cơ khí, hệ thống xử lý tín hiệu, và các điều kiện đo đạc phù hợp, sẽ làm cho kết quả tốt hơn, đặc biệt là nâng cao độ nhạy của phép đo từ 10 đến 1000 lần độ nhạy của các phương pháp truyền thống

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

Các sản phẩm Dạng I và II của đề tài hoàn toàn có thể được nghiên cứu phát triển ở bước tiếp theo, sau đó sản phẩm Dạng I có thể được nghiên cứu triển khai và sản xuất thử nghiệm ở mức độ cao hơn và với quy mô lớn hơn Đặc điểm quan trọng mà kết quả nghiên cứu của đề tài này mang lại chính là

ở tính thích ứng cao của nó với rất nhiều hệ sinh học khác nhau và tính kinh tế trong chi phí chế tạo Với các đặc tính cốt lõi này, kết quả đề tài hứa hẹn khả năng hiện thực hóa lộ trình chế tạo thiết bị đo kiểm ứng dụng trong lĩnh vực y sinh Theo đó, sản phẩm của đề tài có thể được mở rộng ứng dụng trong các trường hợp như: phát hiện virut, phân tách virut ra khỏi môi trường nhiễm bệnh; đánh dấu, phân tách hoặc làm sạch chọn lọc tế bào, protein, ADN; phát hiện ung thư phổi, ung thư tuyến tiền liệt; kiểm tra theo dõi nhiễm độc máu;

khó có thể phát hiện bằng các phương pháp khác [9] Ngoài ra, đối với phản ứng PCR trong sinh học nhằm khuếch đại ADN, phương pháp sử dụng hạt nano từ tính để đánh dấu và phân tách của đề tài này sẽ giúp làm giàu hàm lượng ADN ban đầu [10] Thêm vào đó, kết quả đề tài có thể được nghiên cứu phát triển và ứng dụng trong trường hợp phát hiện ký sinh trùng sốt rét trong máu bằng cách đo từ tính của ký sinh trung đánh dấu [11] hoặc đánh dấu các

tế bào hồng cầu bằng chất lỏng từ tính [12] rồi tách chúng ra khỏi dung dịch

Do đặc thù của phương pháp nên các ứng dụng này được thực hiện bên ngoài

cơ thể người dưới dạng phân tích định tính và định lượng các yếu tố bệnh lý trước và trong quá trình điều trị bệnh

Hiện tại, các phần tử nhạy (đầu thu) với độ nhạy siêu cao ứng dụng cho nghiên cứu y sinh vẫn cần tới sự hỗ trợ từ các cơ sở nước ngoài (đặt mua hoặc

hỗ trợ chế tạo) do ở thời điểm hiện tại chúng ta chưa có đủ điều kiện để nghiên cứu sản xuất dựa trên những công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) hoặc nano cơ điện tử (NEMS) tiên tiến Tuy nhiên, theo tiến trình hiện đại hóa kỹ thuật và công nghệ, đặc biệt là công nghệ vi cơ, khi mặt bằng công nghệ của Việt Nam tiến ngang bằng với công nghệ thế giới thì việc nghiên cứu tối ưu hóa về chất lượng, tính năng, kích thước, mẫu mã và giá thành là hoàn toàn có thể thực thi tại Việt Nam ở thời điểm đó Quá trình này sẽ cho ra đời những sản phẩm thương mại có ứng dụng phổ biến phục vụ chăm sóc sức khỏe và chữa trị bệnh cho cộng đồng Với đặc điểm kỹ thuật trong nước như vậy, ở thời điểm hiện tại, việc chế tạo phần tử cảm biến GMR có thể đặt hàng chế tạo ở các Phòng thí nghiệm nước ngoài, hoặc đặt hàng qua các công ty chế tạo sensor GMR (như NVE Ltd.) Các thành phần cơ khí khác còn lại của hệ thống đo đạc và phân tách hoàn toàn có thể được chế tạo trong nước Hơn nữa, hạt nano từ cũng được chế tạo hoàn toàn trong nước do chúng ta đã làm chủ được công nghệ chế tạo này từ gần một thập niên trở lại đây

3 Tình hình thực hiện chế độ báo cáo, kiểm tra của đề tài, dự án:

Số

Thời gian thực hiện

Ghi chú

(Tóm tắt kết quả, kết luận chính, người chủ trì…)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI

“Nghiên cứu chế tạo hệ thống đo đạc và phân tách các phân tử sinh học đặc hiệu – protein/ADN”

Mã số đề tài: KC.03.TN10/11-15

Chủ nhiệm đề tài: TS Cao Xuân Hữu

Tổ chức chủ trì đề tài: Trường Đại học Bách Khoa -

Đại học Đà Nẵng

gần đây 39  1.1.2   Các cảm biến sinh học 43  1.2   Tình hình phát triển khoa học kỹ thuật y sinh trong nước 49   1.2.1   Tại các cơ sở đào tạo và nghiên cứu 49  1.2.2   Tại các cơ sở y tế 51 

