Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN trên cơ sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong y sinh học

KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN CẤP ĐẠI HỌC QUÓC GIA Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN trên cơ sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong y sinh học... Những thay

KẾT QUẢ THựC HIỆN ĐÈ TÀI KH&CN

CẤP ĐẠI HỌC QUÓC GIA

Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN trên cơ sở màng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong y sinh học

PH ÀN I TH Ô N G TIN CH UN G

1.1 Tên đề tài: N ghiên cứu chế tạo cảm biến AD N trên cơ sở m àng kim loại xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong y sinh học

1.2 M ã số: Q G TĐ.12.01

1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực hiện đề tài

đề tẩi

1 GS.TSKH Nguyễn Hoàng Lương Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Chủ trì

2 PGS.TS Nguyễn Hoàng Hải Đại học Quốc gia Hà Nội Thành viên

3 TS Nguyễn Hoàng Nam Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thư ký

4 PGS.TS Mai Anh Tuấn Trường Đại học Bách khoa Hà N ội Thành viên

5 PGS.TS Nguyễn Thế Bình Đại học Quốc gia Hà Nội Thành viên

6 PGS.TS Chừ Đức Trình Trường Đại học Công nghệ, Đại học

Quốc gia Hà N ội

Thành viên

7 ThS Lun Mạnh Quỳnh Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành viên

8 ThS Nguyễn Minh Hiếu Trường Đại học Khoa học Tự nhiên Thành viên

1.4 Đ ơn vị chủ trì: Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, Đại học Quốc gia Hà Nội

1.5 Thòi gian thực hiện:

1.5.1 Theo họp đồng: từ tháng 5 năm 2012 đến tháng 5 năm 2015

1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng năm

1.5.3 Thực hiện thực tế: từ tháng 5 năm 2012 đến tháng 5 năm 2015

1.6 Những thay đổi so vói thuyét minh ban đầu (nếu có):

(v ề mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết quả nghiên cứu và tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến của C ơ quan quản lý)

- Tên đề tài là “Nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N trên cơ sở màng kim loại xốp có cấu trúc

nano nhằm ứng dụng trong y sinh học” theo đúng thuyết minh đề cương đề tài đã được phê duyệt.

- M ốc thời gian trong mục 19 (Tóm tắt kế hoạch và lộ trình thực hiện) của thuyết minh đề cương đề tài đã được phê duyệt được dịch chuyển bắt đầu từ tháng 6/2012 để phù họp với thời điểm

đề tài được phê duyệt là 23/5/2012.

- Đây là đề tài nghiên cứu khoa học của Đại học Quốc gia Hà N ội trong hợp tác giữa Đại học Quốc gia Hà N ộ i và Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh Cho đến nay Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh chưa phê duyệt đề tài của Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh tham gia hợp tác này Do vậy, sàn phẩm của đề tài về số bài báo đăng trên tạp chí quốc tế và giài pháp hữu ích là:

- Số bài báo đăng trên tạp chí quốc tế: 02

- Số giài pháp hữu ích: Không Các thay đổi trên đã được Đại học Quốc gia Hà N ội phê duyệt ngày 08/10/2013.

1.7 Tổng kinh phí đưực phê duyệt của đề tài: 1200 triệu đồng.

1

PHẢN II TỎNG QUAN KÉT QUẢ NGHIÊN c ứ u

1 Đặt vấn đề

Dịch bệnh do virut gây nên đang là những hiểm họa không chi ở Việt Nam mà còn là vấn đề trên thế giới và thách thức các nhà khoa học trong việc tìm kiếm các phương pháp cũng như các phương tiện, thiết bị để phát hiện, phân lập, điều trị và hạn chế, phòng ngừa các dịch bệnh này Việc phát hiện sớm nguồn gây bệnh do các loại virut gây ra sẽ hỗ trợ rất nhiều trong công tác điều trị, khoanh vùng, dập dịch sau này Các phương pháp phân tích nhanh virut hiện nay thường được sừ dụng là nuôi cấy tế bào, ELISA, PCR, tuy nhiên các phương pháp này đều đòi hỏi việc lấy mẫu, thao tác mẫu với yêu cầu rất khắt khe cùng các thiết bị, sinh phẩm đắt tiền, phải thực hiện trong phòng thí nghiệm đạt tiêu chuẩn của Tổ chức Y tế thế giới với con người được đào tạo bài bản Hơn nữa, các phương pháp truyền thống này đều phải chờ từ vài giờ đến vài ngày mới có kết quà.

Để bổ sung cho các phương pháp truyền thống trên, một trong các phương pháp hiệu quả dùng để phát hiện nhanh virut được phát triển sâu rộng gần đây là sử dụng cảm biển sinh học có độ nhạy cao, độ chọn lọc cao, dễ dàng sử dụng, thời gian phân tích nhanh hơn và cho kết quả đáng tin cậy Càm biến hiện nay có thể chia thành ba loại là cảm biến vật lý, hóa học và sinh học Cảm biến vật lý hoạt động dựa trên các thay đổi của tính chất vật lý trên bề mặt cùa cảm biến được sinh ra trong quá trình đo đạc và thường được dùng để đo khoảng cách, nhiệt độ, áp suất, Cảm biến hóa học hoạt động dựa trên biến đổi hóa học của các cơ chất thông qua các phản ứng hóa học và thuờng được dùng để phát hiện các chất độc hại Cảm biển sinh học là loại cảm biến dựa trên cơ sờ của các loại cảm biến vật lý hoặc hóa học được sử dụng để phát hiện sự biến đổi của các chất dựa trên các phản ửng sinh học V iệc phát triển các cảm biến sinh học đáp ứng tốt các yêu cầu về kỹ thuật và thị trường đang là vấn đề được các viện nghiên cứu và các hãng sản xuất hàng đầu thế giới quan tâm, đầu tư.

Cảm biến sinh học cỏ cấu tạo khá đặc biệt bao gồm bộ phận cảm nhận sinh học kết hợp với

bộ chuyển đổi tín hiệu Thành phần cảm nhận sinh học thường là vật liệu sinh học có thể liên kết hoặc phản ứng với cơ chất (chất cần phân tích) sinh ra sản phẩm làm thay đổi tín hiệu trong quá trình phân tích Thành phần sinh học hoạt động như một yếu tố nhận biết được liên kết với bộ chuyển đổi tín hiệu Đây là thành phần quan trọng trong cảm biến sinh học, nó ảnh hường đến độ nhạy và độ chọn lọc của càm biến Hiện nay, thành phần sinh học đuợc sử dụng trong các cảm biến sinh học chủ yếu là các loại enzym, A D N, ARN, các kháng thể và các vật liệu sinh học khác Bộ phận chuyển đổi hay còn gọi là cảm biển chuyển đổi các tín hiệu không điện do các phản ứng sinỉ học tạo ra thành các tín hiệu điện, quang, cơ hoặc nhiệt Tín hiệu có thể là định lượng hoặc địnỉ tính, phụ thuộc vào những ứng dụng và loại bộ chuyển đổi của cảm biến sinh học Một trong nhữnị loại cảm biến sinh học quan trọng là càm biến ADN hoạt động dựa trên cơ chế phát hiện sự bắt cặ] của một chuỗi A D N dò được gắn trên bề mặt cảm biến và một chuỗi AD N đích là đối tượng cần đo Khi có sự bắt cặp (lai hóa) mật độ điện tích bề mặt của cảm biến sẽ có sự phân bố lại, làm thay đổ điện trở hoặc trở kháng bề mặt Nồng độ của AD N dò và đích càng lớn thì tín hiệu thu được càn] lớn (ờ cùng một nhiệt độ) Hiện nay các nghiên cứu phát triển cảm biến AD N tập trung chủ yếu vài

cải thiện độ nhạy, tính chọn lọc và khà năng lặp lại của cảm biến sinh học Gần đây, sự kết họp của công nghệ vi điện tử, sinh học phân tử và vật liệu nano làm cho cảm biến sinh học ngày càng được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Nhũng năm 90 của thế kỳ trước, nhóm của Fodor đã công bố một kỹ thuật mới liên quan tới việc gắn kết các đoạn mã A D N lên trên bề mặt của cảm biển để phát hiện đồng thời nhiều thông tin,

sử dụng phương pháp đánh dấu [1-3] Những phương pháp này đòi hỏi nhiều kiến thức về di truyền học và sinh học phân tử cũng như nhiều bước phân tích tương đối phức tạp Thêm vào đó, việc sử dụng phương pháp đánh dấu phần tử A D N cũng là một thách thức cho các nhà khoa học khi tối ưu các thông số đo đạc Sau đó nhiều nhóm khác đã công bố kết quả với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo các cảm biến nhanh hơn, nhạy hon sử dụng phương pháp phân tích không đánh dấu Năm 1998, Okahata và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N sử dụng vi cân trên cơ sờ tinh thể thạch anh QCM [4], phương pháp này dựa trên mối quan hệ giữa tần số dao động của tinh thể quartz và đối tượng tương tác vào bề mặt cảm biến giúp cho độ nhạy có thể lên tới femto gram Tuy vậy, tồn tại của phương pháp này là rất dễ bị ảnh hưởng bời môi trường đo (nhạy với mọi đối tượng tác động lên bề mặt) Peter và cộng sự [5], Liu và cộng sự [6] và nhóm của Peng [7,8] đã báo cáo các kết quả của họ dựa trên các phân tích quang học sử dụng các hợp chất huỳnh quang, chấm lượng tử hoặc sử dụng các dao động Plasmon bề mặt để phát hiện tương tác của các chuỗi AD N hoặc protein Phương pháp quang thường có độ chọn lọc và độ chính xác cao nhưng chi phí thiết bị khá đắt đỏ và việc thiết lập cấu hình tương đối phức tạp So với những phương pháp khác cảm biến điện hóa được coi là thích họp nhất để phát triển cảm biến sinh học bởi lẽ cảm biến loại này cho phép chuyển đổi trực tiếp các tín hiệu sinh hóa do tương tác protein-protein, kháng sinh - kháng thể, hay lai hóa A D N thành các tín hiệu điện Điều này cho phép thực hiện các phép phân tích điện hóa đon giản dựa trên phương pháp đo dòng, đo thế [9,10] và nhất là tiếp cận sử dụng polymer dẫn (CPs) [11,12] Có thể tham khảo về cảm biến A D N điện hóa trong công trình [13].

Đ e phát triển cảm biến sinh học và tăng độ nhạy của cảm biến có nhiều cách và một trong những phương pháp đó là tăng diện tích bề mặt của điện cực cảm biến Đ ể không làm tăng kích thước cảm biến thì phương pháp tạo màng xốp cho điện cực là m ột phương pháp m ới chưa được thử nghiệm Màng kim loại xốp có thể được tạo thành bằng nhiều phương pháp khác nhau như phương pháp hóa ướt, phún xạ kết họp ăn mòn điện hóa, quang hóa, Trong đề tài này, nhỏm tác giả thử nghiệm chế tạo càm biến A D N trên cơ sở màng xốp kim loại A D N dò được cố định lên bề mặt cảm biến Khi đưa A D N đích lên bề mặt cảm biến, hiện tượng bắt cặp giữa A D N dò và AD N đích làm thay đổi tín hiệu đầu ra cùa cảm biến, cho ta biết nồng độ A D N ừong dung dịch.

