Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn

Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp luận văn tốt nghiệp,luận văn thạc sĩ, luận văn cao học, luận văn đại học, luận án tiến sĩ, đồ án tốt nghiệp

VIỆN ĐÀO TẠO QUỐC TẾ VỀ KHOA HỌC VẬT LIỆU

-o0o -

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: KHOA HỌC VẬT LIỆU

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐA

-o0o -

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐA

LỜI CẢM ƠN

Trong thời gian 2 năm học tập và làm việc tại Viện ITIMS - trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã giúp tôi ngày càng hoàn thiện kiến thức chuyên môn, phương pháp nghiên cứu khoa học, đồng thời trưởng thành hơn về phong cách, kinh nghiệm sống

Người đầu tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc và gửi lời cảm ơn chân thành nhất đó là thầy giáo, Tiến sỹ Mai Anh Tuấn; Thầy đã tạo mọi điều kiện cũng như luôn luôn động viên và giải quyết mọi khó khăn để tôi có thể hoàn thành tốt luận

Tôi xin cảm ơn tới tập thể lớp ITIMS khóa 2007 - 2009, những người thường xuyên động viên, đóng góp những ý kiến và trao đổi kiến thức thực nghiệm trong thời gian chúng tôi học tập tại đây

Cuối cùng tôi xin gửi lời cảm ơn vô cùng sâu sắc tới gia đình và những người thân, Ban giám hiệu, cán bộ, giáo viên cơ quan nơi tôi công tác đã tạo điều kiện cho tôi cả về vật chất và tinh thần trong những thời gian tôi theo học tại Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội

Hà N ội, ngày 08 tháng 09 năm 2009

Vũ Quang Khuê

M ỤC LỤC

Trang

Trang phụ bìa i

Lời cảm ơn ii

Mục lục iii

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt v

Danh mục các bảng biểu vii

Danh mục các hình vẽ, đồ thị viii

Mở đầu 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC 3

1.1 Cảm biến sinh học 3

1.1.1 Cấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học 3

1.1.2 Phân loại cảm biến sinh học 4

1.2 Ứng dụng của cảm biến sinh học 13

1.2.1 Trong y tế dự phòng 13

1.2.2 Phát hiện chuyển đổi gen trong thực phẩm 14

1.2.3 Quan trắc môi trường 14

1.3 Các thiết bị đo cho cảm biến sinh học 15

1.4 Nguyên lý hệ đo và xử lý tín hiệu của cảm biến miễn dịch đa kênh 22

1.4.1 Cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn 22

1.4.2 Nguyên lý của hệ đo cho cảm biến miễn dịch đa kênh 24

Chương 2 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH 28

2.1 Vi cảm biến độ dẫn đa kênh 28

2.2 Đóng gói và chức năng hóa cảm biến 33

2.2.1 Đóng gói cảm biến đa kênh 33

2.2.2 Chức năng hóa cảm biến đa kênh 35

2.3 Thiết kế chế tạo hệ đo đa kênh cho cảm biến miễn dịch 37

2.3.1 Thiết kế và chế tạo hệ đo đa kênh 37

2.3.1 Khối nguồn 39

2.3.2 Khối phát tín hiệu 39

2.3.3 Khối tách sóng biên độ 41

2.3.4 Khối xử lý tín hiệu và giao tiếp máy tính 42

2.3.5 Khối bàn phím 45

2.3.6 Khối hiển thị kết quả 46

2.3.2 Phát triển phần mềm hiển thị số liệu và kết quả đo 47

Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 49

3.1 Đóng gói cảm biến 50

3.1.1 Thông số của đế và cảm biến sau khi chế tạo 50

3.1.2 Hàn và đóng gói cảm biến 51

3.2 Các đặc tuyến của thiết bị đo và phần mềm hiển thị số liệu 54

3.2.1 Các đặc tuyến của thiết bị 54

3.2.2 Giao diện người dùng của phần mềm 60

3.2.3 Đóng gói thiết bị 63

3.3 Xác định Vi rút H5N1 gây bệnh 64

3.4 Thảo luận 70

3.5 Hướng nghiên cứu tiếp theo của đề tài 72

Kết luận chung 73

Tài liệu tham khảo 75

Phụ lục 1

Phụ lục 2

DANH M ỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

7 ISFET Ion Sensitive Field Effect

Transistor

Bóng bán dẫn hiệu ứng trường nhạy ion

8 MOSFET Metal Oxide Semiconductor Field

Effect Transistor

Bóng bán dẫn cấu trúc ôxít kim loại

20 Psoc Programmable System on Chip Hệ thống khả trình trên chip

23 LED Light Emitting Diode Điốt phát quang

DANH M ỤC CÁC BẢNG BIỂU

5 Bảng 3.2a Bảng thông số quá trình đo xác định kháng

DANH M ỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

6 Hình 1.6 Mô hình thiết bị đo xác định nồng độ chất Lactate 18

8 Hình 1.8 So sánh độ ổn định làm việc của điện cực chế tạo

21 Hình 2.7 Quy trình cố định kháng thể vi rút H5N1 lên bề mặt 35

cảm biến

24 Hình 2.10 a Sơ đồ khối phát tín hiệu điều chỉnh tần số, b Điều

chỉnh biên độ

40

26 Hình 2.12 Các môđun của PSoC được sử dụng trong thiết bị đa

29 Hình 2.15 Các chế độ thiết lập cho USB trong phần mềm

Designer 4.4

45

30 Hình 2.16 Hình ảnh bàn phím và thiết lập chế độ hoạt động 46

31 Hình 2.17 a Môđun LCD và b Thiết lập thống số hoạt động 47

32 Hình 2.18 Cửa sổ thiết lập trong Visual Basic của phần mềm

hiển thị

48

33 Hình 3.1 Cảm biến sau khi được chế tạo, cắt thành từng chip 50

36 Hình 3.4 Cảm biến giao tiếp với bản mạch chính thông qua

socket

53

38 Hình 3.5 Tín hiệu đưa vào cảm biến miễn dịch 100 mV, 50

kHz

54

39 Hình 3.6 Khối phát tín hiệu cho cảm biến đa kênh 55

42 Hình 3.9 Tín hiệu VHaft sau khi ra từ khối tách sóng biên độ 56

47 Hình 3.14 Hình ảnh thiết bị phát hiện vi rút đa kênh ghép nối

máy tính

64

48 Hình 3.15 Kết quả đo xác định vi rút H5N1 với thể tích 10µl 65

49 Hình 3.16 Kết quả đo xác định vi rút H5N1 với thể tích 20µl 66

50 Hình 3.17 Đồ thị đo xác định vi rút H5N1 với thể tích 10µl trên

M Ở ĐẦU

Trong những năm gần đây, sự phát triển của công nghệ vi điện tử và công nghệ sinh học đã góp phần to lớn vào vấn đề phát hiện sớm, nhanh và chữa khỏi một số bệnh lây nhiễm trong đời sống, sinh hoạt của con người, làm rõ hơn cơ chế sinh lý