Chương 2 HẠT NANO TỪ - ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC 52  2.1   Hạt nano từ và phương pháp chế tạo 52   2.1.1   Hạt nano từ trong y sinh 52  2.1.2   Các phương pháp chế tạo 54  2.1.3   Các phương pháp bọc CHHBM cho hạt nano từ 59  2.2   Ứng dụng của hạt nano từ 66   2.2.1   Phân tách và chọn lọc tế bào, protein, ADN 66  2.2.2   Dẫn truyền thuốc 69  2.2.3   Đốt nhiệt từ 70  2.2.4   Tăng độ tương phản cho ảnh cộng hưởng từ 72  2.3   Tổng hợp hai loại hạt nano sắt từ phục vụ đề tài 73   2.3.1   Quy trình chế tạo 73  2.3.2   Khảo sát các thuộc tính của các hạt nano đã được tổng hợp 76  2.3.3   Các bước tiến hành hoạt hóa bề mặt của hạt nano sắt từ 82 

Chương 3 PHƯƠNG PHÁP THĂM DÒ, ĐO ĐẠC HÀM LƯỢNG KHÁNG NGUYÊN KHÁNG THỂ 83  3.1   Các phương pháp truyền thống 83   3.2   Phương pháp sử dụng tác nhân vật lý 83   3.2.1 Nguyên tắc chung 83

3.2.2   Sử dụng hạt nano từ làm chất mang sinh học 86  3.2.3   Quy trình cố định enzyme lên bề mặt hạt nano từ trong đề tài 87 

Chương 4 NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÁCH CÁC PHÂN

TỬ SINH HỌC 90  4.1   Phương pháp thu nhận tín hiệu cảm ứng tạo bởi các hạt nano từ trong từ trường ngoài 90   4.1.1   Hạt nano từ dưới tác động của từ trường ngoài 90  4.1.2   Phương pháp thu nhận và đo đạc tín hiệu từ tính 91  4.2   Nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến từ sinh học 93   4.2.1   Nguyên lý chung của bộ cảm biến từ sinh học 93  4.2.2   Nguyên lý đo đạc của bộ cảm biến từ trong đề tài 99  4.3   Nghiên cứu thiết kế và chế tạo bộ cảm biến 103   4.3.1   Nghiên cứu chế tạo phần tử nhạy từ trường sử dụng vật liệu GMR 103  4.3.2   Đặt hàng chế tạo phần tử nhạy theo công nghệ vi cơ 108  4.3.3   Thiết kế và chế tạo sensor sử dụng các phần tử nhạy đã thiết lập .111  4.3.4   Kiểm tra thử nghiệm và đánh giá sensor 114  4.4   Hệ thống điện tử xử lý tín hiệu 116   4.4.1   Nhiễu trên thành phần mạch điện 116  4.4.2   Thiết kế khối tiền xử lý tín hiệu 118  4.4.3   Thiết kế sơ đồ mạch điện sử dụng phần mềm và tối ưu hóa thiết kế 123  4.5   Hệ thống từ trường 125   4.5.1   Hệ thống từ trường từ hóa các hạt nano 125  4.5.2   Hệ thống từ trường hiệu dịch 127  4.6   Hệ thống quét tín hiệu hỗ trợ sensor đo đạc 135   4.6.1   Yêu cầu chung của hệ thống quét tín hiệu 135  4.6.2   Thiết kế và chế tạo 136  4.7   Bộ phận phân tách các phân tử hoạt chất đã đánh dấu 140   4.7.1   Khái quát tình hình nghiên cứu liên quan nội dung nghiên cứu 140  4.7.2   Phân tách lượng hoạt chất đã đánh dấu 142 

Chương 5 KẾT QUẢ ĐO ĐẠC VÀ PHÂN TÁCH 148  5.1   Đo đạc đánh giá kết quả của các phép đo của bộ cảm biến 148   5.1.1   Kiểm chứng sự giao thoa từ trường của đối tượng đo 148  5.1.2   Dung dịch chuẩn hóa 150  5.1.3   Đường chuẩn và đặc trưng tuyến tính 152 

5.1.4   Độ nhạy, độ phân giải và độ chính xác của sensor 157  5.1.5   Nhiễu tín hiệu của sensor 160  5.2   Phân tách và đánh giá hiệu suất phân tách 162   5.2.1   Phân tách 162  5.2.2   Hiệu suất phân tách 164 

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 166 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 169 

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu/ Viết

ADC Analog-Digital Converter Chuyển đổi tương tự sang số

AF Antiferromagnetic Phản sắt từ

AMR Anisotropy Magneto-resistance Từ trở dị hướng

APS Aminopropylsilyl Amino-propylsilyl

BJT Bipolar Junction Transistor Transistor chuyển tiếp lưỡng

cực

assay

Phương pháp hấp thụ miễn dịch liên kết với enzyme EMI Electromagnetic Interferance Giao thoa điện từ

