BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
***************** PHƯƠNG ĐÌNH TÂM

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN ADN NHẰM
ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC VÀ THỰC PHẨM

Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu điện tử
Mã số: 62. 52. 92. 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Đại học Bách khoa Hà nội
2. Thư viện Quốc gia
1. Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Trần
Quang Huy, Electrochemical ADN sensor for Herpes virus
detection, Journal of Chemistry, 46 (2008), pp.127-132.
2. Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến,
Fabrication Interdigitated electrode array for biosensor application,
journal of Communications in Physics, accepted
3. Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, ADN
covalent Attachment on Conductometric Biosensor for Modified
Genetic Soybean Detection, Communications in Physics, 17
(2007), pp. 234-240.
4. Phương Đình Tâm, Nguyễn Hải Bình, Mai Anh Tuấn, Nguyễn
Đức Chiến, Electrochemical ADN sensor for label – free soybean
transgenic detection, journal of Chemistry, 45 (2007), pp. 241-244.
5. Tuan. M. A, Binh. N. H, Tam. P. D, and Chien. N.D.
Conductometric biosensor for diabetic diagnosis and ADN
detection in transgenic corn, Communication physics, 15 (2005),
pp. 218-222.
3. Báo hội nghị quốc tế
1. Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Tom
Aarnink, Directly Immobilized ADN Sensor for Label-free
Detection of Herpes Virus, The IEEE of 5th International

nhanh các loại vi rút, đưa ra các kế hoạch phòng ngừa, bảo vệ thích
hợp, nhằm giảm thiểu những rủi do về con người cũng như về vật
chất do các loại vi rút gây lên.
Một lĩnh vực khác cũng đang được quan tâm đó là thực phẩm biến
đổi gen. Theo các nhà nghiên cứu sinh h
ọc, cây chuyển gen là một
thực vật mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân tạo thay vì
thông qua lai tạo. Thông qua quá trình chuyển gen, cây chuyển gen
đã đem lại những lợi ích như: tăng sản lượng, giảm chi phí sản xuất,
tăng giá trị dinh dưỡng. Mặc dù có nhiều lợi ích như vậy, nhưng cây
chuyển gen vẫn có những nguy cơ tiềm ẩn như: việc vô tình đưa
những chất dị ứng vào th
ực phẩm, khả năng phát tán những gen biến
nạp trong cây trồng sang họ hàng hoang dại, sâu bệnh có nguy cơ
tăng cường sức kháng với các chất độc tiết ra từ cây chuyển gen,
nguy cơ những chất độc này tác động tới các sinh vật không phải là
sinh vật cần diệt. Do đó, cần phải có những kết luận mang tính khoa
học để đánh giá tác động của loại thực phẩm này đến đời s
ống xã
hội. Trong khi chờ đợi những kết luận cuối cùng thì cây chuyển gen
vẫn chưa được cả xã hội chấp nhận sử dụng rộng rãi. Việc tìm hiểu
các thông tin về thực phẩm chuyển gen là vấn đề thực sự được nhiều
quốc gia quan tâm.
Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp được sử dụng để
phát hiện ADN của vi rút gây bệnh hay nhận biết ADN củ
a cây trồng
chuyển gen như: phương pháp phản ứng chuỗi polyme (PCR),
phương pháp nhận biết các kháng nguyên - kháng thể, phương pháp
ELISA. Đây là các phương pháp cho kết quả sau từ một đến vài giờ,
thậm chí đến 24 giờ.