phức tạp trong cơ thể sống Việc ứng dụng cảm biến sinh học và thiết bị đi kèm giúp chúng ta chẩn đoán xác định, điều trị bệnh một cách dễ dàng và nhanh chóng

hơn, nghiên cứu và bào chế thuốc, kiểm tra chất lượng thức ăn hoặc xác định việc chuyển đổi gen trong động, thực vật, đặc biệt thời gian gần đây dịch bệnh do vi rút gây nên đối với sức khoẻ con người ngày càng gia tăng Điều nguy hiểm là ở chỗ, chúng có khả năng biến chủng nhanh chóng Khống chế và ngăn chặn kịp thời các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm luôn là yêu cầu cấp thiết không chỉ đối ngành y tế

mà còn với tất cả các ngành nghề khác nhằm giảm thiểu nguy cơ liên quan tới sức khỏe và những thiệt hại về mặt kinh tế xã hội Chính vì vậy, phát hiện nhanh, nhạy

và sàng lọc mầm bệnh truyền nhiễm là mấu chốt để ngăn chặn quá trình lây nhiễm,

có biện pháp cách ly hay điều trị kịp thời, khống chế và ngăn chặn dịch bệnh bùng phát

Có nhiều phương pháp đang được áp dụng tương đối rộng rãi trong phòng thí nghiệm để xác định các tác nhân gây bệnh như: phân lập; nuôi cấy; huyết thanh

học; ELISA; PCR, Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống này thường mất hàng giờ tới hàng tuần để biết được kết quả Đề tài “Nghiên c ứu chế tạo thiết bị

đo đa kênh ứng dụng cho cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn” được tác giả

lựa chọn mục đích xác định nhanh vi rút H5N1 gây bệnh, có khả năng bổ trợ cho những phương pháp nghiên cứu xác định vi rút trước đây Điều đặt biệt là thiết bị

có thể xác định vi rút ở mọi nơi khi cần di chuyển hoặc ở tại các vùng sâu, vùng xa nơi thiếu cả điều kiện máy móc và nhân viên y tế cao cấp Thiết bị đo đa kênh bao

gồm một bộ biến năng / chuyển đổi (transducer) đã được cố định các phần tử sinh

học là kháng thể của vi rút H5N1, hệ mạch đo, phần mềm thu thập và xử lý số liệu

Hệ thống có thể hoạt động và chỉ thị kết quả độc lập hoặc ghép nối, điều khiển thông qua máy tính cá nhân Luận văn này mô tả chi tiết quá trình phát triển mạch

đo và xây dựng phần mềm Luận văn gồm 3 chương:

Chương 1 Tổng quan về cảm biến sinh học

Trong chương này tác giả mô tả tổng quan về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân

loại cảm biến sinh học Khái quát các phần tử cả nhận sinh học và kháng thể được

cố định lên bề mặt cảm biến Tóm tắt tổng thể các thiết bị đo ứng dụng cho cảm biến sinh học được nghiên cứu ứng dụng ở trong nước và trên thế giới trong những năm gần đây Bênh cạnh đó, tác giả mô tả nội dung về nguyên lý và xử lý tín hiệu

của hệ đo cho cảm biến miễn dịch đa kênh

Chương 2 Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh

Chương 2 tập trung vào việc mô tả các quá trình thực nghiệm như: Nghiên cứu và cùng tham gia chế tạo, cố định chức năng hóa cho cảm biến miễn dịch đa kênh Thiết kế, xây dựng quy trình đóng gói cho cảm biến đa kênh Tạo bộ socket cho phép cảm biến giao tiếp với bản mạch chính xử lý tín hiệu của thiết bị Nghiên cứu chế tạo thiết bị đo đa kênh và nâng cấp phần mềm thu thập, xử lý tín hiệu kết quả

đo

Chương 3 Kết quả và thảo luận

Trong chương này, bên cạnh những lập luận khoa học của kết quả thu thập được Tác giả cũng đưa thêm vào những nhận xét, bàn luận làm cơ sở cho việc phát triển các luận văn sau

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN SINH HỌC

1.1 C ảm biến sinh học

1.1.1 C ấu tạo, nguyên lý làm việc của cảm biến sinh học

C ấu tạo của cảm biến sinh học:

Cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng cung cấp

những thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, gồm 02 thành phần chính: Phần tử nhận biết sinh học và bộ chuyển đổi tín hiệu [15] Phần tử nhận biết thực chất là các lượng chất sinh học hoặc các thực thể sinh học, hoạt động như một yếu tố nhận biết, được liên kết với bộ chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp

Phần tử sinh học được sử dụng chủ yếu là enzim, ADN, ARN, kháng thể [21]

Bộ chuyển đổi thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi các tín hiệu không điện do các phản ứng hoá học sinh ra thành tín hiệu điện, quang, cơ, nhiệt [21]

Hình 1.1 C ấu tạo của cảm biến sinh học Nguyên lý làm vi ệc của cảm biến sinh học:

Sự tương tác giữa phần tử cảm nhận sinh học và đối tượng phân tích sẽ làm thay đổi các tính chất sinh, hóa Sự thay đổi này được nhận biết bằng bộ chuyển đổi của

cảm biến và chuyển thành tín hiệu điện [3] Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác

nhau chỉ cho phép nhận biết được một loại đối tượng phân tích theo nguyên tắc khóa - chìa Nếu không có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến hoặc chỉ đơn thuần là đóng góp các ồn trong quá trình đo Chính vì vậy mà cảm biến sinh học có

độ chọn lọc rất cao [17]

1.1.2 Phân lo ại cảm biến sinh học

Dựa trên những thành phần cảm nhận sinh học và phần tử chuyển đổi người ta phân

loại ra loại các cảm biến sinh học khác nhau:

Phân lo ại theo phần tử chuyển đổi:

Dựa trên bộ phận chuyển đổi có thể chia cảm biến sinh học thành: Cảm biến quang trên cơ sở phép đo huỳnh quang [6], cảm biến cơ dựa trên cơ sở thay đổi khối

lượng ở bề mặt cảm biến sẽ làm thay đổi tần số trong vi cân của tinh thể thạch anh [16], chuyển đổi điện hóa [21], hiệu ứng trường nhạy ion, bộ chuyển đổi nhiệt và

bộ chuyển đổi từ [2]

Cảm biến ADN quang học dựa trên cộng hưởng Plasma bề mặt:

