NGUYỄN TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI BỀ MẶT THANH

DAO ĐỘNG HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN PHÁT

HIỆN CHỈ THỊ UNG THƯ GAN AFP VÀ DKK1

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

NGUYỄN TRUNG THÀNH

NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP BIẾN ĐỔI BỀ MẶT THANH

DAO ĐỘNG HƯỚNG ỨNG DỤNG LÀM CẢM BIẾN PHÁT

HIỆN CHỈ THỊ UNG THƯ GAN AFP VÀ DKK1

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN TIẾN THẮNG

Thành phố Hồ Chí Minh - 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

PTN CÔNG NGHỆ NANO

i

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

Lời cảm ơn

Công sinh thành, dưỡng dục, trao trọn yêu thương không bờ bến, một đời của cha mẹ

để con có được những ngày hôm nay, con xin tạc dạ. Cảm ơn người!

Ơn dạy dỗ tận tâm của thầy cô không thể nào đền đáp, em xin ghi lòng. Em xin cảm

ơn!

Xin gửi tới thầy giáo, cán bộ hướng dẫn em đề tài luận văn này, PGS.TS Nguyễn

Tiến Thắng lời cảm ơn chân thành nhất. Thầy đã tận tâm hướng dẫn, dành thời gian quý

giá của mình để đọc và sửa nội dung khoa học của bài luận này.

Xin gửi lời cảm ơn chân thành tới PGS.TS Đặng Mậu Chiến. Một người thầy, người

quản lý tận tâm vì sự phát triển của sự nghiệp khoa học nước nhà.

Xin gửi tới Thạc Sỹ Phan Nhật Thanh Khoa lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất.

Anh là một người thầy, một người anh chưa bao giờ thiếu nhiệt tình và tâm huyết giúp đỡ

tôi hoàn thành luận văn này.

Cảm ơn Thạc sỹ Phạm Văn Bình, anh đã giúp tôi hiểu sâu hơn một số vấn đề liên

quan đến y sinh trong đề tài này.

Cảm ơn em Phạm Văn Thọ, các nghiên cứu viên, nhân viên của Phòng thí Nghiệm

Công nghệ Nano đã có những giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện đề tài ở LNT.

Chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Hội đồng bảo vệ luận văn này đã đọc,

phản biện giúp em hiểu rõ hơn những vấn đề chưa rõ.

Tôi cũng chân thành cảm ơn đề tài C2014-32-01 thực hiện tại PTN Công nghệ Nano,

Đai học Quốc gia Tp. HCM đã cho tôi cơ hội tham gia thực hiện nghiên cứu này.

Xin gửi lời chúc sức khoẻ, hạnh phúc tới quý thầy cô, anh chị và các bạn!

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 11 năm 2014

Học viên cao học

Nguyễn Trung Thành

ii

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết

quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác.

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã

được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Trung Thành

iii

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

MỤC LỤC

Trang phụ bìa Trang

Lời cảm ơn ............................................................................................................................ i

Lời cam đoan ....................................................................................................................... ii

Mục lục ............................................................................................................................... iii

Danh mục các chữ viết tắt ................................................................................................. vii

Danh muc các bảng........................................................................................................... viii

Danh mục hình ảnh ............................................................................................................. ix

Mở đầu .............................................................................................................................. 01

1. Giới thiệu ...................................................................................................................... 01

2. Mục tiêu và ý nghĩa của đề tài .................................................................................... 02

2.1. Mục tiêu ............................................................................................................. 02

2.2. Ý nghĩa của đề tài .............................................................................................. 02

3. Tóm tắt nội dung của đề tài ........................................................................................ 03

CHƢƠNG 1 ...................................................................................................................... 04

TỔNG QUAN

1.1. Cảm biến sinh học trên cơ sở thanh dao động ....................................................... 04

1.1.1. Cảm biến sinh học .......................................................................................... 04

1.1.1.1. Lịch sử phát triển công nghệ cảm biến sinh học. ............................. 04

1.1.1.2. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của cảm biến sinh học ................. 05