về loại cảm biến sinh học này ở Việt nam. Với mục tiêu nghiên cứu,
chế tạo cảm biến ADN với điều kiện công nghệ hiện có ở trong
nước, luận án
đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết kế cảm
biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước, tiến hành thực
nghiệm chế tạo cảm biến, khảo sát các đặc trưng của cảm biến đã chế
tạo, đo đạc với mẫu bệnh phẩm thực tế do Viện vệ sinh dịch tễ Trung
ương và một số c
ơ sở khác có liên quan cung cấp. Trên cơ sở đó, rút
ra được những kết luận về khả năng chế tạo loại cảm biến này ở
trong nước, đưa ra những đề xuất làm cơ sở cho các định hướng
nghiên cứu sau này về lĩnh vực cảm biến sinh học ADN. Từ những
mục tiêu đặt ra của luận án, nội dung chính của luận án sẽ được chia
làm 4 chương:
Chươ
ng 1: Tổng quan về cảm biến ADN
Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và các đặc trưng của cảm
biến độ dẫn
Chương 3: Nghiên cứu cố định ADN
Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ADN trong y học và thực
phẩm
3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ADN

1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là loại cảm biến bao gồm phần cảm nhận sinh học
kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu như được mô tả trong hình 1.1.
Thành phần cảm nhận sinh học
là loại vật liệu sinh học được
liên kết với bộ chuyển đổi, nó

Cảm biến trên cơ sở sợi quang kết hợp với các mô đun điện tử đã
được nghiên cứu khá kỹ trong hơn một thập kỷ qua. Trong phép đo
quang, người ta phải sử dụng những vật liệ
u có khả năng phát hoặc
H
ình 1.1.
C
ấu tạo của cảm biến sinh học
4
hấp phụ quang học, những vật liệu này thường được gắn lên các
phần tử cảm nhận sinh học (ADN), về điều này cảm biến sinh học sử
dụng bộ chuyển đổi quang thường được gọi là phương pháp đánh
dấu. Chất đánh dấu thường được sử dụng là brôm ethidium (3.8 –
diamino – 6 – phenyl – 5 – ethy – phenanthridium), picogreen, và
một số chất khác.
Cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặ
t
Một loại cảm biến ADN khác cũng dựa trên bộ chuyển đổi quang
học là hệ thống cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR). Đây là cảm biến
không đòi hỏi phải đánh dấu đoạn ADN, kết quả của phép đo có thể
được hiển thị ngay trong quá trình đo. Hệ thống này dựa trên sự thay
đổi góc cộng hưởng của ánh sáng phản xạ ở bề mặt cả
m biến, khi có
sự lai hóa của đoạn ADN dò và ADN đích. Sự thay đổi này sẽ tương
ứng với sự thay đổi khối lượng phân tử tồn tại ở bề mặt cảm biến.
1.3.2 Cảm biến ADN dựa trên bộ chuyển đổi cơ học
Cảm biến ADN trên cơ sở vi cân tinh thể thạch anh (QCM)
Cảm biến QCM được chế tạo trên phiến tinh thể thạch anh mỏng
bằng cách lắng đọng lên đó một lớp kim loại (thông thường là vàng)
ở hai mặt phiến tạo thành một cặp điện cực. Để phát hiện lai hóa các

đến nồng độ của chất chỉ thị sẽ tăng ở bề mặt cảm biến, làm thay đổi
tín hiệu điện hóa trong quá trình đo. Kết quả này có thể được nhận
biết bằng các ph
ương pháp xung, thế tuần hoàn hoặc bằng phương
pháp quét thế không đổi. Những chất chỉ thị thường được sử dụng là
Co(bpy)
3
3+
, Ru(bpy)
3
2+
, Co(phen)
3
3+
hoặc các chất hữu cơ có thể liên
kết theo những cách khác nhau đối với đoạn ADN.
Cảm biến ADN sử dụng hạt nano
Có hai phương pháp phổ biến sử dụng hạt nano để nhận biết ADN là
điện hóa học hạt nano kim loại ở điện cực được cố định AND dò khi
có sự bắt cặp của đoạn ADN bổ sung, hoặc sau khi lai, hóa hạt nano
được hòa tan trong dung dịch axít sau
đó đo tính chất điện hóa.
Một đặc điểm khi sử dụng hạt nano kim loại để nhận biết lai hóa là
khả năng phát hiện nhiều ADN đích cùng một lúc. Các đoạn ADN
đích khác nhau có thể được mã hóa với nhiều hạt nano kim loại khác
nhau. Tín hiệu của quá trình lai hóa có thể nhận được bằng việc phân
tích tín hiệu điện hóa lượng kim loại khi hòa tan trong dung dịch
axít. Tuy nhiên, đây là phương pháp tương đố
i phức tạp, tín hiệu của
cảm biến là không ổn định, mẫu phân tích sẽ bị phá hủy khi bị hòa