Loại cảm biến này không đòi hỏi phải đánh dấu chuỗi ADN, kết quả của phép đo được hiển thị ngay trong quá trình đo [17] Hệ thống này dựa trên sự thay đổi góc cộng hưởng của ánh sáng phản xạ ở bề mặt cảm biến, khi có sự lai hóa của chuỗi ADN dò và ADN đích trong dung dịch Sự thay đổi phần tử cảm nhận sinh học do lai hóa ADN sẽ tương ứng với sự thay đổi khối lượng phân tử trên bề mặt cảm

biến Loại cảm biến này được sử dụng trong việc xác định đột biến gen [4], nghiên cứu tương tác kháng thể - kháng nguyên trong lúa mì [7], phân tích trong quá trình bào chế thuốc [9]

Cảm biến có bộ chuyển đổi cơ học trên cơ sở vi cân tinh thể thạch anh:

Cảm biến vi cân tinh thể thạch anh được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, trong đó việc sử dụng vật liệu này làm bộ chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến sinh

học nhằm ứng dụng trong lĩnh vực y, sinh học để xác định các loại vi rút, vi khuẩn gây bệnh Ưu điểm của loại cảm biến này là có độ nhạy rất cao, khả năng đo sự thay đổi khối lượng ở mức nanogam, quá trình xác định không cần đánh dấu, kết quả có thể định tính hoặc định lượng Nhược điểm của loại cảm biến này là hoạt động ở tần số cao, đóng góp ồn của môi trường làm ảnh hưởng tới quá trình xử lý tín hiệu [5]

Cảm biến sinh học dựa trên bộ chuyển đổi điện hoá:

Cảm biến sinh học dựa trên bộ chuyển đổi điện hoá có cấu trúc đơn giản, quá trình

nhận biết không phức tạp do những phản ứng điện hoá sẽ cho tín hiệu điện trực

tiếp, độ nhạy tương đối cao, thời gian đáp ứng nhanh, kích thước nhỏ, thích hợp cho việc xác định nhanh các mẫu bệnh phẩm của bệnh nhân nhiễm bệnh [11], hoặc ứng dụng để kiểm tra môi trường Để nhận biết sự phản ứng của phần tử sinh học

với chất cần phân tích, bề mặt cảm biến phải được cố định kháng thể, enzim, chuỗi ADN dò, sau đó đưa vào dung dịch mẫu cần phân tích tương ứng như kháng nguyên, cơ chất, ADN đích Khi có phản ứng kháng nguyên - kháng thể, lai hóa ADN, phản ứng ức chế enzim, xẩy ra sẽ làm thay đổi độ dẫn giữa các điện cực, gây lên thay đổi điện áp ở đầu ra [21]

Cảm biến sinh học dựa trên bóng bán dẫn nhạy ion hiệu ứng trường ISFET (Ion Sensitive Field Effect Transistor):

Bóng bán dẫn nhạy ion hiệu ứng trường là một loại điện cực được sử dụng để thay thế các điện cực thuỷ tinh đo pH hoặc nồng độ ion trong kim loại Loại linh kiện này được cải tiến từ MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) với sự thay thế của lớp oxít cực cổng bằng một lớp màng nhạy hoá học

và một điện cực chuẩn Nếu phủ một lớp màng cảm nhận sinh học lên cực cổng của ISFET, nó trở thành cảm biến sinh học Các loại cảm biến này được phủ bởi màng enzim lên cực cổng nhạy ion của ISFET, sự đáp ứng tín hiệu ra được xác định bằng

sự thay đổi điện áp trong kênh dẫn Loại cảm biến này có kích thước nhỏ, độ nhạy cao [2]

Hình 1.2 C ấu tạo của cảm biến (A) và hệ đo (B) ISFET

Cảm biến sinh học trên cơ sở vi điện cực độ dẫn:

Cảm biến vi điện cực độ dẫn đã được sử dụng phổ biến với những ưu điểm vượt trội như: giá thành thấp, cấu trúc đơn giản, độ ổn định cao, tin cậy khi làm việc, phân tích nhanh và dễ dàng trên cơ sở phép đo độ dẫn, quy trình chế tạo đơn giản Đây là loại cảm biến dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện ở lân cận bề mặt cảm biến

khi có sự thay đổi về tính chất vật lý, hóa học hoặc sinh học trong dung dịch phân tích Khi đó, sẽ làm thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến Cảm biến vi điện

cực có nhiều cấu hình, kích thước khác nhau Chúng có thể được chế tạo bằng cách

sử dụng dây kim loại hoặc các bon làm điện cực trong một ống thuỷ tinh Hiện nay

vi điện cực được ứng dụng dùng làm cảm biến sinh học là những vi điện cực có dạng hình tròn và đặc biệt là các vi điện cực Planar có cấu trúc dạng răng lược đan xen hoặc cấu trúc mảng [21] Quy trình chế tạo loại cảm biến này được tác giả trình bày chi tiết trong chương 2 của luận văn

Hình 1.3 C ấu tạo của cảm biến vi điện cực

Cũng như các loại cảm biến sinh học khác, để xác định kháng nguyên, trên bề mặt

cảm biến miễn dịch dựa trên vi điện cực độ dẫn cần được cố định kháng thể Quá trình xảy ra phản ứng kháng nguyên - kháng thể (phản ứng miễn dịch) sẽ gây lên sự thay đổi độ dẫn trên bề mặt cảm biến và làm thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến Những loại cảm biến này thường được ứng dụng để xác định loại khuẩn Salmonella - một loại khuẩn gây nhiễm độc trong sữa với thời gian nhanh gấp nhiều lần so với các phương pháp xác định khác [8], xác định vi rút viên gam C [16], xác định vi rút gây bệnh H5N1 [21]

5mm 5mm

Phân lo ại theo thành phần cảm nhận sinh học:

Thực tế có khá nhiều phần tử sinh học được sử dụng làm thành phần cảm nhận sinh

học Tuy nhiên các chất thường được sử dụng trong các công trình và sản phẩm là: ADN, ARN, kháng thể, enzim

Ph ần tử cảm nhận là chuỗi ADN:

Cấu trúc, tính chất của các ADN được trình bày chi tiết trong [21] Có nhiều phương pháp để cố định ADN lên bề mặt cảm biến nhưng phương pháp cố định ADN dò lên bề mặt cảm biến sử dụng APTS và ống nanocacbon là được sử dụng phổ biến và có nhiều ưu điểm [21] Quy trình cố định ban đầu cảm biến được xử lý sạch bề mặt để tẩy bỏ chất bẩn và ion kim loại gây lên khi chế tạo và đóng gói cảm

biến, tiếp đó hydrát hoá bề mặt cảm biến bằng CH3OH/HCl tỷ lệ 1:1, Phủ APTS

và cố định ADN dò lên bề mặt cảm biến dung dịch APTS/C2H5OH tỷ lệ 3:7 cùng với đó là quá trình hoạt hóa chuỗi ADN bằng EDC và MIA, phủ ADN hoạt hóa lên

bề mặt cảm biến và đem ủ ở 37 0C trong 18 giờ [19] Khi trong mẫu cần xác định

có ADN đích sẽ có sự lai hóa ADN dò và ADN đích làm cho mật độ điện tích trên

bề mặt cảm biến tăng lên khi đó độ dẫn của điện cực làm việc sẽ tăng hơn so với điện cực chuẩn Đây là cơ sở để nhận biết quá trình làm việc của cảm biến ADN

KH2PO4 20 mM, pH = 7,5 và 10% Glycerol Điện cực chuẩn được phủ hỗn hợp

2mg BSA với 10 µl chất đệm KH2PO4 20 mM, pH = 7,5 với 10% Glycerol Khi có

nồng độ thuốc trừ sâu - carbonsulfan C20H32N2O3S trong nước làm cho cholinesrase phân tách thành acetic và choline khi đó proton sinh ra là nguyên nhân làm thay đổi độ dẫn, lúc này độ dẫn trên màng enzim của điện cực làm việc giảm

Acetyl-so với điện cực chuẩn và tạo sự chênh lệnh tín hiệu điện trên đầu ra của cảm biến [23]

Ph ần tử cảm nhận là kháng thể:

Kháng thể bản chất là một loại glycoprotein do kháng nguyên kích thích tạo ra và

có thể kết hợp một cách đặc hiệu với kháng nguyên ấy Kháng thể còn được gọi là globulin miễn dịch (immunoglobulin), viết tắt là Ig vì khi chạy điện di miễn dịch thì kháng thể nằm ở vùng globulin [20]

Cấu trúc của kháng thể là một phần tử đối xứng, cấu tạo bởi 2 chuỗi nặng và 2 chuỗi nhẹ giống nhau đôi một

Chuỗi nhẹ L (light): Mỗi chuỗi nhẹ là một chuỗi polypeptid cấu tạo khoảng 214 axit amin, được đánh số thứ tự từ đầu NH2 đến đầu COOH và được chia thành 2 vùng Vùng định hằng C (constant) nằm ở sau, có loại và trình tự axit amin không thay đổi, vùng thay đổi V (variable) nằm ở phía trước có loại và trình tự axit amin thay đổi tùy theo từng loại kháng thể Có hai chuỗi nhẹ chuỗi kappa và chuỗi lamda

Chuỗi nặng H (heavy): Có cấu tạo tương tự như chuỗi nhẹ, chuỗi polypeptid gồm

440 axit amin, đánh số thứ tự từ đầu NH2 đến đầu COOH và được chia thành 3 hoặc 4 vùng tùy theo từng chuỗi nặng Vùng C gồm CH1, CH2, CH3, CH4, vùng V

và vùng siêu biến Có 5 loại chuỗi nặng khác nhau: Chuỗi gamma, chuỗi alpha, chuỗi muy, chuỗi delta, chuỗi epsilon [18]

Sự liên kết giữa các chuỗi, hai chuỗi nặng nối với nhau bằng cầu nối lưu huỳnh S), số cầu nối lưu huỳnh thay đổi tùy từng chuỗi Chuỗi nhẹ nối với chuỗi nặng

(S-bằng cầu nối lưu huỳnh [20,12]

Tính chất và đặc điểm của kháng thể, tính chất của các lớp kháng thể được nêu trong bảng 1.1 [20]

B ảng 1.1 Tính chất của các kháng thể

ho ặc Lamda

Kampa hoặc Lamda

Kampa hoặc Lamda

Kampa hoặc Lamda

Kampa hoặc Lamda Dưới lớp I g G1, I g G2,

Kháng thể bảo

vệ bề mặt niêm

m ạc chống nhiễm khuẩn

Kháng thể chủ yếu trong đáp ứng tiên phát chống nhiễm

vi khu ẩn và vi rút

Kháng thể trên bề mặt lympho B trong nhận

di ện kháng nguyên

Kháng thể chống ký sinh trùng, gây dị ứng

Tính kháng thể là khả năng kết hợp đặc hiệu với kháng nguyên tương ứng Đặc

hiệu có nghĩa là kháng thể do kháng nguyên nào kích thích tạo ra thì chỉ kết hợp

với kháng nguyên ấy mà thôi Tính kháng thể là đặc điểm quan trọng nhất của kháng thể

Tính kháng nguyên của phần tử kháng thể là khả năng kích thích cơ thể khác tạo ra kháng thể kháng lại chính nó Lý do là các phần tử kháng thể bản chất là một loại protit có trọng lượng phân tử đủ lớn, đủ tiêu chuẩn là một kháng nguyên đối với cơ

thể khác

Kháng nguyên (antigen) là nh ững chất có khả năng:

Kích thích được cơ thể tạo ra đáp ứng miễn dịch, khả năng này được gọi là tính sinh miễn dịch của kháng nguyên

Kết hợp đặc hiệu với kháng thể tương ứng, khả năng này được gọi là tính đặc hiệu của kháng nguyên

Kháng nguyên thuộc loại protein và polysaccarid có tính sinh miễn dịch cao khi dùng dạng hòa tan và cả khi chúng nằm trong một dạng cấu trúc phức hợp như vỏ

vi khuẩn Kháng nguyên càng phức tạp về cấu tạo và kích thước thì chúng càng có

thể kích thích một đáp ứng miễn dịch mạnh [20]

Ph ản ứng kháng nguyên - kháng thể sự kết hợp kháng nguyên - kháng thể đặc hiệu

nhờ vào các liên kết lý hóa [12]:

Lực liên kết các phân tử với nhau hay còn gọi là lực liên kết Vander - Wals

Lực hút tĩnh điện giữa các nhóm chức khác nhau như nhóm amin và nhóm carboxyl Lực liên kết giữa các cầu nối hydro với nhau và lực kỵ nước

Phản ứng kháng nguyên kháng thể không phải là một phản ứng hóa học hoàn toàn, nên người ta có thể tách trở lại các thành phần kháng nguyên - kháng thể

Cố định kháng thể lên cảm biến vi điện cực: cũng như các phương pháp cố định

phần tử sinh học khác, việc cố định kháng thể ban đầu cũng được làm sạch bề mặt

vi cảm biến quá trình này nhằm loại bỏ những chất bám dính trên bề mặt vi cảm biến và phần không gian silica giữa các vi điện cực để giải phóng nhóm chức - OH, thuận tiện cho quá trình cố định các phần tử sinh học Có một số kiểu nhóm chức như Si- OH tạo ra trên bề mặt silica, như silanol germinal và silanol Isolated Nếu

bề mặt vi cảm biến không được làm sạch đúng cách để loại bỏ chất bẩn, dầu, chất

tẩy rửa, thì nhóm chức - OH sẽ không hình thành và lớp silan trên bề mặt vi cảm biến sẽ không đồng nhất, dẫn đến hiệu quả của quá trình cố định không cao Việc

cố định kháng thể sử dụng phương pháp cộng hóa trị dùng APTS được mô tả tại đây [12]