Ký hiệu/ Viết

FM Ferromagnetic/Ferrimagnetic Sắt từ/Ferri từ

peroxidase

JFET Junction-gate Field Effect

MOSFET Metal-Oxided Semiconductor

Field Effect Transistor Transistor trường MOSFET MRI Magnetic Resonance Imaging Thiết bị chụp cộng hưởng từ

PBS Phosphate buffer solution Dung dịch đệm phốt phát

PCR Polymerase Chain Reaction Kỹ thuật phản ứng nhân bản

Ký hiệu/ Viết

SEM Scanning Electron Microscopy Hiển vi điện tử quét

Computed Tomography

Chụp X-ray cắt lớp sử dụng phát xạ photon đơn

Integrated Circuit Emphasis (phần mềm mô phỏng) SPICE

Interference Device

Thiết bị giao thoa lượng tử siêu dẫn

VCO Voltage Control Oscillator Bộ giao động chỉnh thế

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 5.1 Các mẫu kiểm tra với các nồng độ kháng nguyên khác nhau .151 

Bảng 5.2 Các mẫu hạt nano từ (không gắn PTSH) để xác định đường chuẩn 153 

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Các thành phần của bộ cảm biến sinh học .44  Hình 2.1 Ảnh TEM cho thấy các hạt nano từ kích thước ~ 10 nm bám trên hạt SiO 2 lớn 53   Hình 2.2 Cấu trúc spinel của Fe 3 O 4 53   Hình 2.3 Các bước chế tạo hạt nano từ theo phương pháp vi nhũ tương .56   Hình 2.4 Sự hình thành và phát triển của lỗ hổng trong lòng chất lỏng dưới tác dụng của

sóng siêu âm Sau nhiều chu kì phát triển lỗ hổng không thể hấp thụ năng lượng sóng siêu âm được nữa nên bị suy sụp rất nhanh tạo thành các điểm nóng 58   Hình 2.5 Hình dạng điển hình của các tiểu cầu có chứa hạt nano .60   Hình 2.6 Lược đồ các phương pháp chế tạo tiểu cầu từ 61   Hình 2.7 Bao bọc hạt nano bằng phương pháp bao bọc từng lớp 62   Hình 2.8 Các tiểu cầu từ (a) tiểu cầu PS (b) tiểu cầu PS bọc Fe 3 O 4 /PAH, tiểu cầu PS bọc

[Fe 3 O 4 /PAH] 4 , tiểu cầu PS bọc [Fe 3 O 4 /PDA] 4 PS = polystyrene, PAH =

poly(allylamine hydrochloride), PDA = poly(diallyldimethylammonium

chloride) .63   Hình 2.9 Silica có hạt nano tạo nên vỏ tiểu cầu rỗng (trái) và tạo nên tiểu cầu đặc (phải).64   Hình 2.10 Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường (a) một nam châm được đặt ở bên ngoài

để hút các tế bào đã được đánh dấu và loại bỏ các tế bào không được đánh dấu (b) Hệ sinh học và nam châm có thể đặt vào một dòng chảy có chứa tế bào cần tách .67   Hình 2.11 Nguyên tắc tách tế bào bằng từ trường sử dụng 4 thanh nam châm phân bố đối

xứng trục để tạo ra một gradient từ trường xuyên tâm 68   Hình 2.12 Nguyên lý dẫn thuốc dùng hạt nano từ tính 70   Hình 2.13 Phương pháp đốt nhiệt từ để tiêu hủy khối u trong cơ thể 1   Hình 2.14 Nghiên cứu thử nghiệm đốt nhiệt từ trên thỏ cho thấy nhiệt độ bên ngoài và

bên trong u bướu (hai đường trên cùng) cao hơn nhiều so với nhiệt độ của những vùng xung quanh (ba đường dưới) .71   Hình 2.15 Ảnh MRI của não chuột để phát hiện tế bào gốc cấy vào trong não a) có sử

dụng các tế bào gốc đánh dấu bởi các hạt nano từ tính, b) sử dụng các tế bào không được đánh dấu .73  

Hình 2.17 Hình ảnh hệ chế tạo hạt nano trong PTN 76   Hình 2.18 Hình ảnh hai loại sản phẩm hạt thu được sau khi chế tạo 77   Hình 2.19 Phổ nhiễu xạ tia X cho mẫu không bọc SiO2 .78   Hình 2.20 Phổ hấp thụ hồng ngoại của 2 loại mẫu hạt thu được đối chiếu với phổ của

SiO 2 79   Hình 2.21 Ảnh hình thái bề mặt chụp bởi Kính hiển vi điên tử quét (SEM): hạt Fe 3 O 4 (a)

và Fe 3 O 4 + SiO 2 (b) 80   Hình 2.22 Ảnh hiển vi điên tử truyền qua – TEM .80   Hình 2.23 Đường cong từ trễ của 2 mẫu hạt đo tại nhiệt độ phòng 81   Hình 3.1.Tính đa tương thích của hạt nano từ khi được bọc lớp CHHBM Các thành phần

tương thích bao gồm: tác nhân hình ảnh, kháng thể đơn dòng, polymer tương thích sinh học, tác nhân thâm nhập tế bào, thuốc, tác nhân nhạy kích thích 86   Hình 3.2 Sơ đồ một số loại liên kết hóa trị có với hạt nano từ .87   Hình 4.1 Mô hình minh họa sự chuyển động của mạch máu trong đó có sự tồn tại của hạt

nano từ tính (a) Các thành phần trong mạch máu có tính chất từ khác nhau: nghịch từ DM, thuận từ PM (b), sắt từ FM và siêu thuận từ SPM (c) .91  