tính chất vật lý, hoá học hoặc sinh học trong dung dịch phân tích.
Khi đó, sẽ làm thay đổi tín
hiệu điện ở đầu ra của cảm
biến. Hiện nay, vi điện cực
được sử dụng nhiều nhất để
ứng dụng cho cảm biến nói
chung và cảm biến sinh học
nói riêng là vi điện cực có
dạng hình tròn và đặc biệt là
các vi điện cực planar có c
ấu
trúc các thanh kim loại kích thước micromet đan xen (intedigitated
array (IDA)). Các vi cảm biến này được chế tạo lên trên một đế cách
điện bằng cách lắng đọng các kim loại quý như Au hoặc Pt trên các
khuôn định dạng.
Cũng như các loại cảm biến ADN khác, để xác định lai hoá đoạn
ADN, trên bề mặt cảm biến phải được cố định đoạn ADN dò. Quá
trình xác định lai hóa đoạn ADN dựa trên sự bắt cặp củ
a đoạn ADN
dò và ADN bổ sung hình thành đoạn xoắn kép (hình 1.2). Khi đó, sẽ
có sự thay đổi độ dẫn ở lân cận bề mặt cảm biến. Sự thay đổi độ dẫn
này được nhận biết bởi cảm biến và được chuyển thành tín hiệu điện
ở đầu ra.
CHƯƠNG 2
NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC
TRƯNG CỦA CẢM BIẾN ĐỘ DẪN

2.1 Thiết kế cảm biến
Thiết kế mặt nạ (MASK) cho vi cảm biến

Với cấu hình vi cảm biến có các chi tiết nhỏ
hơn 10 μm, để đảm bảo
độ chính xác về kích thước của cảm biến, Mask đã được thiết kế trên
Clewin sau đó được in trên thủy tinh hữu cơ (hình 2.2).
2.2 Chế tạo cảm biến
Chế tạo cảm biến có kích thước các thanh kim loại làm điện cực lớn
hơn 20
μ
m
Hình 2.3a biểu diễn sơ đồ quy trình chế tạo của cảm biến có kích
thước các thanh kim loại làm điện cực lớn hơn 20 μm. Đầu tiên, H
ình 2.2.
C
ấu hình cảm biến được thiết kế bằng Clewin
BiosensorBiosensor
§iÖn cùc ®é dÉn
70 - 30
BiosensorBiosensor
§iÖn cùc ®é dÉn

giới hạn độ phân giải của máy quang khắc, điều kiện công nghệ hiện
có trong nước. Vì vậy, để đảm bảo được chất lượng linh kiện, với các
cảm biến có kích thước nhỏ hơn 10 μm, quy trình công nghệ chế tạo
được mô tả theo sơ đồ hình 2.3b. Theo sơ đồ này, ngoài các quá trình
làm sạch, ôxi hóa và quang khắ
c còn có thêm bước lắng đọng nhôm
để làm lớp màng hy sinh trong quá trình chế tạo cảm biến. Lớp nhôm
thu được trên bề mặt phiến silíc được thực hiện bằng phương pháp
bốc bay, đóng vai trò tạo hình linh kiện sau quá trình quang khắc.
Sau khi bốc bay nhôm, phiến được quang khắc và hiện hình. Sau đó,
tiến hành ăn mòn nhôm để tạo hình linh kiện. Tiếp theo, phiến silíc
được phún xạ Cr/Pt và cuối cùng là ăn mòn phần kim loại không cần
thiết để hình thành các vi cảm biế
n.
2.3 Các đặc trưng của cảm biến
Ảnh hưởng của khoảng cách thanh kim loại làm điện cực đến tín
hiệu ra của cảm biến
Các thông số kích thước có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị điện dung
của cảm biến – một thông số liên quan đến tín hiệu ra của cảm biến.