Sau khi thực hiện làm sạch bề mặt cho cảm biến như đã trình bày ở trên Để chức năng hóa bề mặt của cảm biến miễn dịch sử dụng APTS ta thực hiện nhỏ glutaraldehyde 10% lên bề mặt vi cảm biến và ủ trong 30 phút Tiếp đó rửa hai lần

bằng nước khử ion và để khô, nhỏ 1mg / mL dung dịch kháng thể của vi rút H5N1 lên bề mặt cảm biến và ủ trong 1 giờ Tiếp tục rửa bằng dung dịch PBS và nước

khử ion để loại bỏ những thành phần sinh học không gắn kết trên bề mặt Sau đó đêm ủ bề mặt cảm biến với 0,1 M glycine - PBS (0,1 M glycine trong 50 mM pBS,

pH = 7,0) trong 30 phút Quá trình này nhằm gắn kết chặt chẽ kháng thể trên bề

mặt cảm biến Tất cả các quá trình này đều được thực hiện tại nhiệt độ phòng và áp

suất khí quyển [2] Chi tiết của quy trình cố định tạo chức năng cho cảm biến được tác giả trình bày chi tiết trong chương 2 của luận văn

1.2 Ứng dụng của cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học có rất nhiều ứng dụng trong công nghệ thực phẩm, y học dự phòng, môi trường, quân sự quốc phòng Trong nội dung này tác giả trình bày một

số ứng dụng chính

1.2.1 Trong y t ế dự phòng

Trước đây, việc xác định vi rút gây bệnh thường được xác định sử dụng kỹ thuật lâm sàng như phương pháp phản ứng chuỗi polyme (phương pháp - PCR) Đây là phương pháp phát hiện vi rút có trong bệnh phẩm lâm sàng hoặc nuôi cấy vi rút được định hướng vào những gen tương đối ổn định ở tất cả các loại vi rút hoặc các gen ngưng kết hồng cầu Ưu điểm của những phương pháp này cho độ nhạy rất cao, phát hiện vi rút ngay cả với lượng mẫu nhỏ, rất đặc hiệu Nhược điểm của các phương pháp này là thời gian xác định dài có thể lên tới 8 giờ, tiêu tốn nhân lực và đòi hỏi người sử dụng phải có những kiến thức nhất định về chuyên môn Có nhiều loại cảm biến sinh học dựa trên các phương pháp phân tích truyền thống ứng dụng cho việc xác định vi rút gây bệnh [22] Trong đó, nguyên lý của cảm biến sinh học trên cơ sở vi điện cực được ứng dụng để xác định vi rút gây bệnh được chế tạo dựa trên công nghệ vi điện tử tạo ra các thanh kim loại có kích thước và khoảng cách cỡ micromet Sau đó cố định lên bề mặt điện cực làm việc của cảm biến là kháng thể hoặc ADN dò của vi rút cần xác định Khi cho cảm biến đã được chức năng hóa vào trong mẫu cần xác định loại vi rút, nếu trong mẫu có kháng nguyên hoặc ADN đích của loại vi rút cần xác định sẽ gây ra phản ứng lai hóa ADN dò với ADN đích hoặc phản ứng kháng nguyên - kháng thể làm mật độ điện tích giữa các thanh kim loại và độ dẫn giữa chúng tăng lên, trong khi đó điện cực chuẩn không thay đổi độ

dẫn so với ban đầu tạo ra sai lệnh tín hiệu điện giữa điện cực làm việc và điện cực

chuẩn ở đầu ra Nếu không có ADN đích hoặc kháng nguyên của loại vi rút cần xác định thì tín hiệu điện ra trên hai điện cực không thay đổi [21]

1.2.2 Phát hi ện chuyển đổi gen trong thực phẩm

Việc xác định chuyển đổi gen trong cây trồng như đậu tương, ngô, bông, cải Trong

đó việc xác định khả năng kháng sâu bệnh luôn được quan tâm Xác định nhanh như quá trình chuyển đổi gen của cây trồng cho thấy hiệu quả kinh tế cao trong

việc đưa cây trồng vào nuôi cấy, làm tăng số lượng sản lượng lương thực, tăng giá

trị dinh dưỡng và không gây ảnh hưởng tới môi trường do sử dụng thuốc bảo vệ thực vật [21] Cảm biến vi điện cực sau khi được cố định ADN lên các thanh kim loại theo một quy trình và bảo quản nhất định được đưa vào ống chứa mẫu dung

dịch có ADN cần xác định, khi có sự lai hóa của ADN dò và ADN đích thì mật độ điện tích giữa các thanh kim loại tăng làm tăng độ dẫn trên các điện cực Khi đó tín hiệu điện khỏi cảm biến thay đổi nếu không có sự lai hóa ADN dò và ADN đích thì tín hiệu điện ra trên các thanh điện cực có giá trị không đổi [21]

1.2.3 Quan tr ắc môi trường

Việc sử dụng cảm biến để xác định các thông số ảnh hưởng tới môi trường sống là điều cấp thiết hiện nay Nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu để sử dụng các loại cảm biến xác định các chất độc hại gây ảnh hưởng tới môi trường sống như việc sử dụng cảm biến khí để xác định nồng độ khí thải của các nhà máy, kiểm tra khí thải

của các loại phương tiện giao thông…Trong việc sử dụng cảm biến sinh học để

kiểm tra nồng độ thuốc trừ sâu trong nước [23], hay nồng độ pH trên cơ sở hiệu ứng trường của bóng bán dẫn ISFET Đối với cảm biến độ dẫn, sau khi cảm biến được chế tạo, đóng gói và xử lý bề mặt sau đó đem cố định Acetyl-Cholinesterase

lên điện cực làm việc của cảm biến và phủ BSA (Bovine Serum Albumin) lên điện

cực so sánh nhằm không cho chất ức chế ảnh hưởng tới điện cực so sánh Khi có

nồng độ thuốc trừ sâu trong mẫu cần xác định sẽ gây phản ứng của màng enzim trên bề mặt điện cực làm việc Do đó, tạo ra sự sai lệch về tín hiệu điện giữa điện

cực chuẩn và điện cực làm việc Sự sai lệch tín hiệu điện này được xử lý và hiển thị