1.1.1.3. Phân loại ........................................................................................... 06

1.1.2. Cảm biến sinh học trên cơ sở thanh dao động ............................................... 08

1.1.2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học dựa trên

nguyên lý thanh dao động. .................................................................. 08

1.1.2.2. Một số yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả của cảm biến sinh học trên cơ

sở thanh dao động .......................................................................................... 10

1.2. Ung thƣ gan ............................................................................................................... 11

1.2.1. Thực trạng bệnh nhân ung thư gan trên thế giới ........................................... 14

1.2.2. Phòng tránh, chẩn đoán và điều trị bệnh ung thư gan ................................... 16

iv

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

1.2.2.1. Phòng tránh bệnh ung thư gan .......................................................... 16

1.2.2.2. Các phương pháp chẩn đoán bệnh ung thư gan ................................ 17

1.2.2.3. Một số phương pháp điều trị bệnh ung thư gan ............................... 18

1.2.3. Hệ kháng thể-kháng nguyên .......................................................................... 20

1.2.4. Chất chỉ thị ung thư gan ............................................................................... 22

1.2.4.1. Chất chỉ thị AFP .............................................................................. 22

1.2.4.2. Chất chỉ thị DKK1 ........................................................................... 23

1.3. Các phƣơng pháp biến đổi bề mặt để ứng dụng cảm biến thanh dao động trong

việc phát hiện ung thƣ gan .............................................................................................. 24

1.3.1 Biến đổi xuất phát từ bề mặt Au ...................................................................... 24

1.3.2. Biến đổi xuất phát từ bề mặt SiNx ................................................................. 25

1.3.2.1 Phương pháp biến đổi và vấn đề đối với SiNx ................................... 25

1.3.2.2 Vai trò của xử lý bề mặt SiNx bằng plasma O2 .................................. 26

1.3.2.2.1 Giới thiệu về plasma O2 ...................................................... 26

1.3.2.2.2 Một số kỹ thuật tạo plasma ................................................ 26

1.3.2.2.3 Vai trò của plasma đối với bề mặt SiNx ............................ 29

1.4 Các phƣơng pháp đánh giá hiệu quả của cảm biến sinh học dựa trên cơ sở thanh

dao động............................................................................................................................ 29

1.4.1. Đánh giá các bước biến đổi bề mặt ................................................................ 29

1.4.1.1. Phương pháp chụp ảnh huỳnh quang .............................................. 29

1.4.1.2 Phương pháp đo góc tiếp xúc .......................................................... 30

1.4.1.3. Phương pháp phản ứng đổi màu nhờ enzyme HRP ........................ 33

1.4.2. Phương pháp đo độ lệch thanh dao động để phát hiện chất đánh dấu sinh học

................................................................................................................................... 33

CHƢƠNG 2 ...................................................................................................................... 36

VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP

2.1. Quy trình biến đổi bề mặt thanh dao động ....................................................... 36

2.1.1. Quy trình xuất phát từ Au ............................................................................ 36

v

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

2.1.1.1. Khảo sát trên wafer .......................................................................... 36

2.1.1.2. Thử nghiệm trên chíp thanh dao động để dò tìm AFP ..................... 37

2.1.2. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiNx/SiO2 ...................................................... 39

2.1.2.1. Khảo sát silane hóa bề mặt SiNx và SiO2 và vấn đề của SiNx ......... 39

2.1.2.2. Xử lý bề mặt SiNx bằng plasma O2 .................................................. 43

2.1.2.3. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy ............................................ 44

2.1.2.4. Áp dụng các quy trình tối ưu hóa để biến đổi bề mặt SiNx với

GOPTS ........................................................................................................... 44

2.1.2.5. Áp dụng các quy trình tối ưu hóa để biến đổi bề mặt SiNx với

APTES +GAD ............................................................................................... 44

2.1.2.6. Ứng dụng thanh dao động động để dò tìm DKK1 .......................... 45