(a) (b)
Hình 2.3. Quy trình chế tạo cảm biến có kích thước chiều rộng và khoảng cách các
thanh kim loại làm điện cực >20
μ
m (a), < 10
μ
m (b)
9
Cảm biến có khoảng cách các thanh kim loại làm điện cực càng lớn
thì điện dung càng giảm và ngược lại. Theo các nghiên cứu của các

thuộc vào chiều rộng các thanh kim loại
làm điện cực sẽ tă
ng tuyến tính bậc nhất
theo hàm y = 0.033X + 0.8. Ở cảm biến có giá trị chiều rộng thanh
kim loại làm điện cực là 80 µm thì tín hiệu ra của cảm biến cao nhất
ở xấp xỉ 3.5 mV.
Ảnh hưởng của số lượng thanh kim loại làm điện cực đến tín hiệu ra
của cảm biến
Trong luận án này, trên một đơn vị diện tích đã được xác định (1.2
mm x 1.5 mm) số lượng các thanh kim loại làm điệ
n cực đã được
thay đổi lần lượt là 280, 140, 70, 35 tương ứng với sự thay đổi kích
H
ình 2.6. Tín hiệu ra của cảm
biến phụ thuộc vào chiều
r
ộng các thanh kim loại

Hình 2.5. Tín hiệu ra của cảm
biến phụ thuộc vào khoản
g

cách giữa các thanh kim loại
10
thước về khoảng cách và chiều rộng thanh kim loại làm điện cực là
2,5 µm; 5 µm; 10 µm; 20 µm. Như biểu diễn ở hình 2.7, số lượng các
thanh kim loại tăng, sẽ làm tăng độ phân giải của các thanh kim loại
trên bề mặt cảm biến, làm cho sự di chuyển các điện tích giữa các
thanh kim loại làm điện cực nhanh hơn, do đó, làm tăng tín hiệu ra
của cảm biến. Giá trị này tăng tuyến tính theo hàm y = 0.01x + 0.13.


Hình 2.7. Tín hiệu ra của cảm biến
phụ thuộc vào số lượng các thanh
kim loại làm điện cực
Hình 2.8. Đặc trưng tần số
−
điện áp
của cảm biến có kích thước các thanh
kim lo
ạ
i làm đi
ệ
n c
ự
c khác nhau

H
ình 2.9. Đường cong Nyquist của
cảm biến trong dung dịch KCl,
nồng độ 0.05 mM, 0.1 mM, 1 mM
11
nửa đường tròn sẽ tương ứng với một trở kháng hay nói cách khác là
tương ứng với một độ dẫn của dung dịch. Với dung dịch có nồng độ
càng cao thì nửa đường tròn càng nhỏ, độ dẫn của dung dịch do cảm
biến đo được là càng lớn và ngược lại. Do vậy, có thể khẳng định,
cảm biến đã chế tạo có thể đo được độ dẫn c
ủa dung dịch ở các nồng
độ khác nhau.
Phổ tổng trở của vi cảm biến có kích thước chiều rộng và khoảng
cách các thanh kim loại làm điện cực khác nhau

Đặc trưng độ dẫn của cảm biến đã được xác định bằng phép đo phổ
tổng trở trong dung dịch KCl có các nồng độ khác nhau. Kết quả đã
đã chỉ ra với dung dịch có nồng độ càng cao, thì độ dẫn cảm biến đo
được càng tốt và ngược lại.
H
ình 2.10. Đường Nyquist của
cảm biến có kích thước các
thanh kim loại làm điện cực
khác nhau trong 0.5 mM KCl
12
CHƯƠNG 3. NGHIÊN CỨU CỐ ĐỊNH ADN
3.1 Phương pháp điện hoá
Đường cong vôn - ampe cố định đoạn ADN dò
Thông thường, pyrrole được polyme hóa cùng với sự có mặt của các
chất pha tạp khác nhau như: Cl
-
,
NO
3
-
, ClO
4
-
. Các đoạn ADN cũng
có thể coi như là các tạp anion
trong quá trình polyme hóa
pyrrole ở điện cực làm việc. Điều
này sẽ cho phép sự kết hợp đoạn
ADN vào trong lớp màng polyme
thông qua sự phân bố điện tích