Đ ối tượng sinh học thừ nghiệm được chọn lựa trong đề tài này là virut Rubella gây bệnh Rubella (hay còn gọi là Ru-bê-on, bệnh sởi Đức) là m ột bệnh truyền nhiễm Bệnh lưu hành trên toàn thể giới, thường xuất hiện vào mùa đông xuân, có thể xảy ra thành dịch Tuy bệnh Rubella là một bệnh lây nhiễm không nguy cấp (không gây nên biến chứng nguy hiểm, không gây chết người) như bệnh sởi thường (thuờng gây những biến chứng trầm trọng: viêm phổi, viêm phế quản, viêm não, viêm cơ tim, viêm tai giữa, rối loạn tiêu h ó a ) nhưng lại khá nghiêm trọng do có khả năng gây nên những dị tật bẩm sinh nặng nề ở bào thai Gần đây, số người sốt phát ban (do virut

R/abella) ờ V iệt Nam tăng cao Ở những người không mang thai, nhiễm Rubella chỉ là tình trạng nhiễm virus thoáng qua, sẽ tự khỏi sau vài ngày nhưng với phụ nữ có thai, đặc biệt là khi thai nhỏ, nới thụ thai, nhiễm Rubella có thể gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến thai nhi, còn gọi là hội chứng Rubella bẩm sinh Tùy vào thời điểm nhiễm bệnh, tỷ lệ con bị hội chửng Rubella bẩm sinh rất thay đổi: 80% khi thai dưới 12 tuần, 54% khi thai được 13-14 tuần, 35% ở tuổi thai 13-16 tuần, 10% khi thai 16 tuần và sau 20 tuần thì tỷ lệ này không đáng kể Một bé sơ sinh bị nhiễm Rubella bẩm sinh có thể có một hoặc nhiều tổn thương như: mắt bị cườm, tăng áp nội nhãn, mắt nhỏ; teo động mạch phổi, bất toàn các vách tim; điếc; viêm não, viêm màng não; thiếu máu, thiếu tiều cầu; viêm gan, gan lách to, vàng da Để ngăn ngừa việc nhiễm Rubella cho thai nhi, người mẹ cằn tiêm chủng ngừa loại bệnh này Trước đây, người ta khuyến cáo chỉ nên có thai sớm nhất 3 tháng sau khi chủng ngừa Rubella vì vaccin là virut sống được làm yếu đi Tuy nhiên, theo khuyến cio năm 2002 của Trung tâm Kiểm soát bệnh Hoa Kỳ (CDC) thì phụ nữ được phép có thai ít nhất 1 tháng sau khi tiêm chủng Thời gian ủ bệnh là từ 12 - 23 ngày sau khi tiếp xúc với nguồn lây Thời gian này người bệnh đã bị nhiễm virut, nhưng chưa có biểu hiện bệnh Do vậy, việc phát hiện sónn

sẽ hỗ trợ rất nhiều công tác điều trị, khoanh vùng, dập dịch sau này cũng như cỏ vai trò quan trọng trong việc đưa ra quyết định sử dụng vắc xin đúng liều đúng hạn, bảo vệ người mẹ và thai nhi.

2 Mục tiêu

Nghiên cứu chế tạo cảm biến A D N có độ nhạy cao trên cơ sở màng xốp có cấu trúc nano nhằm ứng dụng trong phát hiện virut Rubella.

3 Phương pháp nghiên cứu

Trong khuôn khổ đề tài, hai loại cảm biến được thử nghiệm chế tạo là cảm biến kiểu răng lược và cảm biến điện cực tròn Cảm biến kiểu răng lược được ché tạo bằng phương pháp phún xạ điện cực bằng Pt trên đế Silicon Mặt nạ được thiết kế dựa trên CorelDravv và Clewin sau khi tính toán điện dung và điện trờ tương thích Điện cực sau khi chế tạo được nhạy hóa bằng dung dịch :<2Cr20 7 /H 2S0 4 bão hòa trong 5 phút, sau đó được hoạt hóa bằng dung dịch H2SO4 0.5M, quét c v với dài quét 0.00 - 1.00 V, số vòng quét 20-30 Cuối cùng, điện cực được polymer hóa tạo dây nano polypyrrole (PPy N W s) bằng phản ứng điện hóa với điện áp 0,75 V, thời gian quét 200-300 s Các hạt nano vàng được chế tạo bằng phương pháp nuôi mầm và được nhỏ lên trên bề mặt điện cực đã được biến tính.

A D N dò được cố định lên trên bề mặt điện cực làm việc đã được biển tính và phủ hạt nanc vàng với nồng độ 10 JJ.M, sau đó được làm sạch bằng nước cất để loại bỏ các phần từ A D N không liên kết hoặc liên kết yếu với PPy NW s Các điện cực đã được cố định A D N dò được để trong không khí cho khô tự nhiên.

Đ ể đo nồng độ A D N đích, hai cảm biến giống hệt nhau được sử dụng trong hệ đo nhưng chí

có một bề mặt được cố định với A D N dò (cảm biến làm việc), và bề mặt thứ hai được bao phủ bở

các dây nano polypyrrole (điện cực so sánh) AD N đích được nhỏ trực tiếp lên bề mặt điện cực Hai điện cực được kết nối với tín hiệu tham chiếu 10 KHz, 100 m V tạo ra bời Lock-in Am pliíĩer SR830 Các tín hiệu đầu ra đã được thu lại bằng cách so sánh sự khác biệt của điện áp rơi trên hai trở kháng 1 kQ bằng cách sử dụng các kênh A và B cùa Lock-in Am plifier Tất cả các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng.

A D N được sử dụng là của virut Rubella được cung cấp bởi hãng Intergrated DNA Technologies.

Do: 5’- /5ThioM C6-D/AGA CCT CCA GTC TCC ATG GTA CGT c -3 ’

Đích: 5 ’- GAC GTA CCA TGG A G A CTG GAG GTC T -3 ’

Loại cảm biến thứ hai được thử nghiệm chế tạo trong đề tài này là cảm biến điện cực tròn sử dụng màng xốp kim loại Màng xốp giàu Pt cấu trúc nano được chế tạo bằng phương pháp phún xạ kết họp điện hóa Màng họp kim PtAg được chế tạo bằng phương pháp phún xạ sau đó thành phần

Ag được loại bỏ bằng phương pháp điện hóa để được màng xốp Pt có cấu trúc nano.

Màng xốp giàu Pt sau khi chế tạo được sử dụng làm điện cực cho cảm biến A D N Mặt nạ để chế tạo điện cực được thiết kể trên Corel với cấu trúc 3 điện cực tích họp trên cơ sở cảm biến planar: điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực so sánh.

Bề mặt cùa điện cực được biển tính bằng PPy N W s được tổng hợp bằng phản ứng điện hóa với dung dịch điện phân gồm 0,05 M pyrrole monomer, với sự có mặt của gelatin, L1CIO4 và đệm PBS Sự trùng hợp được tiến hành ở nhiệt độ phòng trong 200 giây Đ iện áp áp dụng là 0,75 V.

Dung dịch A D N dò 10 |iM được đưa vào bề mặt điện cực làm việc, sau đó được làm sạch bằng nước cất để loại bỏ các phần tử A D N dò không liên kết hoặc liên kết yếu với PPy NW s Các điện cực đã được cố định A D N dò được để trong không khí cho khô tự nhiên Sau khi nhỏ A D N đích vào điện cực, phép đo được tiến hành trên Lock-in A m pliíĩer SR 830 Tất cả các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng.

4 Tổng kết kết quả nghiên cứu

Chế tạo cảm biến kiểu răng lược

Mặt nạ cho càm biến được thiết kế nhu hình 1 dưới đây.

5

~ H a i điện cực ĩiRoài Các điện cực trong

Hình 1 Thiết kế mặt nạ cho cảm biến kiểu răriR lưọ'c

Hình 2 thể hiện ảnh hiển vi điện tử quét (SEM ) của cảm biến kiểu răng lược vói điện cực đã được polymer hóa với độ phóng đại khác nhau Hình ảnh cho thấy các dây PPy NW s đã được gắn kết lên bề mặt điện cực

Hình 2 Ảnh SEM của điện cực răng lược đã được polymer hóa

Hình 3 thể hiện ảnh SEM của cảm biến sau khi được phủ một lóp hạt nano vàng lên bề mặt sau khi polymer hóa Hình ảnh cho thấy các hạt nano vàng đã được đính thành công lên bề mặt cùa polymer

S4800-Ỉ1IIHE 10 OkV 8 4m m x26.Dk SEIM l ÁQ) 12/16/z0j4' L I «IV í- 'TTTinnrr.ZẾỐI 1

Cảm biến sau khi được phủ lóp hạt nano vàng được cố định ADN dò và lai hóa với ADN đích, sau đó đưọc khảo sát với hệ lock-in Kết quả được thể hiện trên hình 4 cho thấy tín hiệu đầu ra tưong ứng vói các nồng độ AD N đích khác nhau và nồng độ hạt vàng khác nhau Hình 5 cho ta thấy các tín hiệu đầu ra với các nồng độ AD N đích khác nhau trong khi nồng độ AD N dò ỉà 10 nM Kết quả cho ta thấy giói hạn phát hiện của cảm biến chế tạo đưọ’c là 2 pM

Hình 4 Tín hiệu đầu ra ở các nồng độ A D N đích khác nhau tương ứng với từng nồng độ hạt

7

Hình 5 Các tín hiệu đầu ra và các nồng độ A D N đích khác nhau N ồng độ A D N dò là 10 I^M.

Chế tạo cảm biến điện cực tròn trên cơ sở màng xốp Pt

Cấu tạo và tính chất m àng xốp giàu Pt

Màng mỏng hợp kim PtAg được chế tạo bằng phương pháp phún xạ sau đó tiến hành điện hóa màng để tách một phần của bạc từ bề mặt nhằm tạo ra cấu trúc xốp Ket quả EDS thu được từ hai mẫu trước và sau khi thực hiện điện hóa cho thấy nồng độ bạc đã giảm đáng kể (~ 37%) Phương pháp bốn mũi dò được sử dụng để kiểm tra điện trở suất của mẫu trước và sau khi điện hỏa với các chế độ và thành phần điện hóa khác nhau Kết quả cho thấy điện ứ ờ suất của màng mỏng rắn thay đổi đáng kể, nó đã tăng từ 0 5 x l0 '6 đến 10"6 Q.m.

Hình 6 a, b và c cho ta thấy ảnh SEM của màng phún xạ hợp kim PtAg và màng dealloy nano xổp PtAg Ta thấy các màng PtAg thu được khá đồng nhất sau khi được chế tạo bằng phương’ pháp phún xạ (hình 6a) Sau khi hòa tan có chọn lọc (Ag) từ họp kim Pt-Ag, màng hình thành các! cấu trúc nano xốp và kích thước của các lỗ xốp ừên màng trong khoảng từ 30-100 nm, như được hiển thị trong hình 6b và 6c Hình 6d là hình ảnh thu được từ hiển vi lực nguyên tử (AFM) cho thấy

độ nhám của màng nano xốp giàu Pt là ± 10 nm.

Hình 6 Ảnh SEM của a) màng hợp kim phún xạ Pt-Ag, b) m àng nano xốp giàu Pt, c) phóng đại của

m àng nano xốp giàu Pt; d) Ảnh A FM của m àng nano xốp giàu Pt

C h ế tạ o m ặ t nạ v à c ả m b iến trên c ơ s ở m à n g x ố p g ià u P t

Với các tiêu chí như dễ chế tạo, chế tạo với chi phí thấp, tiêu tổn ít mẫu phân tích - là những tham số quan trọng trong quá trình thiết kế m ặt nạ và cảm biến - tập thể tác giả hướng tới tích hợp

ba điện cực: điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực so sánh vào cùng m ột câm biển, hướng tới thiết kế nhiều cảm biến trên một chip, cho phép thể hiện các th ông số phân tích với nhiều đổi tượng

đo khác nhau

Hình 7 là thiết kế trên Corel cùa cảm biến điện cực tròn gồm 3 điện cực tích hợp với điện cực dạng tròn và bán khuyên trong khuôn khổ phần diện tích hiệu dụng Phần điện cực làm việc được chế tạo và phủ m àng xổp giàu Pt, có thể được chức năng hóa bằng polymer hoặc các hạt nano kim loại Điện cực so sánh có thể đưọc chế tạo với nhiều thành phần khác nhau và có độ tùy biến cao Điện cực đối th ư ò n g hay được chế tạo sử dụng vật liệu giống như đối với điện cực làm việc Trong khi đó, điện cực so sánh được chế tạo sử dụng Ag/AgCl

9

Hình 7 Cấu trúc của điện cực.

Tống hợp dây n a m poỉypyrroỉe trên điện cực m àng m ỏng nano xốp giàu Pí

Qua quá trình tổng họp điện hóa của poỉypyrrole, với sự hỗ trợ cùa eelatin, các PPy NWs đã

đều và sắp xếp khá trật tự theo phương vuông góc với bề m ặt điện cực

sásOO-NÌHE 10.CKV-8 > ìo O k S E ÍM ÍIÁ O ) 12/ 1Ố 2014' ' Ị o i u m siéOO-NIHE 10 ÕkV 8 7 m m x50.0k_SỆ<«»J-Áòị 1 2 /1 6 /2 5 « '• j oòum

b) hình ảnh phóng đại của PPy NWs

Hình 9 và hình 10 thể hiện khả năng đáp ứna của căm biến AD N vói một lượng ADN đích nhất định Thời gian đáp ứng cùa càm biến là chỉ vài giây Bên cạnh đó, sau khi cho bắt cặp ADN

dò với các ADN đích, nó mất chi trone vòng một phút cho các tín hiệu ở trạng thái ổn định

Chúng tôi thử nghiệm với các nồng độ ADN đích khác nhau Các phản ứng cùa cảm biến ADN trong mọi phép thử đều cho các kết quà tương tự N ồng độ thấp nhất của A D N đích có thể được phát hiện bởi bộ khuếch đại Lock-in là 0,2 nM

1 0

I

1E-10 1E-9 T 1E-8 T 1E-7T

DNA target concentration (M)

1E-6

Hình 10 Tín hiệu đầu ra với các nồng độ A D N đích Nồng độ A D N dò là 10 Ị0.M Giới hạn phát

hiện là 0,2 nM.