để xác định nồng độ thuốc trừ sâu trong nước [23]

1.3 Các thi ết bị đo cho cảm biến sinh học

Trong những năm gần đây, việc nghiên cứu chế tạo các thiết bị để xác định các loại

vi rút gây bệnh nói riêng và các thiết bị liên quan đến bảo vệ sức khỏe con người luôn được quan tâm của các nhà khoa học Trong đó có rất nhiều loại cảm biến sinh học được chế tạo để xác định các các loại vi rút ngây bệnh với nguyên lý chung là chuyển đổi tính hiệu cần phân tích thành tín hiệu điện Cảm biến sinh học trên cơ

sở độ dẫn là một trong nhiều loại cảm biến được nghiên cứu, đóng vỏ tích hợp với mạch điện tử để tạo thành một thiết bị đo hoàn chỉnh nhằm ứng dụng trong đời sống như: kiểm tra môi trường, công nghệ thực phẩm và xác định loại vi rút gây bệnh

Trong kiểm tra môi trường và công nghệ thực phẩm:

Viện ITIMS, Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội đã chế tạo thành công thiết bị kiểm tra nồng độ thuốc trừ sâu trong nước dựa trên cảm biến sinh học vi điện cực [23]

Hình 1.4 C ảm biến và thiết bị đo nồng độ thuốc trừ sâu

Tín hiệu vào

Chíp xử lý

Thiết bị cho phép người sử dụng có thể xác định nồng độ thuốc trừ sâu trong một thời gian ngắn, thiết bị cầm tay nhỏ gọn và dễ sử dụng Việc chế tạo thành công thiết bị đem lại rất nhiều ứng dụng ở Việt Nam, đất nước có tới 80% dân số sản xuất nông nghiệp và thường xuyên sử dụng thuốc trừ sâu để bảo vệ cây trồng Cảm biến ban đầu được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử với cấu trúc kiểu răng lược với 2 điện cực Trong đó có 1 điện cực làm điện cực chuẩn và điện cực làm điện cực làm việc được cố định emzim Khi có nồng độ thuốc trừ sâu trong mẫu đo thì

sẽ gây ra hiện tượng ức chế hoạt tính xúc tác của enzim trên bề mặt điện cực làm việc làm cho tín hiện ra của điện cực làm việc có trị thấp hơn so với điện cực chuẩn, sự chênh lệch tín hiệu giữa hai điện cực của cảm biến sẽ được khuếch đại và chỉnh lưu sang dạng tín hiệu một chiều Tín hiệu được trừ sai lệch và đưa vào bộ vi

xử lý để lấy mẫu tín hiệu và hiển thị kết quả đo nồng độ thuốc trừ sâu

Các nhà khoa học thuộc phòng thí nghiệm công nghệ vi điện tử, FEEC, BUT (the Factory of Electrical Engineering and Communication, Brno University

of Technology), Cộng hòa Séc đã chế tạo thiết bị cầm tay phân tích thuốc trừ sâu với nồng độ chính xác cao

Hình 1.5 Xác định nồng độ thuốc trừ sâu ở dạng vi dòng

Các nhà khoa học đã sử dụng mao dẫn nhân tạo để đưa nguồn dung dịch acetylthiocholine (ATCH-analogical to ACH) vào trong buồng chứa điện cực làm

việc, trước đó điện cực được làm sạch bằng acetylcholine (ATCH) sau đó cố định acetylcholinesterase (ACHE) Khi trong chất nền có ATCH thì phản ứng tạo thành

và tạo ra chất thiocholine khi đó màng dẫn của điện cực hoạt động thay đổi, sẽ cho tín hiệu điện ở đầu ra của điện cực Với vi dòng qua bề mặt điện cực điện hóa là không đổi Điều này cho phép thiết bị hoạt động có độ lặp lại và độ nhạy cao, có

thể mang xác định ở các địa điểm khác nhau và dễ thay đổi điện cực làm việc [26] Trong công nghệ thực phẩm các nhà khoa học Tây ban nha đã nghiên cứu chế tạo thành công thiết bị cầm tay dựa trên hiệu ứng ECL (electrochemiluminescence) dùng xác định chất Lactate Chất Lactate sinh ra trong quá tình lên men khi chế tạo phomat, sữa chua, sữa…Việc kiểm tra nồng độ chất Lactate là một thông quan trọng trong quá trình chế tạo, bởi chất Lactate là một loại hóa chất được tạo ra trong

tế bào Khi lượng Lactate cao, lượng axit trong máu tăng lên cao và có thể gây nguy hiểm đến các tế bào trong cơ thể Axít lactic được tạo thành bởi sự tổn thương

của mitochondria Mitochondria là cấu tạo của các tế bào và chúng chuyển hóa

thực phẩm chúng ta ăn và sản sinh ra năng lượng chúng ta cần thiết Chất Lactate trong máu tạo ra những cảm ứng lo âu, làm tăng tốc độ hoạt động của tim, huyết áp

và tốc độ thở [25]

Việc xác định mức Lactate nhanh được thực hiện bởi cực điện hóa phát quang nhờ

phản ứng hóa học (electrochemiluminescence -ECL) Loại cảm biến dùng một lần

có độ chọn lọc và độ nhạy cao, giá thành sản xuất thấp, thực hiện cho việc tích hợp các thiết bị đo cầm tay Cảm biến sinh học xác định chất lactate hoạt động dựa trên

cơ sở chất xúc tác là chất emzim và chuyển bằng liên kết cáp điện tử - ECL: luminaol (L)

Cảm biến dùng một lần được chế tạo bằng công nghệ vi điện tử, trong đó điện cực làm việc được cố định bằng màng Methocel bao gồm các chất như luminol, lactate oxidase - LOD, BSA NaCl, đệm phốt phát pH = 8 Khi có phản ứng gây lên bởi ECL, phép đo ECL sẽ phát xạ cường độ sáng và được thu nhận bởi PD (Photodiode Detector - S1227 - 66BR, Hamamatsu Photonics)

Hình 1.6 Mô hình thi ết bị đo xác định nồng độ chất Lactate

Sau khi tín hiệu được thu nhận từ PD, tín hiệu này được đưa qua bộ chuyển đổi ADC và được đưa và bộ vi xử lý µC Tại đây bộ vi xử lý thực hiện xử ký số liệu và hiển thị kết quả trên màn hình tinh thể lỏng Thiết bị cho phép ghép nối với máy tính thông qua giao diện USB (Universal Serial Bus) và hiển thị kết quả trên phần

mềm viết bằng ngôn ngữ Visual Basic

Ngoài việc chế tạo ra các loại cảm biến để xác định được các loại vi khuẩn gây ra

ngộ độc trong thực phẩm, các nhà khoa học Cộng hòa liên bang Đức đã nghiên cứu

chế tạo cảm biến sinh học đa kênh dò nhằm ứng dụng xác định tảo độc ở biển [14] Cảm biến sinh học đa kênh được thiết kế với 16 điện cực làm việc với vật liệu bằng vàng hoặc bằng các bon, mỗi điện cực có kích thước 1,5 mm Điện cực làm việc và điện cực chuẩn được bao quanh bởi lớp điện môi (hình 1.8), ghép nối ra ngoài thông qua bản mạch Hai vật liệu được sử dụng chế tạo là Valox (polyester blended material) và gốm (alumina)