Từ đường cong vôn – ampe cho
thấy, mật độ dòng điện tăng dần

H
ình 3.2. Ảnh hưởng của nồng độ
A
DN dò đến quá trình cố định ADN

H
ình 3.1. Đường vôn - ampe của quá
trình cố định ADN trong 0.5 mM Ppy,
C
ADN
= 0.05
μ
M, 0.1 M LiClO
4
, U =
−

0.7 V
÷
+ 0.6 V, tốc độ quét 100 mV/s
13
tương ứng với chiều tăng của nồng độ đoạn ADN (0.05 μM, 0.5 μM,
1 μM, 2 μM, 5 μM, 7 μM, 10 μM, 15 μM, 20 μM) là do có sự tăng
nồng độ điện tích âm nhóm phốt phát của đoạn ADN trong lớp màng
polyme.
Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) xác định liên kết
Ppy/ADN trên bề mặt cảm biến

ADN), 734 cm
-1
(Ppy) và 894 cm
-1
(Ppy / ADN), 897 cm
-1
(Ppy).
Ảnh hiển vi điện tử quét (FE - SEM) của màng Ppy / ADN trên bề
mặt cảm biến
Hình thái bề mặt màng Ppy và Ppy / ADN đã được nghiên cứu bằng
kính hiển vi điện tử quét (FE - SEM) như được mô tả trong hình 3.4.
Trong đó, bề mặt màng Ppy
được polyme hoá trong dung
dịch LiClO
4
có cấu trúc không
đồng đều, có hình hoa cải hoặc
hình cầu hay các bán cầu (hình
3.4a) ở kích thước micro hoặc
nano mét. Hình 3.4b mô tả
hình thái bề mặt của cảm biến
khi pyrrole được polyme hoá trong dung dịch LiClO
4
với sự có mặt
các đoạn ADN. Trong đó, chúng ta có thể thấy đã có sự phân bố

Hình 3.4. Hình thái bề mặt màng Ppy /
LiClO
4
(a) và Ppy / LiClO

3.2.1 Cố định sử dụng ống nano các bon
Đặc trưng ảnh hiển vi điện tử quét
Do đoạn ADN liên kết
đến bề mặt cảm biến thông qua sự tương tác
của các nhóm chức được hình thành trong quá trình ô xi hóa CNTs
và nhóm phốt phát trong đoạn ADN. Vì vậy, hai thí nghiệm khác
nhau đã thực hiện để xem xét hình thái bề mặt của cảm biến.
Trong thí nghiệm đầu tiên, ống nano sau khi được ô xi hóa đã được
phủ lên bề mặt cảm biến
không được cố định đoạn
ADN. Ảnh FE-SEM đã cho
thấy, chỉ có các ống nano các
bon với
đường kính khác nhau
nằm trên bề mặt của cảm biến
(hình 3.5a). Trong thí nghiệm
tiếp theo, cho ống nano các
bon liên kết với đoạn ADN được hoạt hóa bằng EDC/MIA. Như
được mô tả trong hình 3.5b, chúng ta có thể thấy, đã có sự xuất hiện
của đoạn ADN (những chấm trắng nhỏ) liên kết với ống các bon
thông qua tương tác giữa nhóm cacboxylic hoặc amin với nhóm phốt
phát của ADN.
Đặc trưng phổ hồng ngoại bi
ến đổi chuỗi Fourier (FTIR)
Tương tác liên kết cộng hóa trị giữa đoạn ADN dò và ống nano các
bon được đặc trưng bằng
phổ hồng ngoại FTIR như
được biểu diễn trên hình
3.6. Hình 3.6a là phổ
hồng ngoại của lớp màng