11

Hệ đo cảm biến và hệ lock-in tích hợp

Khi các m ẫu sinh học ADN có nồng độ khác nhau được nhỏ lên đầu cảm biến thì điện trỏ' của cảm biến thay đổi phụ thuộc vào nồng độ của các mầu này Giá trị điện trở thay đổi của cảm biến khá nhò khi so sánh với các giá trị điện trỏ' ban đầu của cảm biến Đe tăng độ chính xác của các phép đo và giảm ảnh hư ỏ n g của các loại nhiễu lên cảm biến, một hệ thống m ạc h điện tử đã đưọc thiết kế để đóng vai trò là các m ạch tiền khuếch đại Mạch này xử lý tín hiệu vi sai của hai tín hiệu

là lối ra của hai cảm biến giống nhau Tín hiệu nhận được là hiệu của hai tín hiệu lối ra hai cảm biên Trong quy trình đo, m ộ t cảm biến đưọ'c gắn A.DN dò của mẫu A D N sinh học cần khảo sát Cảm biến còn lại đóng vai trò là cảm biến tham chiếu chỉ được chức năng hóa bởi PPy N W s không chứa các mẫu sinh học A D N A D N đích đưọ-c nhô lên trên cả 2 cảm biến trong hệ đo Phản ứng lai hóa giữa A D N dò và A D N đích sẽ làm cho điện trỏ' cùa 2 cảm biển lúc này là khác nhau và thông qua

sự khác nhau đó ta sẽ xác định được sự bắt cặp này, từ đó xác định được nồng độ A D N đích Vói cách đo này, các tín hiệu sinh ra do nguyên nhân dung môi, môi trưòng cũng như các nhiễu chung

sẽ bị loại bỏ

Một hệ khuếch đại lock-in được thiết kế, chế tạo để đo các thay đổi trỏ- kháng của cảm biến,

Hệ khuếch đại này có khả năng xác định được không những thay đổi về trở thực mà còn đo được các thay đổi về trờ p h ứ c dựa trên thông tin về biên độ và pha của các tín hiệu lối ra so với tín hiệu chuẩn

Trong khuôn k hổ đề tài, có 2 loại cảm biến được thử nghiệm chế tạo là cảm biến răng lược và cảm biên điệc cực tròn và dải đo hai loại nảy là khác nhau Do đó, m ạch đo cân phải thiết kế mô- đun khuếch đại tư ơ n g thích cà hai loại

Hình 11 C ảm biến ADN kiểu rănơ lược (Hình A) và kiểu điện cực tròn (Hình B)

A Loại cảm biến kiêu răng lược:

G ồm hai cặp điện cực giống nhau, một cặp đưọ'c phủ ADN bắt cặp Thông thường hai cặp điện cực này có điện trở chi vài Q đến vài chục Q và có điện trỏ' chênh lệch nhau gần 10 fì Ví dụ:

12

một cảm biên có hai cặp điện cực, m ột cặp có íỉắn ADN bắt cặp có ciá trị điện trò' đo được là 10 Q

Gôm ba điện cực đê đo trở kháng, cảm biến chỉ cần sử dụng 2 điện cực Điện trờ khi chưa nhò duns dịch lên bề m ặt rất lớn

Thực tê dải đo của hai loại cảm biến này rất khác nhau nên cần thiết phải có một mạch chuyển đôi đê đo trở kháng ỡ hai dải khác nhau Mô đun đo là một bộ khuêch đại vi sai tích hợp có thể gắn cảm biến vào và có thể thay đổi dải đo như thể hiện trên hình 12 Bộ khuếch đại vi sai là một mạch khuếch đại dùnti IC A D 620 Hệ lock-in được thiết kế như hình 13 và hình 14 với các đặc tính sau:

- Hệ số khuếch đại 200 lần

- Điện trò' đầu vào 10 G O hm

- Dòng bias lối vào: 2 nA

- Nhiễu: 13 n V /s q rt( H z )

- 2 kênh đầu vào

- Phát hàm 10 kHz m éo phi tuyến 1%

- Hai lối ra thực và ảo

- Hiển thị LCD (4 digits)

- Ket nối máy tính th ông qua chuẩn U S B / U A RT

- Điện áp níiuồn nuôi: 110-280 VAC

Hình 12 M ô đun tích họp để đo tín hiệu đầu ra cảm biến A D N

13

Hình 13: Sơ đồ khối hệ đo với khuếch đại Lock-in.

Hình 14 Hệ đo cảm biển sinh học với máy khuếch đại lock-in tích họp

Kết quả đo ban đầu cho thấy với cảm biến kiều răng lược khi nhò dung dịch có c h ử a mẫu bệnh thì điện áp đầu ra thay đổi 50 mV ở Gain=l 00x200 Với cảm biến điện cực tròn thì độ th a y đổi rất lớn với G=200 Điện áp chênh lệch lên đến hơn 2,5 V Kết quả cho thấy hệ đo hoạt động tốt vói cảm biến chế tạo được

N hư vậy, hệ thống mạch thu thập tín hiệu cảm biến hoạt động tốt đáp ứng được các y ê u cầu đặt ra của đề tài Hệ thống này đưọ'c thiểt kế theo dạng mở, nên hoàn toàn có thể sử dụng c h o nhiều loại cảm biến khác nhau

N ghiên cứu chế tạo và ứng dụng các hạt nano kim loại và hạt nano từ tính

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm tác già đã nehiên cứu chế tạo các loại hạt nano vàng, hạt nano platin, nano từ tính FePt [14-16] Hạt nano vàng được chế tạo bời phương pháp nuôi m ầm và neoài việc đưọ'c ứng dụng trone việc làm tăng độ nhạy của cảm biến như đã trình bày ở trên, hạt

14

nano vàng còn được nghiên cứu ứng dụng trong phát hiện tế bào ung thư da sử dụng phương pháp Raman tăng cường bề mặt [14] Hạt nano vàng đuợc gắn kết với kháng nguyên của tế bào ung thư

da basal cell carcinoma (BCC) và được nhỏ lên bề mặt cùa mẫu da có tế bào ung thư Sau khi phàn ứng bắt cặp kháng nguyên kháng thể xày ra, các phần còn dư sẽ được rửa sạch và sau đó mẫu được khào sát bằng phổ kế Raman Mầu sẽ được quét với các điểm đo liên tục và kết quả đo sẽ tạo một bản đồ khu vực mẫu được quét Tại các điểm có tế bào ung thư, do có bắt cặp đặc hiệu kháng nguyên kháng thể mà kháng nguyên có đính hạt vàng, các đỉnh phổ Raman đặc trưng của các liên kết hóa học gần bề mặt của hạt vàng sẽ cho ta thấy vị trí của hạt vàng trên mẫu, cũng chính là vị trí của tế bào ung thư V ới phương pháp này, bản đồ đỉnh phổ Raman đặc trưng sẽ cho ta bản đồ vị trí của tế bào ung thư da trên mẫu bệnh phẩm.

Hạt nano platin được chế tạo bằng phương pháp ăn mòn laser và được khảo sát hình thái, cấu trúc, tính chất hạt nano chế tạo được Hệ laser sử dụng nguồn laser Nd: YAG (Quanta Ray Pro 230-U SA ) N guồn laser tập trung chiểu vào m iếng platin đặt trong cốc chứa dung dịch hoạt hóa PVP Kết quả cho thấy hạt nano chế tạo được có kích thước từ 2 đến 20 nm [15].

Hạt nano từ tính FePt được chế tạo bằng phương pháp hóa siêu âm với các tỷ lệ thành phần khác nhau Khi mới chế tạo hạt nano FePt có cấu trúc bất trật tự Khi được ù tại các nhiệt độ khác nhau từ 450°c đến 650°c trong các hạt nano FePt xuất hiện sự chuyển pha bất trật tự-trật tự với cấu trúc fct (L lo) kéo theo tính từ cứng thể hiện rõ rệt Sự ành hưởng của các điều kiện xử lý nhiệt (nhiệt độ ủ, tốc độ làm nguội) lên tính chất tù của vật liệu cũng đã được nghiên cứu [16].

5 Đánh giá về các kết quả đã đạt được và kết luận

Đề tài đã thành công trong việc thử nghiệm chế tạo cảm biến A D N của virut Rubella trên cơ

sở màng Pt và màng Pt xốp như đặt ra trong mục tiêu Các cảm biến chế tạo được đã được khảo sát đặc trưng cho thấy độ nhạy đầu ra của cảm biến có giới hạn phát hiện đến 0,2 nM Các kết quả này cùng với các kết quả nghiên cứu khảo sát màng xốp, nghiên cứu chế tạo, tính chất và ứng dụng của các hạt nano vàng, Pt, FePt đã đáp ứng được yêu cầu đặt ra trong các nội dung nghiên cứu của đề tài Ngoài ra, đề tài đã thành công trong v iệc thiết kế và chế tạo thử nghiệm hệ đo cảm biến và lock-

in tích hợp để đo đạc các tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học Thiết bị này có thể ứng dụng cho nhiều loại cảm biến khác nhau.

Tài liệu tham khảo

1 Pease A.C., Solas D , Sullivan E.J., Cronin M.T., H olm es C.P., Fodor S.P., Light-generated oligonucleotide arrays for rapid D N A sequence analysis Proc Natl Acad Sci U SA , 91 (1994) 5022-6.

2 Fodor S.P., Rava R.P., Huang X C , Pease A.C., H olm es C.P., Adams C.L., Multiplexed biochemical assays with biological chips, Nature 364 (1993) 555-6.

3 Fodor S.P., Read J.L., Pirrung M C., Stryer L., Lu A.T., Solas D., Light-directed, spatially addressable parallel chem ical synthesis Science 251 (1991) 767-73.

4 Okahata Y , Niikura K Advances in D N A sensing technology 2 D N A sensor using quartz- crystal microbalance (Q C M ) Denki Kagaku oyobi K ogyo Butsuri Kagaku 66 (1998) 7-13.

5 Peter c , M eusel M , Grawe F, Katerkamp A, Cammann K, Boerchers T, Optical DNA-sensor chip for real-time detection o f hybriđization events Fresenius J Anal Chem 371 (2001) 120-7.

15

6 Liu J., Tian s , Tiefenauer L., Nielsen P.E., Knoll w , Simultaneously amplĩiíìed electrochemical and suríace plasmon optical detection o f D N A hybridization based on ferrocene- streptavidin corỹugates Anal Chem 77 (2005) 2756-61.

7 Peng H., Zhang L., Kjaellman T.H., Soeller c , Travas-Sejdic J., D N A hybridization detection with blue luminescent quantum dots and dye-labeled single-stranded DNA J Am Chem Soc 129 (2007) 3048-9.

8 Peng H., Soeller c , Travas-Sejdic J., A novel cationic corỹugated polymer for hom ogeneous Auorescence-based D N A detection Chem Commun 35 (2006) 3735-7.

9 Wang J., Rivas G., Femandes J.R., Lopez Paz Ỉ.L , Jiang M., Waymire R., Indicator-free

electrochemical D N A hybridization biosensor Anal Chim Acta 375 (1998) 197-203.

10 Millan K.M., Mikkelsen S.R., Sequence-selective biosensor for D N A based on electroactive hybridization indicators Anal Chem 65 (1993) 2317-23.

11 Peng H., Soeller c , Vigar N., Kilmartin P.A., Cannell M B., Bowmaker G.A., Cooney R.P., Travas-Sẹịdic J., Label-free electrochemical DN A sensor based on íiinctionalised conducting copolymer Biosens Bioelectron 20 (2005) 1821-8.

12 Gamier F., Korri-Youssouíì H., Srivastava p., Mandrand B., Delair T., Toward intelligent polymers: D N A sensors based on oligonuđeotide-functionalized polypyrroles Synth Met 100 (1999) 89-94.

13 Drummond T.G., Hill M.G., Barton J.K., Electrochemical D N A sensors Nature Biotechnology 21 (2003) 1192-1199.

14 Hoang Luong Nguyen, Hoang Nam Nguyen, Hoang Hai Nguyen, Manh Quynh Luu, Minh Hieu Nguyen, Nanoparticles: synthesis and applications in ỉife Science and environmental technology, Advances in Natural Sciences: Nanoscience and Nanotechnology 6 (2015) 015008.