Việc cố định cho cảm biến đa kênh được thực hiện xử lý với chất đệm NaHCO3 50

mM, pH 9,6 sau đó đem ủ với NeutrAvidin nồng độ 0,5 mg / mL ở nhiệt độ 4 oC trong thời gian là 4,5 h Tiếp theo tẩy NeutrAvidin bằng dung dịch PBS (Phosphate Buffered Saline, Pierce Biotechnology, USA), các ADN dò trước khi gắn lên điện cực làm việc được pha loãng với chất đệm 0,3 M NaCl /0,1 M Trizma, pH = 7,6 sau đó cho ủ ở nhiệt độ phòng với thời gian 30 phút Việc bảo quản cảm biến được

thực hiện phủ 2% Trehalose trong PBS và sấy khô ở 37 oC trong thời gian 30 phút

tiếp theo mang bảo quản trong ở nhiệt độ 4 oC

Hình 1.7 C ảm biến đa kênh với 16 điện cực làm việc

Hình 1.8 So sánh độ ổn định làm việc của điện cực chế tạo bằng vàng và cacbon

C ảm biến sinh học ứng dụng trong xác định virus gây bệnh:

Ngày nay loài người luôn luôn phải đối mặt với các loại dịch bệnh do vi rút gây lên Do vậy, việc nghiên cứu và phát triển các thiết bị dùng để kiểm tra và xác định nhanh, chính xác các loại virus gây bệnh luôn được quan tâm trong thời điểm hiện nay Tại hội thảo khoa học “Công nghệ thông minh và ứng dụng” vào tháng 7 năm

2008 tại Bulgaria, các nhà khoa học Ukraine đã báo cáo hoàn thành thiết bị cầm tay thông minh để chuẩn đoán dịch bệnh cúm gia cầm H5N1 [14]

Hình 1.9 Mô hình thi ết bị xác định cúm gia cầm dựa trên cảm biến quang

Nguyên lý của thiết bị dựa trên hiệu ứng cộng hưởng gen nguyên sinh bề mặt (SPR-Surface Plasmon Resonance) Việc thay đổi độ cong của SPR làm thay đổi hệ

số chiết suất, sự thay đổi này tỷ lệ với nồng độ kháng thể trong máu của gia cầm bị

bệnh cúm Máu gia cầm bị bệnh được đặt trên bề mặt nhạy của thiết bị, trước đó bề mặt được phủ một lớp phân tích là kháng thể của cúm gia cầm Kháng nguyên của gia cầm cúm sẽ tác động và phản ứng với kháng thể này Phản ứng xảy ra làm thay đổi hệ số chiết suất, tín hiệu được chuyển đổi thông qua các kênh phát sóng tần số radio tới trung tâm y tế Thiết bị của bộ chuyển đổi này có tên TSPR 1A170100

1- đèn phát quang; 2- tấm phân cực; 3-dòng; 4-tấm nhôm nhiệt;

5- tấm nhạy bề mặt; 6-gương; 7-bộ nhận tín hiệu quang;

được chế tạo bơi công ty Nomadics [14] Thông qua các linh kiện thu, phát quang như Led, Photodetectors, gương để thu nhận, xử lý tín hiệu qua bộ chuyển đổi số tương tự (ADC) và vi xử lý hiển thị kết quả trên máy tính

1.4 Nguyên lý h ệ đo và xử lý tín hiệu của cảm biến miễn dịch đa kênh

1.4.1 C ảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn

Vi điện cực độ dẫn được chế tạo bằng kim loại quý như Pt, Au Những kim loại này được lắng đọng trên bề mặt điện môi cách điện như SiO2, gốm hay polyme sao cho

diện tích bề mặt hoạt động lớn, kích thước linh kiện nhỏ, có khả năng tích hợp cao, tính linh hoạt trong khi sử dụng

Hình 1.10 C ấu trúc cảm biến vi điên cực

Vi điện cực có cấu trúc răng lược được chế tạo dạng vi sai để giảm nhiễu trong quá trình đo, cấu trúc này được chế tạo tại phòng sạch viện ITIMS - Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội, chi tiết quy trình chế tạo được miêu tả chi tiết tại đây [21] Việc thay đổi độ dẫn giữa hai điện cực khi có phản ứng giữa kháng nguyên (đối tượng cần phân tích) đối với kháng thể (phần tử cố định lên cảm biến) Dựa trên sự thay đổi độ dẫn đó các điện cực sẽ cho sự thay đổi tín hiệu điện tương ứng ở nối ra

Điện trở của đối tượng được xác định bằng dòng điện đi qua đối tượng đó trên điện

áp đặt vào đối tượng Đơn vị SI cho điện trở là ohm được xác định:

R là điện trở của đối tượng, đơn vị là ohm Ω

V là điện áp đặt vào đối tượng, đơn vị là volt V

I là dòng điện đi qua đối tượng, đơn vị là ampe A

Độ dẫn điện (G) là đại lượng đặc trưng cho khả năng dẫn điện của vật liệu, nó là đại lượng nghịch đảo của điện trở:

A G

A: tiết diện ngang, đơn vị cm2

L: chiều dài, đơn vị cm

γ: điện trở suất của vật liệu dẫn

Dễ thấy độ dẫn của vi điên cực không những phụ thuộc vào bản chất môi trường dẫn mà còn phụ thuộc vào cấu trúc hình học của vi điện cực Do đó, nếu ta tăng được số lượng các răng lược trên đế vi điện cực thì sẽ tăng được độ dẫn điện giữa hai điện cực Tuy nhiên điều này còn phụ thuộc rất nhiều vào công nghệ chế tạo, đặc biệt là công nghệ vi điện tử Việc phân cực xảy ra ở mặt tiếp giáp giữa kim loại

và lớp dẫn thay đổi khi cho dòng đi qua là nguyên nhân làm thay đổi độ dẫn của lớp này Nếu sử dụng nguồn một chiều UDC đưa vào điện cực, thì lớp tụ điện được

tạo ra bởi lực hút tĩnh điện ion Do đó, sử dụng điện áp xoay chiều UAC khi đưa vào điện cực sẽ làm giảm ảnh hưởng bởi độ phân cực [23]

