Thông tin kết quả nhiệm vụ KH&CN

Phát triển công nghệ Plasma lạnh phủ vật liệu chức năng lên chip sinh học gắn trên ứng dụng theo dõi sức khỏe (29/07/2025)

ViệcđođồngthờiHbA1cvàglucosecungcấpcáinhìntoàndiện về tình trạng kiểm soát đường huyết, từ đó hỗ trợ chẩn đoán, điều trị, và phòng ngừa biến chứng của bệnh tiểu đường hiệu quả hơn. Với mục tiêu pháttriểncảmbiếnđiệnhóa đoHbA1ctrongmáu.Đồng thời thiết kế và chế tạo thiết bị plasma lạnh ứng dụng phát triển cảm biến đo màu để phát hiện glucose trong mồ hôi và cảm biến điện hóa phát hiện phần trăm HbA1c. Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam – Hàn Quốc đã triển khai nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp Bộ “Phát triển công nghệ Plasma lạnh phủ vật liệu chức năng lên chip sinh học gắn trên ứng dụng theo dõi sức khỏe” nhằm ứng dụng công nghệ plasma lạnh tiên tiến để tạo ra lớp phủ chức năng giúp nâng cao hiệu quả và độ ổn định của các thiết bị theo dõi sức khỏe không xâm lấn.

Plasma lạnh,còn được gọilàplasma khôngnhiệt(non-thermalplasma), làmộtloạikhíionhóa baogồmcácion,electronvà cácchấttrungtínhtồntạiởnhiệtđộgầnnhiệtđộphòng.Khônggiốngnhưplasmanhiệt, trong đó tất cả các thành phần đều ở trạng thái cân bằng nhiệt cao, plasma lạnh có sự chênhlệchnhiệtđộđángkểgiữacácelectron(nănglượngcao)vàcáchạtnặnghơnnhư ionvàchấttrungtính(nănglượngthấp).Tínhchấtđộcđáonàylàmchoplasmalạnhtrở nêncựckỳlinhhoạtchocácứngdụngliênquanđếnbiếntínhbềmặtvậtliệucũngnhư chức năng hóa vật liệu nano và nâng cao hiệu suất cảm biến.

Sự phát triển của các cảm biến đo màu để phát hiện glucose trong mồ hôi là một bướctiếnđángkểtrongviệctheodõisứckhỏekhôngxâmlấn,đặcbiệtlàđốivớinhững người bị tiểu đường. Các cảm biến này sử dụng các thay đổi màu sắc để chỉ ra mức glucose, cung cấp một giải pháp thay thế thân thiện với người dùng và không gây đau đớn cho xét nghiệm glucose trong máu truyền thống. Trong cảm biến này, phản ứng giữaglucosevàenzymeglucoseoxidase(GOx)trongmồ hôitạora hydrogenperoxide (H₂O₂).Sauđó,H₂O₂phảnứngvớichấtchỉ thịmàu(nhưTMB-tetramethylbenzidine) dướisự xúc tác của enzyme horseradishperoxidase (HRP),làmthay đổimàusắc.Màu sắc tạo ra trên cảm biến được quan sát bằng mắt thường hoặc đo lường bằng thiết bị quang học (như smartphone camera hoặc máy đo quang học di động). Cảm biến được tíchhợpvớichipvilưu(microfluidicchip).Chipđược thiếtkếvớicáckênh vilưunhỏ giúpđiềuhướngmồhôitừdavàovùngphảnứng.Vậtliệuchếtạochípthườngsửdụng là PDMS, PMMA hoặc các polymer khác để tạo kênh vi lưu. Do đó, trong nghiên cứu này, chúng tôi hướng tới thiết kế cảm biến so màu gắn da cho phép đo lượng glucose trongmồhôi.Các bướcbiếntínhchếtạocảmbiếnđượchỗtrợbởithiếtbị plasmalạnh nhằm nâng cao hiệu quả làm việc của cảm biến.

Sơ đồ phản ứng của hệ thống bao gồm enzyme glucose oxidase (GOx) - enzyme Horseradish peroxidase (HRP) và chất màu o-dianisidine.