15 Nguyen The Binh, Nguyen Dinh Thanh, Nguyen Quang Dong, Nguyen Thi Trinh,

Preparation o f Platinum Nanoparticles in Solution o f Polyvinyl Pyrrolydone (PVP) by Laser Ablation Method V N U Joumal o f Science: Mathematics - Physics 30 No 2 (2014) 18-24.

16 Truong Thanh Trung, Nguyen Thi Thanh Van, N guyen Hoang Nam, N guyen Hoang Luong, Effect o f heat treatment on the properties o f FePt nanoparticles produced by sonochemistry.

VNƯ Joumal o f Science: Mathematics - Physics 31, N o 2 (2015) 15-20.

6 Tóm tắt kết quả (tiếng Việt và tiếng Anh)

Đ ề tài đã nghiên cửu chế tạo thành công cảm biến A D N trên cơ sờ màng kim loại và màng xốp Pt có cấu trúc nano ứng dụng trong việc phát hiện virut Rubella Cảm biến A D N trên cơ sò' màng kim loại được chế tạo theo cấu trúc dạng răng lược bằng phương pháp phún xạ sau đó được biến tính bề mặt bởi dây nano polypyrrole bằng phương pháp điện hóa Lóp hạt nano vàng sau đó được phủ lên bề mặt của cảm biến trước khi A D N dò được cố định lên trên cùng Khi A D N đích được lai hóa với A D N dò trên bề mặt cảm biến, tín hiệu điện hóa sẽ cho ta biết nồng độ của ADN đích trong mẫu Thử nghiệm với virut Rubella cho thấy độ nhạy của cảm biến đạt đến 2 pM với nồng độ AD N dò là 10 |iM.

Cảm biến trên cơ sở màng kim loại xốp được thiết kế theo dạng càm biến điện cực tròn với 3 điện cực là điện cực làm việc, điện cực đối và điện cực so sánh Điện cực làm việc được chế tạo từ màng xốp giàu Pt Màng xốp này được chế tạo bằng cách tạo màng hợp kim PtAg bằng phương pháp phún xạ, sau đó ăn mòn A g bằng phương pháp điện hóa Đ iện cực làm việc được biến tính bởi dây nano polypyrrole và cố định A D N dò lên bề mặt với nồng độ 10 |iM A D N đích được lai hóa với AD N dò trên bề mặt cảm biến và tín hiệu đo được cho thấy giới hạn phát hiện của cảm biến là 0,2 nM.

Hệ thiết bị đo cảm biến kết họp hệ iock-in cũng được thiết kế thành công để đo tín hiệu đầu ra của các càm biến sinh học và được thử nghiệm để đo đạc với các cảm biến chế tạo được Hệ này có thể ứng dụng để đo nhiều loại cảm biến A D N khác nhau Ngoài ra, đề tài cũng đã nghiên cửu chế tạo và tính chất các hạt nano vàng, Pt, FePt với tiềm năng ứng dụng để tăng độ nhạy của cảm biến sinh học.

D N A sensors were successfully manufactured on the basis o f metal íilm and nanostructured porous film o f Pt applicable in the detection o f the Rubella virus D N A sensors based on metal film are produced in the form o f comb structure by sputtering method, then the surface o f sensors was denatured by polypyrrole nanoxvires using electrochemical method Gold nanoparticles layer is then coated onto the surface o f the sensor beíòre the DN A detector is íixed With hybridization o f the target D N A with probe D N A on the surface o f the sensor, the electrochemical signal will give an indication o f the concentration o f the target D N A in the sample Experiment with the Rubella virus shows sensitivity o f the sensor reaches 2 pM with 10 |iM concentration o f probe DNA.

Sensors based on porous metal fílm are designed as a circle-electrode sensor with 3 electrodes

as working electrode, counter electrode and reíerence electrode Working electrode is made from porous Pt-rich fílm, which is made from sputtered alloy PtAg film then removal o f A g by electrochemical method Working electrode was modifíed by polypyưole nanowires then probe DNA was fixed onto the surface with a concentration o f 10 nM The hybridization o f target DNA with probe D N A changes the electrochem ical signal Measurements show that the đetection limit o f the sensor reaches 0.2 nM.

Biosensor measurement system s combined with lock-in system is also designed to measure the output signal o f the biosensors and successfully tested with manufactured sensors This system can be applied to measure raany different types o f D N A sensors In addition, the prọịect also studied the synthesis and properties o f gold, Pt, FePt nanoparticles with potential application to increase the sensitivity o f biosensors.

3.1 Kết quả nghiên cứu

5 Cảm biến điện hóa 30 chiếc, khả năng phát hiện

Đặc tả các công đoạn đưa

A D N lên trên bề mặt của cảm biến ửên cơ sở màng kim loại xốp cấu trúc nano.

Đ ặc tả các công đoạn đưa

A D N lên trên bề mặt của cảm biến trên cơ sờ màng kim loại xốp cấu trúc nano.

7 Hệ đo cảm biến sinh học Không đăng ký H ệ đo tích họp lock-in có

khả năng đo tín hiệu đầu ra của cảm biến sinh học

3.2 Hình thức, cấp độ công bố kết quả

Tình trạng

(Đã in/ chấp nhận in / đ ã nộp đơn/ đã được chấp nhận đom hợp lệ / đã được cấp g iấ y xác nhận SH TT/xác nhận sử dụng sản phẩm )

Ghi địa chỉ

và cảm ơn

sự tài trợ của

Đ H Q G H N đúng quy đinh

Đánh giá chung

(Đạt, không đạt)

1 Công trình công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống ISI/Scopus

1.1 -loang Luong Nguyen, Hoang

Mam Nguyen, Hoang Hai Nguyen,

Manh Quynh Luu, Minh Hieu

Nguyen,

Nanoparticles: synthesis and

applications in life Science and

environmental technology,

Advances in Natural Sciences:

Nanoscience and Nanotechnology

4 Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus

4.1 Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy

Ha, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc

Trinh, Chu Duc Trinh,

Three-electrode capacitive sensor

for air-bubble inside íluidic flow

4.2 T Vu Quoc, T Pham Quoc, T

|chu Duc, T.T Bui, K Kikuchi, M

_

18

1

\o y a g i,

3apacitive sensor based on PCB

echnology for air bubble inside

íluidic flow detection

[EEE Sensors 2 0 1 4 Proceedings,

Dp 237-240.

5 3ài báo trên các tạp chí khoa học của ĐHQGHN, tạp chí khoa học chuyên ngành

^uốc gia hoặc báo cáo khoa học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế

5.1 'ỉguyen The Binh, N guyen Dinh

rhanh, Nguyen Quang Dong,

Nguyên Thị Trinh,

Preparation o f Platinum

Manoparticles in Solution o f

Polyvinyl Pyrrolydone (PVP) by

Laser Ablation M ethod

VNU Joumal o f Science:

Vlathematics - P hysics 30, No 2

(2014) 18-24.

5.2 Truong Thanh Trung, Nguyen Thi

Thanh Van, N guyen Hoang Nam,

'íguyen Hoang Luong,

Effect o f heat treatment on the

Droperties o f FePt nanoparticles

Droduced by sonochem istry

Fluidic Capacitive Sensor for

Detection o f Air Bubble Inside

Engine Lubricating Oil

VN U Joumal o f Science: Natural

Sciences and T echnology 31, No

1 (2 0 1 5 )8 -1 6

5.4 Nguyen Dac Hai, Pham Hoai

Nam, Vu Quoc Tuan, Tran Thi

Thuy Ha, N guyen N g o e Minh,

Chu D uc Trinh

Proceedings o f International

Conference on Engineering

M echanics and Autom ation

(ICEMA 3), H anoi, 15-16 October

2014, pp 265-270.

5.5 [Invited] N guyen H oang Luong,

Nguyen Hoang N am , N guyen Thi

Thanh Van, Truông Thanh Trung,

Hard magnetic properties o f Fe-

based nanoparticles

The International Sym posium on

Frontiers in M aterials Science

Đạt

19

'ISFMS 2013), Hanoi, Vietnam,

17-19 November 2013.

5.6 Luu Manh Quynh, N guyen Hoang

^am, Nguyen Thi Nhung, Nguyen

Hoang Luong, K Kong, I

Motinger, M Henini,

Surface Enhanced Raman study o f

4-ATP on Gold nanoparticles in

Basal tumor íingerprinted

detection

The International Workshop on

Advanced Materials and

Preparation o f nanoporous Pt-rich

thin íilm s by using sputtering and

electrochemical methods

The International Sym posium on

Nano - Materials, Technology and

- Cột sản phẩm khoa học công nghệ: Liệt kê các thông tin các sản phẩm K H C N theo thứ tự

<tên tác giả, tên công trình, tên tạp chí/nhà xuất bản, s ổ p h á t hành, năm p h á t hành, trang đăng công trình, m ã công trình đ ăn g tạp chí/sách chuyên khảo (DOI), loại tạ p chí ISI/Scopus>

Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo ) chỉ đươc chấp nhân nếu

cỏ ghi nhận địa chỉ và cảm ơn tài trợ của ĐH QG H N theo đúng quy định.

Bàn phô tô toàn văn cá c ẩn phẩm này p h ả i đưa vào phụ lục cá c minh chứng của báo cáo Riêng sách chuyên khảo cần có bàn phô tô bìa, trang đầu v à trang cuối cỏ ghi thông tin mã số xuất

3.3 Ket quả đào tạo

Nghiên cứu sinh

1 Pham Văn Hào 18 tháng/100 triệu p v Hao, N.H Luong, M.A Tuan, Đang thực

20

Preparation o f nanoporous Pt-rich thin íilm s by using sputtering and electrochemical methods

International Sym posium on Nano

- Materials, Technology and Applications (Nanomata 2014), Hanoi, 15-17 0 c to b er 2 0 1 4

Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy

Ha, Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Trinh, Chu D uc Trinh,

Three-electrode capacitive sensor for air-bubble inside Auidic flow detection

Proceedings o f the 2014 IEEE International Conference on Communications and Electronics (ICCE), pp 644-649.

IEEE Sensors 2 0 1 4 Proceedings,

1 Nguyễn Thị Trinh Nguyen The Binh, N guyen Dinh

Thanh, N guyen Quang Dong, Nguyen Thị Trinh

Preparation o f Platinum Nanoparticles in Solution o f Polyvinyl Pyrrolydone (PVP) by Laser Ablation Method

VN U Joumal o f Science:

Mathematics - Physics 30, N o 2 (2014) 18-24.

PH Ầ N IV TỎ N G H Ợ P K É T Q U Ả CÁC SẢN PH Ả M K H & C N V À Đ À O T Ạ O CỦ A Đ È T À I

đăng ký

Số lượng đã hoàn thành

1 Bài báo công bố trên tạp chí khoa học quốc tế theo hệ thống

ISI/Scopus

2 Sách chuyên khảo được xuât bản hoặc ký hợp đông xuât

bản

3 Đăng ký sở hữu trí tuệ

4 Bài báo quốc tế không thuộc hệ thống ISI/Scopus 02 02

5 Số lượng bài báo trên các tạp chí khoa học cùa ĐHQGHN,

tạp chí khoa học chuyên ngành quốc gia hoặc báo cáo khoa

học đăng trong kỷ yếu hội nghị quốc tế

trên Tạp chí khoa học ĐHQGHN.

- 04 báo cáo

hội nghị quốc tế.

6 Báo cáo khoa học kiến nghị, tư vấn chính sách theo đặt

hàng của đơn vị sử dụng

7 Kết quả dự kiến được ứng đụng tại các cơ quan hoạch định

chính sách hoặc cơ sở ứng dụng KH&CN

PH À N V T ÌN H H ÌN H s ử D Ụ N G K IN H PH Í

K inh phí được duyệt

(triệu đồng)

K inh phí thư c hiện

(triệu đồng)

G hi chú

A Chi p h í trực tiếp

2 Nguyên, nhiên vật liệu, cây con 293 293

P H À N VI K IẾ N N G H Ị (về p h á t triển các kết quả nghiên cứu của đề tài; về quàn lý, tổ chức thực

hiện ở các cấp)

Đ ề nghị cho phép thực hiện đề tài mới trên cơ sở phát triển các kết quà nghiên cứu của đề tài

P H À N VII P H Ụ L Ụ C (minh chứng các sản phẩm nêu ở Phần III)

PHỤ LỤ C

A d vances in N atural S ciences: N a noscie nce and Nanotechnology

Adv Nat Sci.: N anosci N an o tech n o l 6 (2015) 0 1 5 0 0 8 (9pp) doi: 10.1088/2043-6262/6/1/015008

Nanoparticles: synthesis and applications in

life Science and environmental technology*

Hoang Luong Nguyen1, Hoang Nam Nguyên’ 2, Hoang Hai Nguyen1,

Manh Quynh Luu2 and Minh Hieu Nguyen1

1 Nano and Energy Center, Hanoi University of Science, Vietnam National University in Hanoi, 334

Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam

2Center for Materials Science, Faculty of Physics, Hanoi University of Science, Vietnam National

Universúy in Hanoi, 334 Nguyen Trai, Thanh Xuan, Hanoi, Vietnam

This work focuses on the synthesis, functionalization, and application o f gold and silver

nanoparticles, magnetic nanoparticles Fe30 4, combination o f 4-ATP-coated silver nanoparticles

and Fes04 nanoparticles The synthesis methods such as chemical reduction, seeding,

coprecipitatioĩi.and inverse microemulsion w ill be outlined Silica- and amino-coated

nanoparticles are suitable for several applications in biomedicine and the environment The

applications o f the prepared nanoparticles for early detection o f breast cancer cells, basal cell

carcinoma, antibacterial test, arsenic removal from water, Herpes D N A separation, CD4+ cell

separation and isolation o f D N A o f Hepatitis virus type B (HBV) and Epstein-Barr virus (EBV)

are discussed Finally, som e promising perspectives w ill be pointed out.