2.2 Các phƣơng pháp, thiết bị khảo sát và hoá chất sử dụng trong đề tài ................. 47

2.2.1. F-LCA và kính hiển vi huỳnh quang ............................................................ 47

2.2.2. Máy đo góc tiếp xúc ..................................................................................... 48

2.2.3. Khảo sát bằng enzim HRP ............................................................................ 48

2.2.4. Đo độ lệch ..................................................................................................... 49

2.2.5. Các hoá chất sử dụng trong đề tài ................................................................. 49

CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................... 51

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

3.1. Khảo sát qui trình biến đổi xuất phát từ bề mặt Au ............................................ 51

3.1.1 Khảo sát thời gian ngâm GAD ...................................................................... 51

3.1.2 Khảo sát nồng độ GAD ................................................................................. 54

3.1.3 Đánh giá hiệu quả quy trình tối ưu thông qua góc tiếp xúc ......................... 55

3.1.4 Kết quả thử nghiệm thanh dao động để phát hiện AFP ................................. 56

3.2. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiN/SiO2 ................................................................ 57

3.2.1 Kết quả biến đổi bề mặt SiNx chưa qua xử lý plasma O2 và bề mặt SiO2 ... 57

3.2.2. Cải tiến quy trình xuất phát từ bề mặt SiNx bằng phương pháp xử lý plasma

oxy .......................................................................................................................... 58

3.2.3. Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma oxy ....................................................... 59

3.2.3.1. Thời gian xử lý plasma ................................................................... 59

3.2.3.2. Ảnh hưởng của lưu lượng khí oxy .................................................. 61

3.2.3.3. Ảnh hưởng của công suất plasma ................................................... 64

3.2.3.4. Các thông số xử lý plasma tối ưu ................................................... 65

3.2.4. Áp dụng quy trình xử lý plasma vào quy trình APTES +GAD tối ưu ........ 66

3.2.5. Áp dụng quy trình xử lý plasma oxy +APTES+GAD tối ưu để biến đổi bề

mặt SiNx của thanh dao động để dò tìm DKK1 ...................................................... 68

vi

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

CHƢƠNG 4 ...................................................................................................................... 70

KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI

4.1. Kết luận .................................................................................................................... 70

4.2. Hướng phát triển của đề tài. ..................................................................................... 70

Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 71

vii

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Stt Chữ viết tắt Diễn giải

1 AFP

Alpha-fetoprotein

2 Anti-AFP Anti-Alpha-fetoprotein

3 Anti-DKK1 Anti-Dickkopf-1

4 APTES 3-Aminopropyl triethoxysilane

5 BSA Bovine serum albumin

6 CAT Computerized Axial Tomography

7 CCP Capacitively coupled plasma

8 CT Computerized Tomography

9 DKK1 Dickkopf-1

10 DNA Deoxyribonucleic acid

11 ELISA Enzyme-linked immunosorbent assay

12 FITC Fluorescein isothiocyanate

13 F-LCA Fluorescein isothiocyanate-Lens culinaris agglutinin

14 GAD Glutaraldehyde

15 GOPTS 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane

16 GP73 Golgi Protein 73

17 HCC Hepatocellular carcinoma

18 HCV Hepatitis C

19 HRP Horseradish peroxidase

20 ICP Inductively Coupled Plasma

21 IgA Immunoglobulin A

22 IgD Immunoglobulin D

23 IgE Immunoglobulin E

24 IgG Immunoglobulin G

25 IgM Immunoglobulin M

26 LCA Lens culinaris agglutinin

27 LNT Laboratory for Nanotechnology

28 MRI Magnetic Resonance Imaging

29 PBS Phosphate buffered saline

30 RNA Ribonucleic acid

31 SPR Surface plasmon reconance

32 UV-Vis Ultraviolet–visible spectroscopy

viii

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

DANH MỤC CÁC BẢNG

Tên bảng Trang

Bảng 1.1.1: Các thành phần chính của một cảm biến sinh học. ......................................... 6