Trong khuôn khổ đề tài, nhóm nghiên cứu đã phát triển được thiết bị plasma lạnh ứng dụng xử lý bề mặt vật liệu để chế tạo chíp sinh học gắn da đo lường glucose trong mồ hôi và chíp sinh học điện hóa đo lường %HbA1c trong máu.Cáckếtquảđạtđượccủađềtàinhư sau:

Một là,Thiết bị plasma lạnh được thiết kế và chế tạo dựa trên nguyên tắc phóng điện rào cản điện môi DBD. Phóng điện DBD được tạo ra bằng cách đặt một điện áp cao 20kV,dòngxoaychiềutầnsố17kHzgiữahaiđiệncựcđượcngăncáchbằngmột lớp cách điện hàng rào điện môi. Khí thoát ra qua một vòi phun, tạo hình giống máybayphảnlựcplasmajetthunhỏdạngkimplasma.Thànhphầnchínhcủakim plasma là một điện cực có đầu nhọn bên trong ống. Khí cấp chảy qua một ống teflonvàđược trộnvớikhôngkhí ởđầukim, nơitạora phóngđiệnvimô.Đường kính của tia plasma được tạo ra cỡ vài mm, chiều dài tia khoảng 2 cm.

Hai là,Chípsinhhọcgắndađolườngglucosetrongmồhôiđượcpháttriểntrênnềntảng của chíp vi lưu kết hợp cùng điện cực giấy. Chíp vi lưu được thiết kế với các van khí.Cácvankhíđóngvaitròquantrọngtrongđiềukhiểndòngchấtlỏng,giúpmồ hôi tự động chảy vào buồng phản ứng mà không cần bơm bên ngoài dựa trên sự chênh áp suất giữa khoang chứa mẫu và buồng phản ứng. Đây là một giải pháp giúp tối ưu hóa quy trình vi lưu, giảm tiêu hao mẫu, và tăng độ chính xác trong phân tích. Ba loại chíp vi lưu đã được thiết kế và chế tạo thành công, trong số đó có02chípcóthiếtkếlấymẫumồhôidướidachủđộng (glu.02 và glu.03), 01 loại sau khi được xử lý plasma cũng thực hiện được việc lấy mẫu mồ hôi chủ động (glu.01). Các thiết kế này có 02 hoặc 04 buồng phản ứng được thiết kế để đặt điện cực giấy. Các chíp vi lưu được chế tạo bằng vật liệu PDMS, là một loại polymer hữu cơ gốc silicon được biết đến với tính linh hoạt (dẻo), độ trong quang học, tính trơ về mặt hóa học và khả năng tương thích sinh học, vì thế nó phù hợp làm cảm biến gắn da.

Phổ tổng trở điện hóa EIS và mạch tương đương Randles của chíp sinh học điện hóa sử dụng aptamer.

Điện cực giấy là vật liệu dạng tấm của sợi thủy tinh (glass fiber) được biến tính bởi nhóm chức -NH₂bằng dòng plasma lạnh sử dụng hỗn hợp khí N₂/O₂với lưu lượngcótỷlệlà4:1trongthờigian90giâytrướckhitiếnhànhlắngđọngcácchất tham gia phản ứng tạo màu với glucose trong mồ hôi. Kết quả nghiên cứu đã đưa rađượcphươngántốiưuđểlựachọncácthànhphầnsinhhọc/chấtthamgiaphản ứng cũng như phương thức đưa chúng lên điện cực cùng với tỷ lệ nồng độ giữa chúng. Kết quả nghiên cứu cũng cho thấy việc sử dụng hạt nano vàng (AuNPs) tronghệthốngpháthiệnglucosevớienzymeperoxidase(HRP)vàglucoseoxidase(GOx) cùng với chất màu 3,3',5,5'-Tetramethylbenzidine (TMB) giúp tăng cường tốc độ và độ nhạy của phản ứng. Nhờ sự hỗ trợ của AuNPs, hệ thống có thể phát hiệnglucosetrongthờigianngắnhơnsovớicácphươngpháptruyềnthống.Cường độ màu phát triển nhanh chóng và tỷ lệ thuận với nồng độ glucose, giúp dễ dàng định lượng glucose một cách chính xác.