Hình 4.2 Minh họa bản chất siêu thuận từ, (trái) khi nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ hãm TB , và

(phải) khi nhiệt độ cao hơn nhiệt độ hãm TB 92   Hình 4.3 Nguyên lý hoạt động tổng quát của một bộ cảm biến vật lý (a) và của bộ cảm

biến GMR (b) .94   Hình 4.4 Lược đồ mô tả quá trình đánh dấu sử dụng hạt nano từ tính (trích từ [3]) .95   Hình 4.5 Cấu trúc đơn giản miêu tả nguyên tắc hoạt động của một bộ cảm biến từ sinh học

96   Hình 4.6 Hai cấu hình đơn giản của hệ thống đo đạc hàm lượng hoạt chất sinh học đã đánh

dấu (a) sử dụng sensor GMR đặt ngoài dung dịch sinh hóa, (b) sử dụng sensor GMR đặt trong dung dịch sinh hóa .1   Hình 4.7 Đường cong đặc trưng của vật liệu GMR dùng làm cảm biến trong từ trường

tĩnh 1   Hình 4.8 (b)Ảnh chụp SEM cho 1 đầu cảm biến dùng công nghệ MEM; (c) hình ảnh các

hạt nano từ nằm trực tiếp trên bề mặt phẩn tử nhạy 1   Hình 4.9 Mô hình đơn giản hệ thống đo từ trường siêu nhỏ của mẫu chứa các hạt nano từ

sử dụng phương pháp quét tín hiệu .1  

Hình 4.10 Mô hình của các loại màng mỏng GMR (a) đa lớp từ; (b) Spin-valve; (c) MTJ;

(d) màng hợp kim dạng hạt .1   Hình 4.11 Cấu trúc từ đặc trưng của một màng đa lớp GMR 1   Hình 4.12 Cấu trúc từ của màng mỏng GMR a) khi không có từ trường ngoài; b) và c) khi

có từ trường ngoài, các lớp sắt từ có mômen từ tự do sẽ định hướng theo từ trường ngoài, các lớp sắt từ ghim mômen không quay trong từ trường 105   Hình 4.13 Sự phụ thuộc đặc trưng cho vật liệu GMR của điện trở vật liệu màng đa lớp

Fe/Cr vào từ trường ngoài 106   Hình 4.14 Mô hình hai dòng điện của Mott (1936) 106   Hình 4.15 Các mô hình mạch cầu được sử dụng cho chế tạo các đầu cảm biến GMR (a)

Mạch cầu một thành phần; (b) mạch nửa cầu; (c) mạch cầu toàn phần 107   Hình 4.16 Cấu trúc của một màng mỏng từ đa lớp GMR nghiên cứu trong Chuyên đề .1   Hình 4.18 Mặt cắt phần tử nhạy: Cấu trúc các lớp vật liệu trong phần tử nhạy .109   Hình 4.17 Cấu hình chuẩn tắc của phần tử nhạy với cấu trúc mạch cầu cân bằng bao gồm

4 thành phần màng GMR có cấu trúc tương tự nhau, trong đó 2 phần tử đặt trong màn chắn và 2 phần tử tích cực để lộ trong từ trường 1   Hình 4.19 Kích thước phần tử nhạy (die type) sau khi chế tạo, (đơn vị mm) .110   Hình 4.20 Các đường cong đặc tuyến của một màng GMR đã chế tạo xác định tại các

nhiệt độ khác nhau 110   Hình 4.21 Cấu tạo sensor, gồm một PCB mang phần tử nhạy .1  

Hình 4.22 Giá gắn sensor và sensor 112  Hình 4.23 Hình ảnh sensor hoàn chỉnh gắn trên giá 114   Hình 4.24 Sơ đồ mạch xử lý tín hiệu đơn giản sử dụng trong phép vận hành thử sensor 115  