Bảng 2.2.1. Danh mục các hóa chất .................................................................................. 49

Bảng 3.1.1: Khảo sát thời gian ngâm GAD. ..................................................................... 51

Bảng 3.1.2: Khảo sát nồng độ GAD. ................................................................................ 54

Bảng 3.1.3: Kết quả đo góc tiếp xúc nước. ....................................................................... 56

Bảng 3.2.1: Các thông số của quá trình xử lý plasma oxy ............................................... 58

Bảng 3.2.2: Các thông số quá trình xử lý plasma oxy ...................................................... 60

Bảng 3.2.3: Các thông số quá trình xử lý plasma oxy ...................................................... 61

Bảng 3.2.4: Các thông số quá trình xử lý plasma oxy. ..................................................... 64

Bảng 3.2.5: Các thông số tối ưu của quá trình xử lý plasma oxy ..................................... 65

71

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

Tài liệu tham khảo

[1]. Nardo Ramírez Frómeta, “Cantilever Biosensors”, Ave. 25 esq. 158, Cubanacán,

Playa, Ciudad de La Habana, Cuba.

[2]. Gennady Evtugyn, “Biosensors: Essentials”, Department of Analytical Chemistry,

Kazan Federal University, Kazan, Russia.

[3]. Dr. Javed H. Niazi KM, “Overview, history & types of biosensors”, Faculty of

Engineering & Natural Sciences, Sabanci University.

[4]. Janos, Tomaso, “Optical Biosensors”, Laboratory of Biosensors and Bioelectronics,

Institute for Biomedical Engineering.

[5]. K. Kivirand, M. Kagan, T. Rinken, “Calibrating Biosensors in Flow-Through Set-

Ups: Studies with Glucose Optrodes”, Intech, DOI: 10.5772/54127.

[6]. D. Then, C. Ziegler, “Cantilever – based sensors”, University of Kaiserslautern,

Kaiserslautern, Germany.

[7]. Josep M. Llovet, Michel Beaugrand, “Hepatocellular carcinoma: present status and

future prospects”, Journal of Hepatology 38 (2003) S136–S149.

[8]. Helen Reeves, Derek M. Manas and Rajiv Lochan, “Liver Tumors - Epidemiology,

Diagnosis, Prevention and Treatment", April 10, 2013 under CC BY 3.0 license,

Intech.

[9]. Ahmet Gurakar, James P. Hamilton, Ayman Koteish, Zhiping Li, Esteban Mezey,

“Hepatocellular Carcinoma”, 600 North Wolfe Street, Baltimore, Maryland.

[10]. Thomas B. Tomasi, “STRUCTURE AND FUNCTION OF ALPHA-

FETOPROTEIN”, Ann. Rev. Med. 1977. 28:453-65.

[11]. Pietro Pucci, Rosa Siciliano, Antonio Malorni, Gennaro Marino, Mario F. Tecce,

Costante Ceccarini, Benedetto Terraria, “Human a-Fetoprotein Primary Structure: A

Mass Spectrometric Study”, Biochemistry 1991, 30, 5061-5066.

[12]. Bin Yu, Xinrong Yang, Yang Xu, Genfu Yao, Huiqun Shu, Biaoyang Lin, Leroy

Hood, Hongyang Wang, Shengli Yang, Jianren Gu, Jia Fan, Wenxin Qin, “Elevated

expression of DKK1 is associated with cytoplasmic/nuclear b-catenin accumulation

and poor prognosis in hepatocellular carcinomas”, Elsevier, Journal of Hepatology

50 (2009) 948–957.