Keywords: gold nanoparticles, silver nanoparticles, magnetic nanoparlicles, functionalization

Mathematics Subject ClassiAcation: 4.02

1 Introduction

Nanoparticles are o f great interest because o f theứ technolo-

gical and íundamental scientiíìc importance These materials

often exhibit íascinating properties which cannot be achieved

by their bulk counterparts Their applications, or potential

applications, are in many íìelds [1 -5 and references therein]

Nanoparticles have advantages in application in life S cien ce

and the envứonment Theứ particle size is comparable with

the dim ension o f sm all m olecules (about 1 - 1 0 nm) or o f

vừuses (about 1 0 -1 0 0 nm) This allows nanoparticles to

attach to biological entities without changing their íuncũons

Large suríace area o f nanoparticles permits strong bonds with

surfactant molecules In the environment, the small size o f

nanoparticles, together with their large suríace area can lead

to very sensitive detection o f a speciíìc contaminant from the

presence o f which pollution often arises Nanoparticles can

* Inviied talk at the 7th International Workshop on Advanced Materials

Science and Nanoiechnology IWAMSN2014, 2-6 November, 2014, Ha

2 Experimental

2.1 Synthesis of nanoparticles 2.1.1 Gold nanoparticles. Gold nanoparticles with a size o f about 40 nm have been synthesized by a chemical reduction method using sodium borohydride (NBH4) [6] HAuCLi and NBH4 are stirred in water with appropriate time and the ratio

o f gold to sodium borohydride Gold nanopaiticles wiửi sizes ranging from 2 to 5 nm were also prepared by seeding method using suríactant o f cetyluimeửiylamonium bromide (CTAB) [7].

2 0 4 3 -6 2 6 2 /1 5 /0 1 5 0 0 8 + 0 9 Í3 3 0 0 1 © 201 5 V ietnam A cadem y ol S cie n ce & Technology

2.1.2 Silver nanoparticles. Silver nanoparticles have been

prepared by a modiíìed sonoelectrodeposition method [8]

The modificatíon is that a silver plate was used as the cathođe

instead o f silver salts to avoid unexpected ions This method

allows producing A g nanoparticles (AgNP) wiửi the size of

4 -3 0 nm dispersed in a non-toxic solution.

2.1.3 Magnetic nanoparticles. Magnetic Fe304

nanoparticles with size 10-15 nm were synthesized by using

coprecipitation from iron (III) chloride and iron (II) chloride

S o lu tio n s with the assistance o f aqueous ammonia solution, as

described in [9 ,1 0 ] Coprecipitation is a íacile and convenient

way to synthesize magnetite nanoparticles from aqueous

Fe2+/F e3+ salt solutions.

2.1.4 Combination of 4-ATP-coated silver nanoparticles and

Fe30 4 nanoparticles. Silver nanocolloids were synthesized

by wet chemical reduction method using N aBH4 with the

presence o f suríace activator polyvinylpyrrolidone (PVP),

then was coated by 4-ATP to form Ag-4ATP nanoparticles

T hese nanoparúcles were combined with the above-

mentioned F e304 nanoparticles to form multiíunctional

nanoparticles by inverse microemulsion method [11] The

inverse microemulsion was created by mixing hydrophobic

phase o f toluene and hydrophilic phase that was made from

the mixture o f Ag-4ATP solution after 4 months storage and

F e j 04 solution right after synthesis Under Sonic bath,

different mass rates o f A g-4ATP/Fe304 were moderated for

2 h beíore tetraethylorthosilicate (TEOS) was added to react

with water in solution to form S i 02 coat that covered both

types o f particles, as in reaction (1) Silicate in amorphous

confoimation created a boundary thin íìlm, which covered the

initial nanoparticles.

S i(O C2H5 ) 4 + 2H 20 -► S i 02 + 4C2H5OH (1)

2.2 Functionalization/coating of nanoparticles

Nanoparticles need to be fanctionalized in order to conjugate

with biological entities such as DNA , antibodies and

enzym es The most w idely used íunctional groups are amino,

biotin, steptavidin, carboxyl and thiol groups [1 2].

2.2.1 Functionalization of gold nanoparticles. For

application to detect breast cancer cells, gold nanoparticles

synthesized by a chemical reduction were functíonalized with

4-aminothiolphenyl (4-ATP) For basal cell carcinoma

detection, different araounts o f 4-ATP solutions were added

to gold nanoparticles coated by CTAB CTAB on the suríace

o f gold nanoparticles was replaced by 4-ATP to form gold

nanoparticles functionalized with 4-ATP (AU-4ATP).

2.2.2 Functionalization of magnetic nanoparticles. Fe304

nanopartiđes were functionalized using 3-aminopropyl

triethoxysilane (APTS) APTS is a biíunctional molecule,

an anchor group by vvhich the m olecule can attach to free -OH

suiface groups The head group íunctionality -NH2 is for

conjugating with biological objects The amino-NP is ready to conjugate with the D N A o f the Herpes vữus and with Ithe antiCD4 antibody.

2.2.3 Silica coating of magnetic nanoparticles. MairUaining the stability o f magnetic nanoparticles for a long tìme without agglomeration or precipitation is an important issue (see, for instance, [4]) The protection o f magnetic nanopartic les against oxidation by oxygen, or erosion by acid or base, is necessary One o f the ways to protect magnetic nanopartic les

is c o a tín g th e m w ith silic a A s ilic a Shell n o t o n ly p r o tects the magnetic cores, but can also prevent the direct contact o f the magnetic core with addiúonal agents linked to the silica suríace that can cause unwanted interactions The coating thickness can be controlled by varying the ccncenưation of ammonium and the ratio o f TEOS to H20 The surfaces o f silica-coated magnetic nanoparticles are hydrophilic and are ready raodiíìed with other íunctional groups [13] W e have prepared Fe3CVSiC) 2 nanoparticles by coaing magnetic nanoparticles with silica using TEOS [10] Silica layer has

o f the epidermal growth íactor (EGF) fam ly o f tyrosine kinase receptors These include HER1, HER2, HER3, and HER4 W hile HER1, HER3, and HER4 are 0 'erexpressed in various types o f cancer cells, such as head, reck, brain, sto- mach, breast, colon, gast, prostate, and so on, HER2 is a biomarker vvhich is more speciAc for breaỉt and ovarian [22, 23] HER2 is super-expressed wiửi severíl hundred folds higher in cancer cells o f 20-30% breast cancir patients than

in normal cells Thereíore, HER2 is an intertsting target for therapy o f breast cancer Anti-HER2 with generic name trastuzumab or trade name herceptin is a hunanìzeđ mono- clonal antibody (mAb), which has been appro^ed by the FDA since 1998 for treatment o f metastatic breast cancer [19, 20, 24] In this study w e conjugated -he gold nano- particles with anti-HER2 antibody (trastuỉumab) ứirough either non-covalent or covalent linkages Tie trastuzumab- conjugated gold nanoparticles were then usei to speciíically label breast cancer cells, KPL4 line, for im aịing o f the cells.

A s seen from tìgure 1, in ử>e case o f the gold nano- particles without corýugaúon wiửi trastuzimab, the gold nanoparticles could not find the cancer cells md nothing was observed in the dark-field microscopy image (A2) When the gold nanoparticles were directly conjugated vith trastuzumab the gold nanoparticles concentrated on the :ancer cells and

Pigure 1 Typical brĩght-field (Aj A3 A5) and dark-lĩeld (Aọ, A4, A6) microscopv images of breast cancer cells aíter incubation with ihe Au

NP non-conjugated with ưastuzumab (ApAo), tlie Au NP conịugated vvith trastuzumab (A 3 -A 4 ) and the amino-GNP covalently conjugated with trastu/.umab through EDC connection (A5-A6).

these cancer cells w ere clearly observed in the dark-íìeld

m icroícopy im age ÍA4) 'oy ineans o f the scaitering iight o f the

gold nanoparticles W hen the am ino-gold nanoparticles

(am ino-G N P) w ere covalently corýugated vvith ưastuzum ab

through l-ethyl-3-(3-dim etbylam inopropyl) ethylcarbodiim ide

(E D O connection, the gold nanoparticles concentrated on the

cancer cells as well, but these cancer cells were observed with

slightly low er intensity in the dark-field m icroscopy im age

(A6) in com parison vvith those in the im age A4 H ow ever, the

gold nanoparticles directlv corýueated with trastuzum ab were

able to be siored in a freezer for only about two weeks beíore

they lost their activity; w hile the gold nanoparticles cova-

lently eorýugated w ith trastuzum ab vvere stable for storaae for

about t\vo nionths.

3.2 B asal cell carcinom a íingerprinted detection

Recently, the suríace enhanced R am an scatterina (SERS) has

attracted m uch interest in the tield o f bio-labeling due to the

signiHcant enhance of the labeling signals of m olecular

vibrations on the surtace o f m etallic nanoparticles In this experim ent, we investigated SERS signal of 4-A TP that linkcd to surlầcc of gold nanopariicles vvhile beins conju2ated

\viih the skin carcinom as cell antibody BerEP4 The Au- anúbody solutions were dropped on the suiíace o f the tissue and ứie SERS signals were collected and analyzed [7] Figure 2 show s the A naerprinted landscape of SERS signals

of A u-antibodv on a basal cell carcinom a (BCC) ússue Figures 2(A) and (B) show the colored and micro spectro- scopy im age oi' the tissue, w here the cancer cell area m ay be the dark colored recions, for exam ple, region A l, A2, B I and B2 Figure 2(C) shovvs the result o f SERS signal analyzed using principle com ponent analysis [7] Figure 2(D) show s the resuli o f the SERS signal analyzed usine only the intensity

of SERS peaks at 1075 c r r f T h e an ticen-antibody couplinc oriented the A u-antibody colloids close to the BCC suríace The carcinom as sections should be considered as a dock

u h e re distributed high concentration o f A u-antibody parti- eles, then the SERS peak intensity at 1075 cm’ 1 will higher in these areas Figure 2(D) show s the results of using the peak

3

Adv Nat Sci.: N anosci Nanotechnol 6 (2015} 015008 h L Nguye:! st al

Figure 2 Fingerprinteđ landscape of SERS signals of Au-amibody on BCC tissue (A) Gram slaining picture of a BCC tissue where AI a n d

A2 are the suspected area; (B) microscope picture of BCC tissue Areas BI and B2 are the same po.sition on the ússue with AI and A2, respectively; (C) prinđple component analyzed SERS signal landscape Areas C1 and C2 are the same position on the tissue with AI and A2 respectively; (D) the landscape of intensity of SERS peaks at 1075 cm"' Areas Di and D2 are the same position on the tissue with AI and A2, respectively In figure D the đifference of DI and D2 show that only red colored D2 (and the similar color area) is the iníectcd area and

DI is not.

height at 1075 cm~’ to m appinc the A u-anúbody appearina

areas in 4 0 x 4 0 // r r r region In com parison, u sin s thc prin-

ciple com ponent analysis m ethod, w here the SERS signals

vvere compared with each other, then the difference o f the

SERS spectra from the average spectram is mapped in

íìeure 2(C) In íigure 2(C), the yellovv to the red colored areas

such as C1 and C2 areas can be considered as cancer regions

H ow ever, the area D I in íigure 2(D) does not show the high

iniensity o f the peak at 1075 cm -1 while the others such as D2

area indicate very hieh intensity of the peak at 1075 cm - '

From all the íĩgures, only A2, B2, C2 and D2 regions can be

surely considered as the cancer areas, while A l B l, C1 and

DI may be assiened as the posúion of a skin hole where the

cel! concentration is hiaher than in other parts By principle

com ponent analysis, only Ihose resions were highlishted

vvhich d iíĩer from other reeions and the non-carcinom as can

also be obsen-ed However, in som e special regions, one can

make a mistake during the diagnosis In addition accordins to

the collecting time o f each spectrum b ein c nearly 5 s the vvhole SERS m ap collecting time should be lo n eer than 2 h In order to shorten the collecting time, ìf the collectcd band is only lim ited by a n aư o w band around the 1075 c r r f 1 peak, thc collecting tirae o f each spectrum may decrease to O l-O 2 s Then, the fìngeqm nted im age using peak heieht at 1075 cm can be obser\'ed in around 5 min hence this can be the solution tbr quick diagnostics d u rin s an operation.