Hình 4.25 Nhiễu chưa tới 0.3µV trên vi mạch khuếch đại AD524 1  Hình 4.26 Sơ đồ khối chức năng của một vòng khóa pha (PLL) gồm khối phát hiện đồng

bộ, một bộ khuếch đại và bộ dao động có tần số biến thiên theo hiệu điện thế .1   Hình 4.27 Sơ đồ mạch lọc tại tần số cắt 10Hz 121   Hình 4.28 Sơ đồ mạch lọc (triệt tần) 50 Hz 122   Hình 4.29 Sử dụng SPICE để đánh giá kết quả của bộ lọc thông giải với giản đồ phía trên

là đáp ứng tần số của mạch và giản đồ dưới là băng thông nhiễu của mạch 1   Hình 4.30 Kết quả mô phỏng từ trường của hệ nam châm vĩnh cửu a) từ trường tạo bởi

mô hình đối xứng; b) từ trường tạo bởi mô hình nửa đối xứng .126  

Hình 4.31 Cấu hình cuộn Helmholtz tròn (a) và đường sức từ mô tả miền từ trường đồng

nhất ở vùng tâm cuộn dây (b) 1   Hình 4.32 Cuộn dây tròn và vuông có cùng giá trị lý thuyết R Trong đó R eff là giá trị hiệu

dụng dùng trong thực nghiệm .1   Hình 4.33 Đường phân bố từ trường dọc theo trục cuộn Helmholtz cho từ trường H 131   Hình 4.34 Hình dạng và kích thước cho 1 cuộn Helmholtz dùng trong mô phỏng 1   Hình 4.35 Thiết kế cặp cuộn nam châm điện theo tính toán và theo mô phỏng 134   Hình 4.36 Hệ thống quét tín hiệu 137   Hình 4.37 Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống 139   Hình 4.38 Hình ảnh sản phẩm thực tế 139   Hình 4.39 Lược đồ Quy trình gắn kết kháng nguyên với hạt nano từ lên màng đế 142   Hình 4.40 Mặt cắt bộ phận phân tách bằng từ trường .144   Hình 4.41 Hình ảnh bộ phận phân tách đã thiết kế chế tạo .145   Hình 5.1 Kết quả đo từ trường cảm ứng cho 4 mẫu có cùng lượng hạt nano ban đầu 150   Hình 5.2 Đường chuẩn cho mẫu hạt nano không có lớp bọc SiO 2 154   Hình 5.3 Đường chuẩn cho mẫu hạt nano có lớp bọc SiO 2 154   Hình 5.4 Lược đồ nguyên tắc đo gián tiếp (1) và trực tiếp (2) .156   Hình 5.5 Hình ảnh kết quả phân tách quan sát bằng mắt thường (a): dung dịch trước khi

phân tách, (b) dung dịch sau khi đặt vào bộ phận phân tách bằng từ trường 163  

MỞ ĐẦU

Trong vài thập kỷ gần đây, một trong những lĩnh vực được ưu tiên hàng đầu là thiết bị y sinh phục vụ chăm sóc sức khỏe con người hiện đang được quan tâm nghiên cứu phát triển trên thế giới và cả ở Việt Nam Nếu một ngày bước chân vào một bệnh viện, chúng ta sẽ thấy được sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật y sinh với những thiết bị kỹ thuật mà trước đây chỉ có thể thấy trong những trang sách tiểu thuyết khoa học viễn tưởng hay trên phim ảnh Tiêu biểu là các thiết bị chẩn đoán như chụp cắt lớp CT, chụp cộng hưởng từ MRI, chụp PET, hay cắt lớp SPECT…, hay thiết bị điều trị như “dao mổ” điện, châm cứu bằng laser (quang châm)… Đó là một số trong

số những thành tựu đạt được trong thời gian gần đây dựa theo định hướng phát triển của y học hiện đại: ứng dụng khoa học kỹ thuật tiến tiến, nhằm giúp con người ngày càng hoàn thiện hơn các thiết bị chẩn đoán, cũng như chữa trị những căn bệnh mà con người mắc phải Trong y sinh, việc phát hiện sớm sự

có mặt của một loại kháng nguyên hay kháng thể nào đó và nồng độ của nó trong một dung dịch sinh hóa cũng là bài toán cấp thiết cho hầu hết các trường hợp chuẩn đoán và khám chữa bệnh của y học hiện đại Điều này làm phát sinh nhu cầu về các loại thiết bị sử dụng các bộ cảm biến (sensor) siêu nhạy và có độ tin cậy cao để phát hiện và đo đạc các phần tử sinh học một cách chính xác Ở lĩnh vực này, có thể nói hai phương pháp ELISA [13] và kỹ thuật phản ứng nhân bản PCR [14] hiện nay đang sử dụng đều có tính ứng dụng cao và phổ biến, tuy nhiên lại có một vài nhược điểm mang tính đặc thù của phương pháp là độ nhạy thấp, khó xác định chính xác hàm lượng kháng thể hoặc kháng nguyên có mặt Hơn thế nữa, các phần tử trong một hệ sinh học không phải lúc nào cũng khỏe mạnh và đồng đều mà có tồn tại một xác suất các phần tử có sai hỏng, bị nhiễm bệnh hoặc không ổn định (các hoạt

chất nào đó, chúng ta cũng cần tiến hành phân tách hoạt chất đó ra khỏi môi trường để phân tích, xử lý riêng biệt hoặc phục vụ các mục đích nghiên cứu khác Đó chính là xuất phát điểm của ý tưởng đề tài nghiên cứu về một hệ thống đo đạc và phân tách các phân tử sinh học đặc hiệu như protein hoặc ADN có mặt trong dung dịch sinh hóa: một hệ thống vừa có khả năng đo đạc hàm lượng hoạt chất với độ nhạy và độ tin cậy cao thay thế cho các phương pháp ELISA hoặc PCR truyền thống, vừa có thể phân tách hiệu quả các phần

tử sinh học cần quan tâm ra khỏi dung dịch chứa chúng Đề tài là bước đi đầu tiên của lộ trình nghiên cứu thiết bị đo đạc và phân tách trên các hệ protein/ADN với mục đích thiết lập một cơ sở vững chắc để về phương pháp luận, nguyên lý hệ thống và thử nghiệm thực tế, để từ đó có thể phát triển ứng dụng mở rộng cho các hệ sinh hóa khác nhau phục vụ y sinh