Ba là,Cảmbiếnaptasensorđượcpháttriểndựatrênchípsinhhọcđiệnhóapháthiệnđịnh lượng %HbA1c trong máu. Chíp điện hóa dựa trên điện cực mực in các bon AuNPs-SPCEcóhaikênhvàsửdụngaptamerlàmđầuthusinhhọc pháthiệnđặc hiệu kháng nguyên Hb và HbA1c. Aptasensor sử dụng phương pháp Differential PulseVoltammetry(DPV)làmtínhiệuđo.Cảmbiếnnàymanglạinhiềuưuđiểm vượttrội,giúpnângcaođộnhạy,độchínhxácvàkhảnăngpháthiệnphântửmục tiêuởnồngđộthấp.Nhờkỹthuậtđodòngđiệnvisaitheoxungđiệnáp,DPVgiúp giảm nhiễu nền đáng kể, từ đó cải thiện tín hiệu đo và tăng cường khả năng nhận diệnmụctiêumộtcáchrõràng.SovớicácphươngphápđiệnhóakhácnhưCyclic Voltammetry(CV), DPVcóđộ phân giảitínhiệucao hơn,giúpphát hiệnsự thay đổi nhỏ trong dòng điện do sự tương tác giữa aptamer và phân tử đích. Bên cạnh đó, phương pháp này có giới hạn phát hiện thấp, cho phép nhận diện biomarker hoặc tác nhân sinh học ngay cả khi chúng chỉ xuất hiện ở nồng độ cực nhỏ. Đặc biệt,DPVcótốcđộđonhanh,dễtíchhợpvàocáchệthốngcảmbiếndiđộnghoặc vilưu,phùhợpchocácứngdụngtrongchẩnđoánysinh,kiểmsoátmôitrườngvà antoànthựcphẩm.Vớikhảnăngkếthợptínhchọnlọccaocủaaptamervàđộnhạy vượttrộicủaDPV,aptasensorsửdụngphươngphápnàytrởthànhcôngcụlýtưởng cho các ứng dụng phân tích sinh học chính xác và hiệu quả.

Bốn là, Cảm biến Hb Aptasensor_ SPCE-AuNPs cho giá trị độ nhạy thấp (0,63 μA/mM) khixéttrênkhoảngnồngđộ(0mM–2,0mM)nhưnggiátrịđộnhạytăngcaohơn rất nhiều khi xét trên khoảng nồng độ (2,0 mM – 3,0 mM), đạt 8,62 μA/mM. Với cảm biến HbA1c Aptasensor_ SPCE-AuNPs thì độ nhạy của cảm biến là 3,84 μA/mM. Xéttrên điều kiệnmẫuthực, dảinồngđộ tuyếntínhvà độ nhạycủa cảm biến có thể đảm bảo cho việc tiến hành các khảo sát với các mẫu máu toàn phần với độ chính xác tốt.

Năm là,Bên cạnh độ nhạy cao, các cảm biến cũng có độ chọn lọc tốt. Chúng tôi đã khảo sát hoạt động của các cảm biến ở các môi trường chứa các chất sinh học có trong máu toàn phần như ascorbic acid, uric acid, glucose, fructose, bovine serum albumin(BSA).Kếtquảchothấyđỉnh pícDPV trùngvới mẫutrắng vàcườngđộ dòng xấp xỉ với cường độ dòng của mẫu trắng.

Những kết quả này không chỉ cho thấy sự thành công của đề tài mà còn mở ra nhiều hướng ứng dụng tiềm năng trong y tế, công nghiệp và đời sống. Dựa trên các kết quả nghiên cứu đạt được trong đề tài, nhóm nghiên cứu đã đề xuất một số hướng phát triển và ứng dụng trong tương lai bao gồm: Tối ưu hóa quy trình xử lý plasma lạnh, mở rộng ứng dụng công nghệ plasma lạnh, phát triển và thương mại hóa chíp sinh học, hợp tác nghiên cứu và chuyển giao công nghệ, tiếp tục nghiên cứu tích hợp hệ thống. Những kiến nghị trên nhằm tận dụng tối đa tiềm năng của công nghệ plasma lạnh và cảm biến sinh học, hướng đến việc nâng cao chất lượng chẩn đoán và theo dõi sức khỏe, đồng thời góp phần thúc đẩy sự phát triển của ngành công nghệ y sinh trong nước.

Có thể tìm đọc toàn văn Báo cáo kết quả nghiên cứu dự án tại Trung tâm Công nghệ thông tin và Truyền thông Hải Phòng hoặc Cục Thông tin, Thống kê.