SEM của CNTs (a )và ADN / CNTs (b)
15
động ở đỉnh 881cm
-1
đến 517 cm
-1
. Đồng thời cũng có xuất hiện các
đỉnh 1600 cm
-1
và 1251 cm
-1
(hình 3.6b) tương ứng với sự có mặt
của các liên kết bazơ A - T, G - C trong đoạn ADN.
3.2.2 Cố định ADN sử dụng APTS
Phổ hồng ngoại biến đổi chuỗi Fourier (FTIR) xác định liên kết ADN
và APTS
Hình 3.7 biểu diễn phổ hồng ngoại của màng ADN/APTS. Có thể
quan sát thấy, ở phổ hấp phụ tại các
đỉnh từ 1750 cm
-1
÷ 1600 cm
-1
tương
ứng với sự dao động của các liên kết
bazơ G - C, A - T trong đoạn ADN.
Trong khi đó, liên kết N - H của APTS
có thể được xác nhận ở phổ dao động
1526 cm
-1
. Ở dải tần số phổ dao động

miền tối. Chính các miền này có thể sẽ tạo điều kiện cho sự hấp phụ
các đoạn ADN đích trong quá trình đo dẫn đến sự sai số tín hiệu.
H
ình 3.7. Phổ hồng ngoại của
màng APTS/
A
D
N (a) (b)
H
ình 3.8. Hình thái bề mặt của cảm biến c
ố

định ADN của đậu tương chuyển gen
16
Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò
Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biến được
mô tả trong hình 3.9. Hình 3.9(a) mô tả tín hiệu ra của cảm biến phụ
thuộc vào nồng độ ADN dò ở các nồng độ ADN đích khác nhau.
Hình 3.9(b) mô tả tín hiệu ra của cảm biến phụ thuộc vào nồng độ
ADN dò ở nồng độ ADN đích là 3nM.
Chúng ta có thể nhận thấy trong hình 3.9b, khi nồng độ
ADN dò
càng tăng, tín hiệu ra của cảm biến càng tăng là do trong quá trình cố
định, khi mật độ ADN tăng, dẫn đến các đoạn ADN được liên kết ở
bề mặt cảm biến nhiều hơn, nên xác suất gặp nhau giữa đoạn dò và
đích tăng lên, làm tăng khả năng bắt cặp của chúng để hình thành
đoạn xoắn kép trên bề mặt cảm biến. Trên hình 3.9(a) chúng ta cũng

mV). Tất cả các quá trình lai hoá này
được thực hiện ở nhiệt độ phòng,
nồng độ ADN dò là 0.5 μM.
KẾT LUẬN
Các kết quả khảo sát thực nghiệm
cho thấy, đoạn ADN đã được cố định
trực tiếp trên bề mặt cảm biến bằng
hai phương pháp là phương pháp điện
hoá và liên kết cộng hoá trị. Trong đó, phương pháp điện hoá dựa
vào sự
polyme hoá của polyme dẫn cùng với đoạn ADN khi đặt một
dòng điện hoặc điện áp vào cảm biến. Với phương pháp liên kết cộng
hoá trị, luận án đã sử dụng sự hoạt hoá đoạn ADN bằng EDC / MIA,
sau đó, cố định lên màng polyme dẫn hoặc ống nano các bon. Các
vật liệu để liên kết đoạn ADN đến bề mặt cảm biến được sử dụng
trong luận án là polypyrrole, ống nano các bon và hợp chất 3-Amino
Propyl Triethoxy Silane (APTS), trong đó tín hiệu ra của cảm biến
khi sử dụng Ppy là lớn nhất, kế tiếp là đến ống nano các bon và cuối
cùng là APTS.
Điều này cho phép khẳng định, với điều kiện công nghệ hiện có tại
Đại học Bách khoa Hà nội, các phương pháp cố định trực tiếp ADN
lên bề mặt cảm biến đã được thực hiện thành công. Trên cơ sở này,
tạ
o điều kiện thuận lợi cho việc chế tạo cảm biến ADN cho các ứng
dụng trong y học và trong ngành thực phẩm cũng như ứng dụng
trong kiểm tra môi trường.
CHƯƠNG 4. ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN ADN TRONG
Y SINH VÀ THỰC PHẨM
4.1 Ứng dụng của cảm biến AND để phát hiện chuyển gen trong
công nghệ thực phẩm