Tổng quan tình hình nghiên cứu trên thế giới thuộc lĩnh vực của đề tài

cho thấy, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ sinh học, công nghệ vật liệu nano và công nghệ thông tin, ngành công nghệ và kỹ thuật y sinh trên thế giới cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc Nổi trội hơn cả là các công nghệ chế tạo cảm biến sinh học được tập trung cho các lĩnh vực bảo vệ môi trường, an toàn thực phẩm, chăm sóc sức khỏe và các ứng dụng an ninh

Hiện nay, ở hầu hết các cơ sở y tế trên thế giới việc theo dõi các thông

số sinh lý phát hiện bệnh vẫn đang tiếp tục sử dụng các phương pháp truyền thống như ELISA hay PCR nêu trên Đặc biệt là phương pháp ELISA được sử dụng hết sức phổ biến do tính chính xác khá cao của nó Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này thường ưu tiên sử dụng các tác nhân phát quang gắn lên các hoạt chất cần tìm hiểu để quan sát và thu nhận tín hiệu phát quang hoặc tín hiệu màu sắc Quy trình này tạo ra không ít khó khăn cho việc xử lý

tín hiệu đầu ra của các bộ cảm biến đi kèm Điều đó làm giảm khả năng thu nhận của các thiết bị cảm biến dẫn tới độ nhạy thiết bị giảm

Mới chỉ vài năm trở lại đây, một vài nghiên cứu trên các bộ cảm biến từ sinh học (magneto-biosensor) [15] đã phát hiện ra rằng phương pháp thu nhận tín hiệu từ tính mang lại hiệu quả cao, nâng độ nhạy thiết bị đo lên tới hàng ngàn lần và giảm thời gian hồi đáp đáng kể so với phương pháp ELISA truyền thống Rõ ràng, đây là hướng đi hết sức mới mẻ và thành tựu này mở ra một

xu hướng mới cho ngành nghiên cứu thiết bị y sinh phục vụ đời sống Điều này hứa hẹn tạo ra những vi thiết bị có thể xác định nhanh, chính xác các loại

vi khuẩn, virut gây bệnh, có thể dò tìm hay phân tích lượng mẫu rất nhỏ (cỡ vài nM) với độ tin cậy cao, với thời gian hồi đáp ngắn, kích thước ngày càng nhỏ gọn, chi phí rẻ và vận hành dễ dàng Đây cũng là một gợi ý cho việc hình thành ý tưởng của đề tài nghiên cứu này

Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước thuộc lĩnh vực của đề tài

cho thấy, tại Việt Nam, sự quan tâm của giới khoa học – kỹ thuật đến các lĩnh vực nghiên cứu của ngành công nghệ y sinh đã gia tăng đáng kể trong những năm vừa qua Tuy nhiên, ngành công nghệ này cho tới nay vẫn là một lĩnh vực tương đối mới mẻ, bởi nó là một ngành khoa học ứng dụng đòi hỏi có sự phối kết hợp đa ngành trong điều kiện khoa học và kỹ thuật trong nước còn hạn chế và thiếu tính đồng bộ Đa phần các thành tựu đạt được ở lĩnh vực này mới chỉ dừng ở mức độ nghiên cứu bao quát nhiều lĩnh vực khác nhau như tin sinh học, chẩn đoán hình ảnh, xử lý hình ảnh, xử lý tính hiệu sinh lý học, cơ sinh học, vật liệu sinh học với kỹ thuật sinh học, phân tích hệ thống, mô hình hóa 3 chiều, v.v… Hơn nữa, các nghiên cứu trong lĩnh vực này mới chỉ được triển khai ở một số cơ sở nghiên cứu lớn như TT Khoa học Tự nhiên và Công nghệ Quốc Gia, Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Công nghệ sinh học, Viện Công nghệ Nhiệt lạnh, Viện Điện tử Tin học Tự động hóa, Đại học Bách

Khoa TP Hồ Chí Minh, … trong số đó, điển hình nhất là ĐH Bách Khoa Hà Nội và Đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh là hai đơn vị tích cực nhất trong nghiên cứu ứng dụng các thiết bị y sinh, tuy chưa có thành tựu đáng kể Các phương pháp công nghệ hiện đang được triển khai nghiên cứu ứng dụng cho lĩnh vực cảm biến sinh học tại các cơ sở nghiên cứu này đa phần là tổng hợp

từ các phương pháp truyền thống đã có hoặc đang được sử dụng trên thế giới Với sự phát triển của công nghệ vi cơ điện tử (MEMS) và nano cơ điện tử (NEMS) trên thế giới, việc tiếp thu các kỹ thuật ứng dụng này trong điều kiện Việt Nam là hết sức khó khăn do mặt bằng về công nghệ trong nước còn thấp