3.3 Antibacterial test using silver nanoparticles

The quantitatively antibactcrial study of AgNP in L uria- Bertani (LB) broth is show n in tigure 3, v-.'hich presents the

dynam ics of E scherichiu coli (E coìi) grow th in only LB

broth (negative control) LB broth supplem ented \vith 120^/1 trisodium citrate (TSC) solution (TSC conư ol) and LB broth supplem ented with A gN P (A cN P antibacteria] tests) The

am ount of A eN P w as adjusted to have the concentration from

2 to 200 /ig m ĩ ' V ertical axis represcnts optical density at

Figure 3 Bar chan of OD5 9 5 reAecting E coli concentration in LB in

the prcsence of different concenưations of AgNP nanoparticles

(ụ% m l '1) as increasing time (h) Each test was conducted after 4, 8,

24 and 30 h It is obvious that, with the concentration of

AgNP> l6//g lĩil"1, the E coli growth was inhibited.

Table 1 Arsenic concentration (^ g l_l) remained in water after

removal by 1 g r 1 of the Co-ferrites as a íunction of the stiưing time.

595 nm (1 optical density at 595 nm, O D5 9 5, equals the con-

centraũon o f 1.7 x i o9 c e lls m T 1) The initial number o f

E coli inoculated into 2 ml LB m edium o f the tested tube was

1.7 X 106 cells, providing ửie final bacterial concentration o f

8.5 X 105 cells ml_1 For the negative conữoi and the TSC

control, E coli bacteria grew normally The coneentration of

E coli after 30 h in the TSC control (O D 595 = 2.5) is higher

than that in the negative control (O D5 9 5 = 1.5) which suggests

that TSC was not toxic to E coli and m ay be even enabled for

the bacterial growth The situatíon is different with the pre-

sence o f A gN P because o f the wel]-known antibacterial

property o f this metal [25] W hen A gN P concentration was

2 ịig m l '1, the result was similar to the result o f the negative

control because the low value o f A gN P could not inhibit

bacteria growth With higher A gN P concentration, the inhi-

bitory effect occurred within 8 h even at low A gN P con-

centration o f 4 ^ g m l_1 This value is about twofold lower

than the threshold concentration o f 8 ụg ml- 1 reported for Ag-

loaded activated carbon in another research [26] and slightly

higher than a value o f 2 -3 ng ml- 1 reported for the compli-

cated Tollens process [27] The m inim al inhibitory con-

centration (MIC) is deíìned as the lo w est concenưation of a

drug that w ill inhibit the visible growth o f E coli after a

period o f time long enough for the growth o f single colony to

a turbid bacteria culture observable to the naked eye Com-

monly it is ovem ight incubation For longer incubation time,

i.e., 24 and 30 h, E coli grew in the broth tubes with AgNP

concentration < 1 2/ i g m r l and inhibited in the broth tubes

wiứi A gNP concentration > 16 ịig m r 1 Thereíore, the MIC o f

AgNP against the growth o f E coli is 1 6 /v g m r 1 which is

close to the MIC, normally ranging from 1 to 16 ml 1, of antibiotìcs used for the ưeatment o f E coli [28].

3.4 Magnetic nanoparticles 3.4.1 Arsenic removal ừom water. The arsenic adsorption abilities o f the magnetite, F ei.xCOj.Fe2 0 3 (Co-ferrites) and

F e1.).Niy0 .Fe2 0 3 (Ni-ferrites) were studied with diữerent conditions o f stirring time, concentration o f nanoparticles and

pH [29] Table 1 shows the stứring time dependence of arsenic removal for 1 g r1 o f Co-ferrites at neutral pH The starting concentration o f o l m g] - 1 was reduced about 1 0

times down to the maximum permissible concentration (MPC) of 0.01 m g p1 after a stirring time o f few minutes (the Standard deviation is about 10%) The removal process did not seem to depend signiíìcantly on the concentration o f X

in the Co-ferrites Similar results were found for the Ni- íerrites, in which the arsenic concentration was reduced to the MPC value after a few minutes o f stirring and ứie removal did not change signiíĩcantly with >’ W e also studied the effects of the w eight o f the nanoparticles on the removal process The stirring time was íìxed to be 3 min and the vveight o f samples was changed from 0.25 g r 1 to 1.5 g r 1 in steps o f 0.25 g 1_1 The results showed that, after 3 min, the optimal vveight to reduce arsenic concentration down to a value lower than the MPC was 0.25 g r 1 for raagnetite and 0.5 g r 1 for Co- and Ni-ferrites.

The arsenic adsorption was reported to be independent of

pH in the range o f 4 to 10 However, at high pH, the adsorption was reduced signiíìcantly Arsenic was desorbed from the adsorbent at alkaline pH [30] Our reported results were conducted at a pH o f 7 After arsenic adsorption, the nanoparticles were stiưed under a pH o f 13 to study the desorption process Nanoparticles were coilected by using a magnet and the arsenic concentratíon in the solution was determined by using atomic absorption spectroscopy The results showed that 90% o f the arsenic ions were desorbed ữom nanoparticles The nanoparticles aíter desorptíon did not show any difference in arsenic re-adsorption ability, The adsorptíon-desorption process was repeated four times, which proved ứiat ửie nanoparticles could be reused for arsenic removal.

3.4.2 Herpes DNA separation. Herpes simplex virus causes exừem ely painíul iníections in humans [31] The determination o f the presence o f this virus is important An electrochemical sensor is a simple and fast way to recognize the presence o f the D N A o f the virus However,

e le c tr o c h e m ic a l se n so r s h a v e a lim it o f s e n s itiv ity , s o th e y cannot measure concentrations lower than a few tens of

nM r1 [32] Thereíore, a D N A separation beíore the measurement by using the elecưochem ical sensor needs to

be carried out to increase the concentration o f tìie DNA To

do that, w e used a D N A sequence, which is representative of the Herpes virus, as a probe to hybridize with ửie target D N A

in the sample The probe D N A sequence o f the Herpes virus was HSV-Ì o f 5’-AT CAC CGA c c c GGA GAG GGA C-3’

(Invitrogen) The phosphate group in the 5 ’ o f the probe D NA

5

0 5 10 15 20

Initial volume (ml), concentration 0.,1 nM/l

Figure 4 D ependence o f the output signal on the initial volum e

before and after magnetic separation.

sequence needs to be activated in order to coiỹugate with the

aưiino group o f the amino-NP suríace The probe D N A after

being activated vvith EDC and l-m ethyllm idazole (MIA) was

m ixed with the amino-NP to have nanoparticles with the

probe D N A on the suiíace The D N A -N P was heated in de-

ionized water at 37 ° c for 18 h The P rod ucts o f this process

were nanoparticles with the probe D N A sequence on the

suríace (DNA-NP).

The D N A separation was conducted as follows: 1 ml o f

the solution containing 2 wt.% o f D N A -N P was mixed with

2 -2 0 ml o f a solution vvith 0.1 n M r ' o f the Herpes DNA

The hybridization o f the probe D N A and the target DNA

occuưed at 37 ° c for 1 h; then, by using magnetic decanta-

tion, the nanoparticles with hybridized D N A were collected

and redispersed in 0.1 ml o f water The dehybridization o f the

nanoparticles vvith the probe and target D N A occurred at

98 ° c Removing the D N A -N P from the solution by using

magnetic decantation, w e obtained a solution with a high

concentration o f the D N A o f the Herpes virus When all the

target D NA was separated, the concentration o f the D N A had

increased from 2 0 -2 0 0 times [29].

Figure 4 presents the dependence o f the output signal on

the initial volume o f the solutíon containing 0.1 nM r1 o f the

Herpes D N A beíore and after the magnetic separation The

initial solutìon contained 0.1 nM r1 o f the D N A , which was

much smaller than the sensitivity o f the sensor Therefore, the

measurement o f the solution beíore magnetic enrichment was

almost zero (figure 4, open squares) After magnetic

enrichment, depending on the initial volume o f the solution,

the output signals linearly increased vvith increasing initial

solution volume The higher the volum e, the higher the

concentration As a result, higher output signals were

obtained This means that the concentration o f the DNA

was much condensed after the enrichment The concentration

obtained by comparing the initial volume and the final

volum e was almost consistent with the concentration obtained

from the electrochemical sensor With the highest initial

volum e that was used in our studies, the con.centration after magnetic enrichment was 2 0 0 times higher than the iniúal concentration With the magnetic enrichment process, vve can measure the solution with the low concentration o f 0.1 nM r 1, which is 1 0 times smaller than the limit o f the electrochemical sensor.

3.4.3 CD4* cell separation. The prepared nanoparticles have been used for C D 4+ cell separation [29] The amino-

nanoparticles were c o u p le d with the an tiC D 4 m onoclonal

antibody (antiCD4, invitrogen) In som e sam ples, an amount

o f Auorescent isothiocyanate (FITC) labeled antiCD4 monoclonal antibody (FITC-antiCD4 or antiCD4*, excitation/emission: 4 8 0 n m /5 2 0 n m ; Exiobio) was additionally added with various amounts o f non-labeled antiCD4 for interaction with the amino-NP via carbodiimide Two types o f nanoparticles were suspended in phosphate saline buffer (PBS) containing 0.1% bovine serum albumin (BSA) One type was coated with non-label antiCD4 (antiCD4-NP) and the other was coated with a mixture of non-labeled and FITC-labeled antiCD4 (antiCD4*-NP) Several 200 ịả \ tubes o f blood were gently centriíuged to remove the serum and to obtain the blood cells After that, each tube was incubated w ith either 0 2 m g o f antiCD4-NP or 0.2 mg o f antiCD4*-NP 1.3 ml o f hypotonic buffer (5 mM Tris pH 7.0, 10% glycerol) was ađded to burst the red blood cells to form ghost cells The anúC D4-N P or antiCD4*-NP- coated cells werc then magneticaỉly separated from the ghost cells.

In a parallel experiment, for direct labeling o f the CD4+ T cells by the FITC-antiCD4 m onoclonal antibody, 2ữfA of FITC-antiCD4 m onoclonal antibody (E xiobio) was also used

to directly label the C D 4+ T cells In this experiment, the

C D 4+ T cells were collected, together with other cells in blood, by centriíugation Finally, the collected cells were resuspended in 50 ịi\ o f storage buffer (PBS containing 10% glycerol) to be observed under a Carl Zeiss A xio plan microscope.

The FITC-antiCD4 m onoclonal antibody emits green light (520 nm) when being excited by blue light (480 nm) Figure 5 presents a visualization o f individual CD4+ T cells under white light and under blue light excitation, after being labeled with the FITC-labeled antiCD4 monoclonal antibody

W e could observe many cells, including red blood cells and white blood cells, under w hite light illuminatìon (íìgure 5(A)), but under the blue light excitation, only two o f the white blood cells emitted green Auorescent signals (íigure 5(B)) in

an area o f about 104ụm1, indicating that they are the CD4+ T cells The white cells Chat did not em it Auorescent signals were not C D4+ T cells, but were other types o f white cells The average relative intensity o f the H TC labeled CD4+ T

was estim ated to be 137 000 + 45 0 0 0 arbitrary unit (mean ±

Standard d e v ia ú o n ) B a s e d o n the a v e r a g e c o u n te d num b er o f

C D 4+ T cells on 104 ụ m 2 Vision areas, w e estim ated the

relative number o f C D 4+ T cells in 1 ị.ẩ o f two blood samples from healthy people to be about 670 and 810 cells /vl-1 respectively As the normal count in a healthy, HTV-negative

Pigure 5 Visualization of the blood cells under white-lighi (A, C) and uncler hlue lighi exritatịnn (4S0 nm) (B, D), after heing coupled vvilli

the anliC'D4 antibody and antiCD4-NP*s and being separated by using a magnet.

adult can vary but is usually betw een 600 and 1200 C D 4+ T

cells // T 1, the m easured num bers o f the C D 4 + T cells in our

experim eni \vere acceptable as thev fell in the Standard ranse

N everiheless w e suspected that elim ination o f the back-

grounđ in íluorescent detection rrúght have caused the íairly

low num bers of the C D 4+ T cells in the two blood samples.