đáp ứng của cảm biến trong vòng 3 phút ÷ 4 phút, như được biểu
diễn ở hình nhỏ hơn.
Ảnh hưởng của nhiệt độ lai
Hình 4.2 (a) mô tả mối quan hệ giữa tín hiệu ra của cảm biến phụ
thuộc vào nồng độ đoạn ADN đích ở các nhiệt độ khác nhau (từ 32
0
C
đến 82
0
C). Ở dải nhiệt độ từ 32
0
C đến 62
0
C, tín hiệu ra của cảm biến
tăng tuyến tính với sự thay đổi nhiệt độ (hình 4.2b) (do nhiệt độ đã
làm tăng tốc độ phản ứng lai của đoạn ADN), khi tăng đến 62
0
C, tín
hiệu ra có xu hướng giảm dần. Quá trình giảm tín hiệu này là do
nhiệt độ lúc này không đóng vai trò làm tăng tốc độ phản ứng cho sự
bắt cặp của 2 đoạn ADN mà nó đóng vai trò biến tính, tách đoạn
ADN kép trở thành 2 đoạn đơn làm cho tín hiệu của cảm biến giảm.
Theo đó, để đạt được xác suất bắt cặp tốt nhất, nhiệt độ thực tế lai
hoá nên nhỏ h
ơn T
m
cỡ từ 10 % đến 25 %. Như vậy, giá trị nhiệt độ

(a) (b)
Hình 4.2. Tín hiệu ra của cảm biến phụ thuộc vào nhiệt độ ở nồng độ ADN đích

cảm biến lớn hơn so với các mẫu được lấy từ các chợ là do có sự bắt
cặp hoàn toàn giữa đoạn ADN dò với đoạn bổ sung. Các mẫu được
cung cấp từ các chợ cho tín hiệu thấp, bởi đây là những mẫu đậu
tương có thể không phải mang tính trạng kháng thuốc diệt cỏ. Nhưng
vẫn có tín hiệu là do có thể trong đoạn ADN đích của các mẫu này
vẫn có một số ít các bazơ bổ sung với các bazơ đoạn dò nên vẫn có
sự lai hóa củ
a đoạn ADN.
4.2 Ứng dụng của cảm biến ADN xác định vi rút gây bệnh
Xác định đoạn ADN của virus herpes bằng cảm biến ADN
Hình 4.4 mô tả tín hiệu ra của cảm biến ADN theo thời gian ở nồng
độ 0,5 nM ADN đích, tại nhiệt độ phòng.
Có thể thấy, đáp ứng tín hiệu ra của cảm
biến chỉ sau 1 phút, và đạt giá trị ổn định
sau thời gian khoảng 4 phút. Sự ổn định
của tín hiệu là do đã có sự bắt cặp hoàn
toàn của đoạn ADN đích với đoạn dò cố
định trên bề mặt cảm biến.
Để xác định đặc trưng lai hóa của cảm
biến, thí nghiệm được lặp lại 03 lần ở các
nồng độ thay đổi từ 0,5 nM tới 3 nM như
được mô tả trong hình 4.5. Có thể thấy rằng, khi tăng dần nồng độ
ADN đích
đến 3nM, tín hiệu ra của cảm biến cũng tăng theo một
M
S
1
M
S
2