Ở lĩnh vực cảm biến sinh học nói chung, Việt Nam hiện nay chưa có công nghệ và chuyên ngành nghiên cứu cụ thể Xét riêng lĩnh vực nghiên cứu các

bộ cảm biến từ-sinh học, ở nước ta chưa có cơ sở nghiên cứu nào triển khai

thực hiện bởi đây là một hướng nghiên cứu hoàn toàn mới cả trên thế giới Riêng với lĩnh vực phân tách các PTSH, các nghiên cứu trong nước nói chung còn chưa đề cập tới Hệ thống điện tử đo đạc và phân tách hàm lượng protein/ADN nhiễm bệnh, hoặc virut gây bệnh cũng chưa từng được nghiên cứu Vậy câu hỏi đặt ra là: làm thế nào để hiện thực hóa hướng nghiên cứu còn hết sức mới mẻ này nhằm cho ra đời những sản phẩm có tính ứng dụng thực tiễn phục vụ y sinh?

Thực tế cho thấy, hướng nghiên cứu về các thiết bị y sinh nói chung đòi hỏi sự phối hợp đa ngành, đa lĩnh vực nghiên cứu thuộc nhiều nhánh công nghệ khác nhau như sinh học tế bào, sinh học phân tử, hóa học, công nghệ vật liệu, công nghệ thông tin, cơ khí chính xác, tự động hóa và kỹ thuật điện tử tiên tiến Hơn nữa, đối với trường hợp các cảm biến sinh học phục vụ công tác khám chữa bệnh nói riêng, tín hiệu vật lý có thể đo đạc được trong điều kiện tự nhiên phát ra từ các phần tử sinh học thường rất nhỏ Điều này đòi hỏi quá trình chế tạo ra các bộ cảm biến cần phải áp dụng những công nghệ hiện đại và tiên tiến để tạo ra các sensor có độ nhạy rất cao Trong điều kiện hạn

chế về mặt bằng kỹ thuật và công nghệ trong nước hiện nay thì điều đó dẫn tới các hợp tác với các cơ sở nghiên cứu mạnh ở nước ngoài để có được sự hỗ trợ cần thiết, kiến thức và kinh nghiệm trong chế tạo các đầu thu cảm biến có

độ nhạy cao Như vậy, để trả lời được câu hỏi đã đặt ra ở trên, sự phối kết hợp

đa ngành giữa các nhà khoa học giỏi và các nhóm nghiên cứu mạnh trong nước cần được xây dựng và đẩy mạnh, đồng thời luôn đặt sự liên kết này trong mối hợp tác với các nhóm nghiên cứu/các PTN ở nước ngoài để củng cố

cơ sở giải quyết vấn đề Hiện tại, nguyên nhân chủ yếu làm cho khoa học ứng dụng ở Việt Nam chưa phát triển đa phần là do chưa có những công nghệ tiên tiến và tri thức ứng dụng rộng rãi Mặc dù vậy, chúng ta có một đội ngũ nghiên cứu khá quy mô đồng thời có những nhà nghiên cứu có khả năng chuyên môn cao Việc phát huy ưu thế đó sẽ đem lại sự phát triển mạnh mẽ và

có hệ thống trong lĩnh vực này

Xét về tính cấp thiết của nghiên cứu, thực tế ở Việt Nam hiện nay cho

thấy, các nghiên cứu về hệ thống cảm biến sinh học mới chỉ bắt đầu và còn rất hiếm Ở nước ta cũng chưa chế tạo được một hệ thống cảm biến sinh học nào hoàn chỉnh có thể sử dụng được trong thực tế Trong khi đó, các thiết bị y tế nói chung và cảm biến sinh học nói riêng ở hầu hết các cơ sở y tế, từ tuyến cơ

sở đến cấp trung ương, đều là các thiết bị ngoại nhập với giá thành cao, phải mua trọn gói và hoàn toàn không có chuyển giao công nghệ Trong tình hình

đó, một lộ trình nghiên cứu chế tạo ra các hệ thống thiết bị phục vụ y sinh là thực sự có ý nghĩa và có tầm vóc lớn Với sự phát hiện về các bộ cảm biến từ-sinh học chỉ trong vòng vài năm trở lại đây, ý tưởng cho lộ trình nghiên cứu chế tạo thiết bị cảm biến sinh học bắt đầu có cơ sở Lý do quan trọng là các bộ cảm biến từ-sinh học loại sử dụng tác nhân là các hạt nano từ hoàn toàn có thể được ứng dụng để đo đạc các hoạt chất sinh học với độ nhạy và độ chính xác cao hơn nhiều (xấp xỉ hàng ngàn lần) so với các phương pháp đang được sử

cảm biến loại này có thể giúp chúng ta theo dõi, điều chỉnh, khống chế các quá trình sinh lý theo ý muốn một cách nhanh chóng và ít tốn kém Đây là một hướng nghiên cứu rất mới, bắt đầu được phát triến và nhân rộng trên khắp thế giới Tại Việt Nam, các nhà khoa học ở nhiều cơ quan nghiên cứu trên khắp cả nước, trong đó có trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng,