1.4.2 Nguyên lý c ủa hệ đo cho cảm biến miễn dịch đa kênh

Dựa trên nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học miễn dịch, phản ứng xảy ra giữa kháng nguyên - kháng thể là nguyên nhân gây thay đổi mật độ điện tích ở trên

bề mặt các điện cực dò (thay đổi độ dẫn G) Để giảm thiểu ồn đóng góp vào tín

hiệu trong quá trình đo đạc, một điện cực đóng vai trò so sánh trong phép đo vi sai được tích hợp cùng với các điện cực làm việc Hình 1.11 mô tả sơ đồ đo cảm biến miễn dịch đa kênh trên cơ sở vi điện cực

Hình 1.11 Sơ đồ thiết lập hệ đo cho cảm biến đa kênh

Sau khi cảm biến cố định kháng thể tạo chức năng cho cảm biến, việc gắn thiết bị

đo cho từng kênh hoặc đồng thời cho 4 kênh theo sơ đồ (hình 1.11) Để xác định vi rút tác giả sử dụng pipet để nhỏ mẫu vào các điện cực của cảm biến với thể tích tối

đa là 20 µl Khi có phản ứng kháng nguyên - kháng thể xảy ra ở kênh nào thì tín

hiệu điện ra có sự thay đổi so với kênh chuẩn (không cố định kháng thể) Thông

thường sự thay đổi về độ dẫn trong các thí nghiệm được đo đạc thông qua hê thống Lock - In Amplifier SR 830 Thiết bị này cho kết quả đo rất chính xác ngay cả ở

nồng độ rất nhỏ Tuy nhiên loại máy này chỉ hiển thị được cho 01 kênh của cảm biến mà không thể hiển thị và cho kết quả đo đồng thời 4 kênh của cảm biến miễn dịch Đây là cơ sở tác giả đã thiết kế và chế tạo thiết bị đo cho cảm biến miễn dịch

đa kênh, phần nội dung này được miêu tả chi tiết trong chương 2 của luận văn

Sơ đồ điện tương đương được tác giả miêu tả cho 01 kênh của cảm biến miễn dịch như trong hình 1.12

Hình 1.12 Sơ đồ điện tương đương cho cảm biến miễn dịch

Trong đó:

S: Tín hiệu từ bộ phát với điện áp V = 100 mV

R out: Điện trở ngoài, Rout = 1 KΩ

R: Điện trở của màng polymer dẫn

G: Vôn kế (Điện áp ra - Vout được hiển thị)

Khi đó dòng điện của hệ đo được xác định bởi công thức 2.9:

R R out

V I

+

=

(1.3)

R V

V V

V R

V G

.

=

(1.8) Hay:

10 1 10 3 100(S)

V x

và biên độ 100 mV được lấy từ bộ phát của IC Max038, sau đó, được đưa vào 5 điện cực (04 điện cực làm việc và 01 điện cực chuẩn) Khi có phản ứng miễn dịch trên vùng diện tích làm việc của bề mặt cảm biến sẽ làm thay đổi tín hiệu ở lân cận

bề mặt cảm biến Do đó các tín hiệu ra trên các điện cực khác nhau tuỳ theo khả năng phản ứng của chất phân tích trên từng điện cực làm việc so với điện cực

chuẩn Sự chênh lệnh tín hiệu điện này được xử lý trong hệ đo đa kênh để hiện thị

kết quả Chi tiết của hệ đo được tác giả miêu tả chi tiết trong chương 2 của luận văn

Tác giả vừa trình bày một số khái niệm về cảm biến sinh học, phân loại ứng dụng của cảm biến sinh học trong các lĩnh vực khác nhau của cuộc sống Đồng thời những thông tin về tình hình nghiên cứu của các nhóm nghiên cứu trên thế giới và trong nước cho thấy sự quan tâm sâu xắc của các nhà khoa học và các nhà sản suất thiết bị trong lĩnh vực này

Với những thông tin thu lượm được, với tính sẵn sàng về công nghệ, thiết bị, tác giả sẽ trình bày chi tiết hơn phần việc của mình là phát triển thiết bị hệ đo đa kênh dành cho các cảm biến miễn dịch trên cơ sở độ dẫn được chế tạo tại trường Đại

Học Bách Khoa Hà Nội

Chương 2 NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO THIẾT BỊ ĐO ĐA KÊNH

2.1 Vi c ảm biến độ dẫn đa kênh

Việc thiết kế, chế tạo cảm biến và đế dùng để đóng vỏ luôn phải đồng bộ theo một chuẩn kích thước và chuẩn sơ đồ chức năng chân nhất định Để đóng gói và tạo bộ socket thực hiện giao tiếp của cảm biến với bản mạch chính, tác giả đã tiến hành đo đạc các thông số của cảm biến đa từ đó là cơ sở để thiết kế đóng vỏ cho cảm biến Trong thời gian thiết kế, chế tạo hệ đo đa kênh tác giả đã tham gia cùng với các thành viên trong nhóm Biosensor, Viện ITIMS trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội chế tạo cảm biến để nghiên cứu xác định các thông số kích thước và tính năng của cảm biến đa kênh

Kích thước của vi cảm biến độ dẫn đa kênh:

Kích thước của cảm biến được xác định ban đầu từ việc thiết kế chế tạo mặt nạ (Mask) Mặt nạ được hiểu như là các khuôn ánh sáng trong quá trình quang khắc, khi chiếu ánh sáng tử ngoại qua Mask lên lớp cảm quang phủ trên bề mặt

lớp SiO2 của phiến Silicon, ánh sáng tử ngoại sẽ làm biến đổi tính hoà tan của

cảm quang ở những khu vực được chiếu sáng, tạo ra hình ảnh giống như hình ảnh của Mask lên lớp cảm quang Như vậy hình ảnh thực của bề mặt phiến Silicon như là hình ảnh trên Mask

Hình 2.1 Hình ảnh mặt nạ chế tạo cảm biến đa kênh

Tính chính xác trong quá tình thiết kế và chế tạo Mask quyết định đến độ chính xác và chất lượng của cảm biến Các thông số của cảm biến đa kênh được liệt kê trong bảng 2.1

Khoảng cách

G(µm)

Chiều rộng W(µm)

Chiều dài (mm)

B ảng 2.1 Các thông số của cảm biến đa kênh

Trong đó: G - Khoảng cách giữa các thanh kim loại (µm)

W - Chiều rộng của các thanh kim loại (µm)

L - Chiều dài của các thanh kim loại (mm)

S - Diện tích của cảm biến (µm2) Các thông số chi tiết của cảm biến đa kênh được nêu chi tiết trong hình 2.1

Hình 2.2 a Kích thước của cảm biến đa kênh