r
a

(
m
V
)
M
É
u

A
D
N

Hình 4.3. Kết quả đo mẫu thực
sử dụng cảm biến ADN
H
ình 4.4. Thời gian đáp
ứng của cảm biến ADN
20
cách tuyến tính. Điều này chứng tỏ đã có sự lai hoá xuất hiện khi có
sự bắt cặp giữa ADN đầu dò với ADN đích trong mẫu phân tích hình
thành đoạn xoắn kép trên bề mặt cảm
biến. Nếu tiếp tục tăng nồng độ ADN
đích, tín hiệu ra của cảm biến sẽ tiếp tục
tăng và sẽ đạt giá trị bão hoà khi nồng độ
ADN đích bằng nồng độ
ADN dò cố định

0
C đến 70
0
C. Khi đó sẽ làm cho phản ứng lai
của ADN xẩy ra nhanh và đặc hiệu hơn.
Nhận biết sự lai hóa đoạn ADN của vi rút herpes sử dụng mẫu PCR
Để xác định độ nhạy và khả năng phát hiện vi rút của vi cảm biến
trên mẫu thực, tác giả tiến hành đo đạc thử nghiệm với sản phẩm
PCR của vi rút herpes (HSV). Mẫu bệnh phẩm được lấy từ dịch não
tủ
y bệnh nhân dương tính với HSV ký hiệu VN 055 và được xác
định bằng kỹ thuật PCR tại phòng thí nghiệm các vi rút Herpes, khoa
H
ình 4.6. Ảnh hưởng của nhiệ
t

đ
ộ đến tín hiệu của vi cảm biến
H
ình 4.5. Nhận biết tín hiệu
lai hóa sử dụng cảm biến AD
N
21
Vi rút, Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương. Từ 20 µl sản phẩm PCR
của HSV thu được, lấy 10 µl chia đôi
và chạy điện di gel, 10 µl còn lại sử
dụng để làm mẫu phân tích cho cảm
biến ADN.
Hình 4.7 là kết quả PCR dương tính
của mẫu bệnh phẩm số VN 055 được

biến phụ thuộc vào nồng độ ADN
đích theo hàm tuyến tính Y =
0.019X + 0.028. Nếu tăng tiếp
nồng độ ADN đích thì tín hiệu ra
cảm biến cũng tăng và sẽ đạt giá
trị bão hoà khi nồng độ ADN đích
bằng với nồng độ ADN dò. Như
được mô tả trên hình 4.9, vi cảm biến ADN có thể phát hiện được

H
ình 4.7. Ảnh PCR dương tính với
H
SV của bệnh nhân VN 055
H
ình 4.8.
C
ảm biến ADN phá
t

hiện ADN của vi rút herpes
trong sản phẩm PCR

H
ình 4.9. Đặc t
r
ưng của cảm biến AD
N
22
ADN đích với nồng độ thấp nhất là 0,5 nM tại nhiệt độ phòng với độ
nhạy khi có sự lai hoá hoàn toàn giữa đoạn ADN dò với đoạn ADN

. Để thực hiện
biến tính, cảm biến đã được nâng
nhiệt độ lên qua nhiệt độ T
m
, khi đó
đoạn ADN đích và đoạn ADN dò sẽ
tách nhau hoàn toàn. Tiếp theo, làm
nguội nhanh và rửa trôi các đoạn
ADN đích ra khỏi bề mặt của cảm biến. Thí nghiệm đã được lặp lại
để xác định sự phụ thuộc tín hiệu ra của vi cảm biến với nồng độ
ADN đích như mô tả trong hình 4.11. Kết quả chỉ ra cho thấy, gần
như không có sự khác biệt về
sự phụ thuộc tín hiệu lối ra của cảm
biến với nồng độ của ADN đích đối với những phép đo trước và sau
biến tính. Điều này cho phép nghĩ tới việc tái sử dụng của cảm biến
ADN.

H
ình 4.11. Độ lặp lại của cảm biến
A
DN trước và sau khi biến tính

H
ình 4.10. Cảm biến
A
D
N

nhận biết đoạn đột biến gen