đã có những kinh nghiệm nghiên cứu trên các lĩnh vực riêng lẻ như vật liệu nano, công nghệ sinh học, công nghệ điện tử tiên tiến để có thể nghiên cứu chế tạo nên các hệ thống cảm biến hiện đại Ưu điểm và tiềm năng này cần được tổng hợp và phát huy càng sớm càng tốt trong tình hình khoa học công nghệ hiện nay Đó cũng chính là lý do để hiện thực hóa những đề xuất nghiên cứu thuộc đề tài này về một hệ thống đo đạc và phân tách sử dụng các tác nhân hạt nano từ tính phục vụ y sinh

Xét về mục tiêu nghiên cứu, đề tài tập trung nghiên cứu thiết kế và chế

tạo một hệ thống đo đạc và phân tách hàm lượng hoạt chất sinh học như protein hoặc ADN sử dụng bộ cảm biến từ-sinh học (magneto-biosensor) Đây là một trong những mục tiêu quan trọng nằm trong lộ trình nghiên cứu phát triển về thiết bị và hệ thống tự động hóa phục vụ quá trình điều trị và chăm sóc y tế – một trong những hướng nghiên cứu thuộc chương trình trọng điểm quốc gia Mục tiêu cụ thể là nghiên cứu chế tạo một hệ thống đo đạc và phân tách hoàn chỉnh ở mức phòng thí nghiệm (laboratory model) với 2 chức năng: (i) đo tín hiệu từ tính tạo ra bới các hạt nano từ tính có gắn các phân tử protein/ADN theo các phản ứng hóa sinh đặc hiệu để xác định nồng độ các protein/ADN trong dung dịch sinh hóa cụ thể; (ii) phân tách/loại bỏ lượng hoạt chất sinh học mong muốn ra khỏi dung dich sinh hóa Có thể phân tích

hệ thống thành 2 phần chính tương ứng với 2 chức năng cụ thể nêu trên Phần

1 bao gồm một hệ đo sử dụng sensor từ trường được thiết kế và chế tạo để đo được từ trường siêu nhỏ tạo ra bởi tập hợp các hạt nano từ tính có đính các phân tử protein hoặc ADN cần định lượng và phân tách Phần 2 bao gồm một

cơ cấu phân tách các hoạt chất đã đánh dấu sử dụng từ trường Trong khuôn khổ đề tài này, mục tiêu đặt ra cho mức độ hoàn thiện công nghệ và quy mô của hệ thống đo đạc và phân tách là: ở mức phòng thí nghiệm

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là: (1) quy trình gắn kết hóa sinh của

PTSH (protein/ADN) với hạt nano; (2) nguyên tắc hoạt động của hệ thống chuyển đổi tín hiệu và hệ thống thu nhận xử lý tín hiệu điện tử của bộ cảm biến từ sinh học dùng trong đo đạc hàm lượng hoạt chất sinh học; (3) bộ phận phân tách bằng từ trường các PTSH có gắn hạt nano từ Với mục đích ứng dụng cuối cùng là đo đạc và loại bỏ lượng virut hay các protein bị nhiễm bệnh trong một môi trường y sinh, các phần tử hoạt chất sinh học trong trường hợp này được coi là các thành phần sinh học bị nhiễm bệnh cần đo đạc và loại bỏ

Đối với những đối tượng nghiên cứu này, phạm vi nghiên cứu của đề tài là:

- Nghiên cứu quy trình chế tạo hạt nano ở quy mô phòng thí ngiệm theo phương pháp đã biết

- Nghiên cứu quy trình gắn kết các phân tử của hoạt chất sinh học (là các ADN hoặc protein) lên các hạt nano từ tính làm từ bột từ Fe3O4 kích thước nanomet

- Nghiên cứu nguyên tắc chuyển đổi tín hiệu hóa sinh của cặp ADN/protein-hạt nano từ thành tín hiệu vật lý có thể đo đạc được Với phần

tử nhạy của bộ cảm biến làm từ vật liệu từ trở khổng lồ - GMR Tín hiệu vật

lý cần đo đạc là cường độ từ trường cảm ứng gây bởi mômen từ tổng cộng của các hạt nano từ có gắn các phân tử hoạt chất sinh học

- Nghiên cứu hệ thống đo đạc và phân tách ở quy mô phòng thí nghiệm dựa trên nguyên tắc hoạt động đã xây dựng nhằm kiểm chứng nguyên tắc đo đạc sử dụng tác nhân hạt nano từ

- Xác định độ nhạy, độ chính xác, độ tin cậy của bộ cảm biến khi đo