VVe a tíem p ted 10 d e v e lo p an a ltem a tiv e m eth o d to

pnm arily separate the C D 4+ T cells by usine an extem al

m agnetic force belore counting the cell num ber by using a

A uorescence m icroscope For that purpose, it was essential to

prepare m aanetic nanoparticles Ihat had stable and speciíìc

links betvveen the m onoclonal antibodv and the particular

receptor C D 4 on the m em branes o f the C D 4+ T cells

T herelore, the nanoparticles were functionalized w ith free

am ino group (am ino-N P) for covalent linking with the

carboxyl group of the antiC D 4 m onoclonal anlibody to

obtain antiC D 4 antibody m odiíĩed nanopaiticles (antiCD4-

NP) T he antiC D 4-N Ps were used as a m aterial to conjugate

w ith C D 4+ T cells for the m agnetic separation In fact, we

tried with various am ounts of antiCD 4 from 1 -1 0 0 ^ E and

1'ound ihat 20 fig \vas enough for corýugating with 0.4 rag of

n a n o p aitid es The m agnetically sorted cells were o b sen 'ed

under a conventional m icroscope, as show n in íìgures 5(C) and (D) Here, the FIT C -labeled antiCD 4 plays as a signal for detectior o f CD-1+ T cclls undcr a fiuorcsccncc m icroscope All o f the cells bound with a single layer of antiCD 4*-N P

356 000 ± 6 4 000 (arbitrary unit), w hich w ere about 2.6 tim es higher than thai observed w hen using FITC-antiCD4 directly

as show n in íigure 5(B) W e did not observe white cells vvithout Auorescent sianals due to the magnetic separation

O ur duta coníìrm ed that a com bination o f m aenetic separation and the detection o f the Auorescent signal im proved the signals com pared to that o f direct labeling of CD4+ T cells bv FITC -antiC D 4 m onoclonal antibody Counting the exact num ber o f antiC D 4*-N P coated cells still had som e challenges: (a) num ber o f nanoparticles attached to the cells, contribution 10 the background vvhich largely interíeres with the signals of antiC D 4*-N P bound cells; (b) nonuniíoiTii disưibution of the cells in the Vision area; (c) a certain percentaee o f antiC D 4-N Ps bound cells (about 20%) w as not attracted hy the m asnetic tìeld as we could observe Ihe Huorescene em itting cells in the supem atant after separalion.

7

A dv Nat S ci.: N anosci N a notechnol 6 (2015) 015008 H L Nguyen et al

100 bp (+) (-) 1 2 3 4 5 6 1’ 2' 3’ 4' 5' 6'

- 434 bp

Figure 6 Electrophoresis result of PCR Products of HBV speciíìc

gene using DNA puritìed by Fe304/Si02 nanoparticles: 100 bp DNA

ladder, (+) positive control: PCR product of puriíìed pGEM-HBV,

(-) negative control, lane 1 to 6: PCR Products using puriíìed DNA

from samples from No 1-6 by Fe3 0 4/Si0 2 nanoparticles, lanes 1’ to

6’: PCR Products using puriíìed DNA from samples from No 1-6 by

Dynabeads.

3.4.4 Detection of pathogenic viruses

3.4.4.1 Puritication of DNA of Hepatitis virus type B (HBV)

using silica-coated magnetic nanoparticles and optimized

builers. Beíore testing the D N A puriíìcation procedure

with real serum samples, w e measured the eííìciency o f

D N A recovery o f the Fe3 0 4/S i0 2 nanoparticles and the

optimized buữers using Standard pure pGEM-HBV plasmid

at t e n ío ld d ilu ted c o n c e n ừ a tio n s ra n g in g fro m 4 X 1 0 9 c o p íe s

m l" 1 to 4 x l 02 copies mi-1 The enriched D N A solutions

were used as templates for amplitìcation o f 434 bp fragment

o f s gene speciíìc for HBV [10] The results indicates that

F e3 0 4/S i0 2 nanoparticles and the optim ized buffer could

successíully enrich D N A from solution and ửiat the puriíìed

D N A was qualitìed for further PCR-based detection o f HBV

at a sensitivity o f 4 x 102 copies ml-1

W e then used F e3 0 4/S i0 2 nanoparticles and the buffers

to isolate D N A o f HBV in six real serum samples (one

negative, tìgure 6, lane 5 and five positives, íìgure 6, lanes

1-4, 6) As a result, w e could observe faint speciíìc bands o f

434 bp for HBV in samples in lanes 1 and 3, and very bright

bands o f 434 bp for H BV in samples in lanes 2, 4, and 6

Meanwhile, no band was observed in the sample in Iane 5

The data indicates that six real serum samples had different

concentration of virus copies, o f which the saraple in lane 6

had the highest virus load Our data were in good agreement

with those coníìrmed by the hospital where the samples were

collected In parallel, w e períormed similar experiments with

these six serum samples using the commercialized silica-

coated magnetic microparticles Dynabeads® m yone™ silane

(short name: Dynabeads, Lìfe Technologies) A s shown in

íìgure 6, clear bands o f 434 bp for H BV were observed in the

samples in lanes 2 ’, 4 ’, and 6’ Hovvever, intensities o f those

bands were weaker compared to those in the same samples in

lanes 2, 4, and 6 obtained in the case o f Fe304/ S i 02

nanoparticles We could not observe the speciAc

PCR-ampliíìed bands in the samples in lanes 1’ and 3 ’, pcissibly due to the low levels o f purified template D N A obtained when using Dynabeads W e conclude then that Fe3 0 4/S i0 2

nanoparticles may be more efficient than Dynabeads in

D N A isolation o f HBV from serum.

3A.4.2 Purííication of DNA of Epstein-Barr viruses (EBV) using silica-coated magnetic nanoparticles and optimized butiers. Fe3C>4/S i0 2 nanoparticles and the buffers were then used to isolate D N A o f E BV in real serum samples, in comparison to Dynabeads [10] A m ong 10 suspected EBV iníected serum samples, w e could detect clearly 250 bp- speciíìc bands for EBV in sam ples 7 and 10 using both

Fe3 0 4/S i0 2 nanoparticles and Dynabeads Hovvever, the brighter signals vvere observed when using Fe304/ S i 02

nanoparticles (not show n here), indicating that the D NA isolation effìciency o f E BV by Fe3 0 4/S i0 2 nanoparticles was higher than that using Dynabeads The result in table 2

indicates that higher concentrations o f EBV (copies/m l) in both samples were measured with using Fe3 0 4/S i0 2

nanoparticles to puriíy D N A compared to those with using Dynabeads The increase in D N A isolation efficiency by

Fe304/ S i 02 nanoparticles is likely due to a larger total surface

o f silica-coated magnetic nanoparticles During the process o f

D N A isolation, w e have found that the time required for magnets to attract com pletely ứie Dynabeads from solution was much longer, about 2 - 3 min, compared to 1 5 -2 0 s for

Fe3 0 4/S i0 nanoparticles This phenomenon is probably also due to the fact that Fe3 0 4/S i0 2 nanoparticles have a larger total suríace area compared to that o f the Dynabeads.

4 Conclusion and perspective

This work reviews numerous methods o f syntìiesis and functionalization o f gold and silver nanopaiticles, magnetic nanoparticles Fe30 4, combination o f 4-ATP-coated silver nanoparticles and Fe3 0 4 nanoparticles Some applications of the prepared nanoparticles in life sciences and the envứon- ment are discussed.

It is expected that new fabrication approaches in an environmental írienđly way w ill be introduced Efforts w ill be made for improving nanoparticles manuíacturing that requứes less energy and fewer toxic materials ( ‘green manuíacturing’) which soraetimes is referred to as ‘green nanotechnogy’ An example o f ‘green nanotechnogy’ is the development of aqueous-based m icroemulsion or inverse microemulsion described above A s the íunctionality o f nanoparticles becomes more com plex, the major ưend in further Table 2 Quantitation of EBV load in serum using DNA templates puriíìed by Fe30 4/Si02 nanoparticles and Dynabeads [10].

Sample number Material for DNA isolaúon c, (threshold cycle) Virus load (copies ml ')

developm ent o f nanoparticles is to m ake them m ultifunctional

which has the potential to integrate various íunctionalities,

and use (hem for m anuíacturing nano-devices.

Acknovvledgments

The authors would like to thank P roíessor N N Long,

Proíessor N T V Anh, P roíessor p T N ghia, Dr I N otingher

and Professor M Henini for close collaboration.

[5] Zhang L, Gu F X, Chan J M, Wang A z, Langer R s and

Farokhzad 0 c 2008 Clinical Phannacol Ther 83 761

[6] Luu M Q, Tran Q T, Nguyen H L, Nguyen N L, Nguyen H H,

Tran T T T, Nguyen T V A and Phấn T N 2011 é-J Surf

Sci Nanotech 9 544

[7] Luu M Q, Nguyen H N, Kong K, Nguyen T N, Phara B D,

Nguyen T T, Notingher I, Nguyen H L and Henini M 2014

Suríace-enhanced Raman study of 4-ATP on gold

nunoparticles in basal cell cai'cinoma fingerprinted detection,

to be published

[8] Tran Q T, Nguyen V s , Hoang T K D, Nguyen H L, Bui T T,

Nguyen T V A, Nguyen D H and Nguyen H H 2011

J Hazard Mater 192 1321

[9] Hai N H, Phu N D, Luong N H, Chau N, Chinh H D,

Hoang L H and Leslie-Pelecky D L 2008 J Korean Phys

Snc 52 1327

[10] Dao V Q, Nguyen M H, Pham T T, Nguyen H N, Nguyen H H,

Nguyên T s, Phan T N, Nguyen T V A, Tran T H and

Nguyen H L 2013 J Nanomater 2013 603940

[11] Chu T D, Nguyen Q L, Phi T H, Dinh T T D, Tran T H.

Luu M Q and Nguyen H N 2014 VNU J Sci., Math—Pliys

(Vietnam National University ìn Hanoi) 30 1

[12] Bruce I J and Sen T 2006 Langmuir 21 7029 [13] Ulman A 1996 Chem Rev 96 1533

[14] Sokolov K, Follen M, Aaron J, Pavlova I, Malpica A,

Lotan R and Richards-Kortum R 2003 Cancer Res 63 1999 [15] West J L and Halas N ] 2003 Annu ReV Biomed Eng 5 285

[16] Paciotti G F, Myer L, Weinreich D, Goia D, Pavel N,

McLaughlin R E and Tamarkin L 2004 Drug Deliverỵ

11 169

[17] Jain K K 2005 Technot Cancer Res Treat 4 407 [18] Okamura M, Kondo T and Uosaki K 2005 J Phys Chem.

109 9897 [19] Cirstoiu-Hapca A, Bossy-Nobs L, Buchegger F, Gumy R and

Delie F 2007 Int J Pharmaceut 331 190

[20] Yezhelyev M V, Gao X, Xing Y, Al-Hạii A, Nie s and

0 ’Regan R M 2006 Lancet Oncol 7 657 [21] Ferrari M 2005 Nat Rev Cancer 5 160 [22] Harari p M, Huang s M, Herbst R and Quon H 2003 Head and

Neck Cancer: A Multidisciplinary Approach (Philadelphia,

PA: Lippincott, Williams and Wilkins) p 1001 [23] www.gene.com/gene/products/educadon/oncology/

herpathway.jsp [24] Khuat T N, Ngúyen V A T, Phan T N, Can V T,

Nguyen H H and Nguyen c 2008 J Korean Phys Soc.

53 3832 [25] Kim J s et al 2007 Nanomedicine 3 95

[26] Pal s, Tak Y K, Joardar J, Kim w , Lee J E, Han M s and

Song J M 2009 J Nanosci Nanotechnol 9 2092

[27] Kvitek L, Panacek A, Soukupova J, Kolar M, Vecerova R,

Prucek R, Holecova M and Zboril R 2008 J Phys Chem, c

112 5825

[28] Kim s , Kim s s , Bang Y J, Kim s J and Lee B J 2003 Peplides

24 945

[29] Hai N H, Chau N, Luong N H, Anh N T V and Nghia p T 2008

J Korecuĩ Phys Soc 53 1601

[30] Yean s , Cong L, Yavuz c T, Mayo J T, Yu w w , Kan A T,

Colvin V L and Torason M B 2005 J Mater Res 20 3255

[31] Ryan K J and Ray c G 2004 Sherris Medicul Micrubíology 4th

edn (New York: McGraw Hill)

[32] Tuan M A, Binh N H, Tam p D and Chien N D 2005 Comm.