72

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

[13]. Michel Rosso, “Modification of Silicon Nitride and Silicon Carbide Surfaces for

Food and Biosensor Applications”, PhD thesis, Wageningen University, Dutch.

[14]. Míriam Gironès i Nogué, “Inorganic and Polymeric Microsieves ”, PhD Thesis,

University of Twente, The Netherlands.

[15]. Manoj Joshi, Sunil Singh, BibhuSwain, Samadhan Patil, Rajiv Dusane, Ramgopal

Rao, Soumyo Mukheji, “Anhydrous Silanization and Antibody Immobilization on

Hotwire CVD Deposited. Silicon Oxynitride Films”, IEEE India Annual conference

2004. Indicon 2004.

[16]. Shun'ko, Evgeny V, Stevenson, David E, Belkin, Veniamin S, "Inductively

Coupling PlasmaReactor With Plasma Electron Energy Controllable in the Range

From ~6 to ~100 eV". IEEE Transactions on Plasma Science 42 (3): 774–785.

[17]. Octmvien Buiu, Gray PKennedy et.al, “Structural Analysis of Silicon Dioxide and

Silicon Oxynitride Films Produced using an Oxygen Plasma”, IEEE Transactions

on Plasma Science,VOL.26, N0.6, Dec.1998.

[18]. Buiu, Gartner, Mariuca, Taylor, “Structural analysis of silicon dioxide and silicon

oxynitride films produced using an oxygen plasma”, Plasma Science, IEEE

Transactions on (Volume:26 , Issue: 6 ).

[19]. C. Jime´nez, J. Perrie`re, I. Vickridge, J.P. Enard, J.M. Albella, “Transformation of

silicon nitride in oxygen plasma”, Surface and Coatings Technology, Volume 45,

Issues 1–3, 15 May 1991, Pages 147–154.

[20]. S Weichela, R de Reusa, S Bouaidata, P.A Rasmussena, O Hansena, K Birkelundb,

H Dirac, “Low-temperature anodic bonding to silicon nitride”, Sensors and

Actuators A: Physical, Volume 82, Issues 1–3, 15 May 2000, Pages 249–253.

[21]. Greg T. Hermanson, “BIOCONJUGATE TECHNIQUES ”, 525 B Street, Suite

1800, San Diego, CA 92101-4495, USA, Third edition 2013, chapter 10.

[22]. N. F. Martínez, P. M. Kosaka, J. Tamayo, J. Ramírez, O. Ahumada, J. Mertens, T.

D. Hien, C. V. Rijn, and M. Calleja, “High throughput optical readout of dense

arrays of nanomechanical systems for sensing applications ”, Review of Scientific

Instruments 81, 125109 (2010).

[23]. Michel Godin, Vincent Tabard-Cossa, Peter Gru¨tter and Peter Williams,

“Quantitative surface stress measurements using a microcantilever”, Applied

Physics Letters, Volome 79, Number 4, 2001.

73

Luận văn tốt nghiệp Thạc sỹ Nguyễn Trung Thành

[24]. Yuehua Yuan, “Surface Science Techniques”, Springer Berlin Heidelberg (2013),

chapter 1 trang 5.

[25]. Sung-Hoon Kim, Sun-Kyung Han, Jae-Ho Kim, Myung-Bock Lee, Kwang-Nak

Kohd, Shin-Won Kang, “A self-assembled squarylium dye monolayer for the

detection of metal ions by surface plasmon resonances”, Elsevier, Dyes and

Pigments 44 (2000) 55-61.

[26]. http://globocan.iarc.fr/Pages/fact_sheets_population.aspx.

[27].http://benhvienk.com/pcut/tim-hieu-benh-ung-thu/1059-cac-phuong-phap-chan-

doan-ung-thu.

[28]. http://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/srp3258?lang=en&region=VN

[29]. http://www.cancer.net.

[30]. http://en.wikipedia.org/wiki/Contact_angle.