Phys 15 218

9

IEEE Catalog Nuxnber: CPP1416B-USB

ISBN: 978-1-4799-5050-8

Cop)TÍsht and Reprint Permission: Abstracting is permitted with credit to the source Libraries are perm itted to photocopy beyond the lim.it o f U.S Copyright law for private use of paữons those articles in this volume that canry a code at the bottom of the first page, provided the per-copy fee indicated in the code is paid through Copyright Clearance Center, 222 Rosewood Drive, Danvers, M A 01923 For reprint or republication permission, email to IEEE Copyrishts Manager at pubs-permissions@isee.org AU rights reserved Copyright ©2014 by IEEE “

IEEE ICCE 2014

The Fifth IEEE International Conterence on Communications and Electronics

W h a t's new K e y n o te S p e a ke rs T u to ria ls P rogram C o m m itte e s S u b m is s io n Special S essions

Call For Papers

T h e In te r n a tio n a l C o n íe re n c e on C o m m u n ic a tio n s and E le ctro n ic s (IC C E ) is b e c o m in g a re p u ta b le b i-

a n n u a ! in te rn a tio n a l c o n fe re n c e series in th e s c ie n tiíic c o m m u n ity on th e a re a s o f E le ctro n ics an d

C o m m u n ic a tio n s re c e n tly F o llo w in g th e p a s t su cce ssfu l c o n fe re n c e s , th e fifth ICCE (ICCE 2 0 1 4 ) looks for s ig n ific a n t contributions to various to p ic s in Communications engineering, n e tw o rk in g , m ic ro w a v e

FuII a c ce p te d p a p e rs w ill be p u b lis h e d in th e ICCE 2 0 1 4 C o n íe re n c e P roceedings an d s u b m itte d fo r

in c lu s io n in to IEEE X p lo re ® T h e p ro ce e d in g s o f ICCE series is in d e x e d by SCOPUS and listed in

C o n fe re n c e P ro ce e d in g C ita tio n In d e x (CPCI) o f T h o m s o n R e u te rs.

Three-electrode capacitive sensor for air-bubble

inside íluidic flow detection

Nguyen Dac Hai, Tran Thi Thuy Ha

Posts and Telecom m unications Institute o f Technology,

Hanoi, Vietnam haind75@ gm ail.com , thuyhadt@gmail.com

Abstruct— This paper presents a design of a three-electrode

capađtive sensor for air bubbles inside íluidic channel detection

The capacitor electrodes are ĩabricated by using the traditional

printed circuit board (PCB) technology A three-electrode cover

a sub millimeter diameter plastic tube The capacitance change

can be monitored by using a differential capacitive amplifier, a

lock-in amplifíer, niter and an NI acquisition card An air bubble

inside the liquid flow is detected by monitor the unbalance signal

between the thrcc electrode potential voltages Velocity of the air

b u b ble can be estimated based on the output pulse signal This

proposed micro-fluidic sensor can bc used for void íraction

detection in oil pipe; medical devices and systems; Auidic

ch a ra ctcriza tio n ; an d w a te r -g a s , o il-w a te r and o il-w a te r -g a s

m ultip h ase flow s in P etro leu m tech n o lo g y

Keytvords— Microfluìdic, capacitive sensor, air bubble

detecting, three-electrode capacitive sensor

Detection o f air bubbles is important in P e tro le u m

industry, engine oil lubrication Air bubbles always appear in

lubricating oil, it is enừained in the oil consists o f small air

bubbles suspended in the oil This type o f air pollution is the

most dangerous, too much air in the lubricant oil can damage

by increasing the 1'ate õ f oxidatiờn and thermal degradation,

depleting additives, as reduce heat transíer coefficient and

reducing its lubrication This problem is exacerbated when the

air bubbles m ove into the high-pressure environment where

changes in volum e caused a drastic increase in temperature

[!]•

When oxidized lubricant oil w ill be reduced viscosity and

details o f machinery w ill cause corrosion damage machinery

The earliest air bubbles detectors by methods use x-rays or

ulứasound [2] T hese devices were insensitive to foam and

could not react i f fibrin deposits on the inner wall o f the

bubble trap obstructed the light path In addition, ambient light

could reach the photocell and cause false alarrns Inữared light

photocell devices have increased the sensitivity to air bubbles

detection but are still not fool proof against obstruction to the

passage o f the inữared w aves, or sensitive enough to be

reliable against foam without causing multiple false alarms

Other methods to detect gas bubbles in the fluid tube is under

using the m icroscope, this method is complicated [4, 5, 6]

Capacitive sensor is c o n v e n ie n t to fabricate a n d Setup

measurement, capacitive sensor is applied in many íĩeld o f

research such as in general applications [7, 8], in pharmacy

Vu Quoc Tuan, Pham Quoc Thinh, Chu Duc Trinh

University o f Engineering and Technology, Vietnam National University, Hanoi, Vietnam vqtuan0 2 1 l@ gm ail.com , phamquocthinh@gmail.com,

trinlicd@vnu.edu vn [9], in microíluidic channel apply to biochemical screening, particle synthesis and chemical analysis [1 0], in void ữaction liquid flo w , [11,12], P e tr o le u m in d u stry [13], in k jet technology [3].

In this paper, a three electrode capacitive sensor structure, which was íabricated by PCB technology, can be used in monitoring an air bubble in a íluidic channels with output capacitance o f about few fF to a som e tens ÍF depend on the dielectric parameter o f the investigated liquid and occuưing inside o f the capacitive sensor Similar structure o f this proposed capacitive sensor can be reduced to a micrometer size for using in m icroíluidic channels In this study, íluidic channel can be real-time monitored to detect air bubble and control the íluidic channel flow The velocity and volume o f

an air bubble in íluidic channel is estimated by analyzing the received signal This system thereíore can be applied in detecting unwanted air bubble which is occuưed in P etro leu m industry, medical, pharmacy, chem ical analysis and synthesis, and so on.

II M i c r o f l u i d i c C a p a c i t iv e S e n s o r

A capacitive íluidic sensor (E -ty p e) based on a change o f

capacitance coưesponds to permittivity and conductivity of

liquid inside can detect a change in íluidic channel The dielectric is different for each material or different liquids, so

it can be changed the value o f capacitance when the something changes inside the capacitive sensor by a change o f permittivity and conductivity In this design, a three-electrode capacitive sensor is used to detect objects inside the íluidic channel such as air bubbles.

Fig 1 shovvs a design o f the proposed íluidic capacitive sensor system Two íluidic channels are perpendicular to a PCB board as sensing and reíerence channels Three-electrode capacitor on PCB which is surTOunded the íluidic tube The two capacitive sensors are íabricated on the same PCB board with the electronic circuits This design structure allows reducing the parasitic capacitance and noise by ignoring connected wires.

Fig 1 also show s a structure o f the system design with a three-electrode capacitor layout Capacitance change is evaluated by using a charge ampliíĩer Circuit This íluidic sensor system consists o f tw o three-electrode capacitors as a sensing capacitor and reíerence one Both two capacitors are fabricated by using ừaditional PCB technology The PC B ’s

978-1-4799-5051-5/14/S 31.00 © 2014 IEEE

644

copper m aterial via structure is em ployed to m ake capacitor's

elẽctrodes f 14].

Plastic pipes, which are layout throuah the capacitor are

íluidie channels The reference channel 1S not chanae durina

m easurem ent by applyina a referenced tube with the

investicatcd íluidic inside An unbalance capacitance \vill be

occurred w hen there is an air bubble or particle inside the

sensine channel sensor The value o f unbalance capacitance is

depended on the volum e and ratio o f air or particle m aterial

dielectric and fluidic one.

it is easy to predict a ch an cin ạ o f liquid and detectina air void- fraction in liquid channel Fie 2(a) In other case the conductive object inside sensor changes the capacitanoe \ alue The capacitance can bc m odule for the equivalent c v.hcre:

The Fie 2(b) sho\vs that the values o f C’| and C; depend on the shape o f conductive obịect bet\veen electrodes and dielectric surround them

The capacitance can he calculated by an equivalent circuit for three-electrode capacitor The Fig 3 shows an equivaleni circuit to idcntiíy the capacitive sensor structure Equivalent capacitance hetw cen two adịacent elecưodes is c,ì In the case

o f icn o rin s capacitance edce eíĩect Cà can be calculated hy:

„ Ene wh

d

W here, r.o is the dielectric constant o f íluidic, Cr is the

relati\'e perm ittivity o f the dielectric layer on ihe electrodes, II'

is the w idlh o f the each electrode, d is diam eter ()f the pipe

and /i is the vertical length o f the electrode.

R e f e r e n c e T h r e e - e l e c t r o d e

c a p a c it o r

Fia 1 Dcsign of micro-fluidic scnsor, there are two micro-íluidic

channels íor sensing and reference The capacitive sensors are

directly íabrication on the printeđ circuit board.

+ + + + + + + + + + \ 1 + + + + + + + + + + \ 1

0 _r _ ( j£ ) 'L- B c t t t S í.

- V2 \ 2

Fic.2: a) capacitive sensor in case there are a different dielectric

object insiđe; b) the capacitive sensor when the conductive object

inside.

C apacitive sensor bases on a different o f dielectric or

conductivity o f a liquid and object inside which was

m onitored by electrodes The capacitance o f sensor was given

hy equation (1):

c = Q

w here 0 is charae o f electrodes, V is potentia! o f

electrodes O utput voltage can be calculated by usina

\Vhere p is suríace charae density, £ is dielectric o f

liquid betw een eleclrodes The equation (2) and (3) show the

value o f capacitance depends on botli fluidic dielectric

£ r inside the channel and shape o f elcctrodes In casc there is

onlv dielectric liquid in pipe m ove throuuli capacitive sensor.

d =1.6mm Fiz 4 Description stmeture o f the capaci'.;ve sensor and íabrication onPCB

T a b le l show s the dim ension p tram eiers o f capacitivc sensor w hich is dem onstrated in Fie 1 Capacitance vaiue 1S about few fF to a fe\v len fF corresponding 10 dielectric ol

tvpically oi! ( £ r =3) or \vater ( £ ' =80) Table 2 1S the dielectric o f material such as the P C 3 ihe oil inside ílu id it

chatir.fi Thu !'CB Ci vcrs tlie scnsors w ith diclectric o f about

4.5 can maJ e a lart:u valuc o f parasitic capaciiancc in this

siructuie

t a b l e i

h r i m i C a p a c it iv e S p n so r P a r a m [TP.RS

TABLE 11 DIHLECTRIC OF MATERIALS IN THIS S1MULATION

Finue lĩlcm ent Sim ulation (FEM ) 1S used for m odelling

and siniuiaũiig the response o f this proposed íluidic capacitive

sensor In num crical calculations 3D iieom etric arransem ents

are considcred íbr proposed capacitive sensor and mesh as

show n in Fiu 5 T hree cap acito r‘s electrodes arc set as input

sicnal, output sicnal and rcference, respectively T he eleetrical

íìeld disti ibution proĩile o f the capacitor is sho\vn in Fic 6.

The electrical fie!d is changcd \vhen thc air bubble moves

inside thc lluidic channel as show n in FiíỊ 7 This signal can

he deteeted by usine a charae am pliíìcr as describe in the next

To detect void ữ action, an eỉectronic circuit is used to convert capacitance change to voltage Charge in the electrodes o f sensor is converted by using a singer pow er operational am plified Fig 8 shows a schem atic design Sine signal w ith phase o f 0 and 180 degrcc is applied to the first electiodc u f scttsing and ìc ĩc ic n c e capaeilois (see Fiụ 8) Therefore, the com inon noise is com pensateđ by using this sum m ing circuit T he differential signal is then am pliíied by using a charee am plificr based on an operation am pliííer.

A m ethod using the sine signal source oppositely phased to

+Vs and -Vs can replaced connections C(x) w ith shared

connection design o f the differential capacitor.

T he capacitance can be determ ined in a direct manner For exam ple, i f the dielectric constant is a constant capacitance

and Fv= Vs 0 coscot the output o f the am plifier is -íữVso Crcoscot

The value o f Cx can be d eten n in ed froni the am plituđe o f the

sine w ave output W hen using a high-frequency ac povver, therefore velocity dielectric constant change dependent com ponent o f the electric current can be isnored The output is then [14]:

C{x)

The function o f the resistor is to provide feedback to the dc input to operational am pliíier dc at input values are kept in non-island In addition, the resistor can be connected betw een the negative input and eround \Vithout the resistor the

646