Nghiên cứu và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon tại Trường Đại Học Công Nghệ

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo cảm biến sinh học từ nano silicon, ứng dụng trong vật liệu và linh kiện nano, chuyên ngành thí điểm.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quốc
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Nano
• Đề tài: Cảm Biến Sinh Học Nano Silicon: Nghiên Cứu Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor)
• 1.2. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors)
• 2. CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON
• 2.1. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon
• 2.2. Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA
• 2.2.1. Công nghệ quang khắc
• 2.2.2. Công nghệ ăn mòn thẳng đứng
• 2.2.3. Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng
• 2.2.4. Kỹ thuật ăn mòn dị hướng màng kim loại
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƯƠNG PHÁP DEA VÀ KẾT QUẢ CHẾ TẠO
• 3.1. Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA
• 3.2. Kết quả chế tạo
• 3.2.1. Kích thước và tính chất bề mặt
• 3.2.2. Tính chất điện
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN
• 4.1. Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs
• 4.1.1. Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi có lớp SiO2
• 4.1.2. Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO2
• 4.2. Định lượng DNA bằng cảm biến sinh học Si-NWs
• 4.2.1. Ly trích DNA của bắp chuyển gene
• 4.2.2. Phát hiện bắp chuyển gen bằng cảm biến Si-NWs
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến sinh học nano silicon Khám phá tiềm năng

Cảm biến sinh học nano silicon đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến nhất trong lĩnh vực phân tích sinh học. Với khả năng phát hiện nhanh và chính xác các phân tử sinh học ở nồng độ siêu nhỏ, cảm biến này hứa hẹn sẽ mang lại nhiều ứng dụng trong y tế, môi trường và nông nghiệp. Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị tích hợp giữa phần tử nhận biết sinh học và phần tử chuyển đổi, cho phép cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng. Cảm biến sinh học nano silicon, với cấu trúc sợi nano, có khả năng nhạy bén hơn so với các cảm biến truyền thống, nhờ vào diện tích bề mặt lớn và tính chất điện tử đặc biệt của vật liệu nano.

1.1. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học Từ khởi đầu đến hiện tại

Cảm biến sinh học đã có một lịch sử phát triển dài, bắt đầu từ những năm 1950 với các nghiên cứu của D. Clark về điện cực oxy hóa. Qua nhiều thập kỷ, công nghệ này đã tiến bộ vượt bậc, từ cảm biến đơn giản đến các cảm biến phức tạp dựa trên công nghệ nano. Sự phát triển của cảm biến sinh học nano silicon đã mở ra những khả năng mới trong việc phát hiện các chất sinh học quan trọng như DNA, protein và các chất chỉ thị ung thư.

1.2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học nano silicon

Cảm biến sinh học nano silicon hoạt động dựa trên nguyên lý của transistor hiệu ứng trường (FET). Cấu trúc sợi nano silicon cho phép phát hiện các phân tử sinh học thông qua sự thay đổi điện trở khi các phân tử này bám vào bề mặt sợi. Tính nhạy bén của cảm biến này giúp phát hiện các biomarker ở nồng độ cực thấp, từ đó nâng cao độ chính xác trong chẩn đoán.

II. Thách thức trong nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học nano silicon

Mặc dù cảm biến sinh học nano silicon có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong quá trình nghiên cứu và phát triển. Đầu tiên, việc chế tạo sợi nano với kích thước đồng nhất và tính chất ổn định là một thách thức lớn. Thứ hai, việc tích hợp các phần tử sinh học vào bề mặt sợi nano để đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy cao cũng gặp nhiều khó khăn. Cuối cùng, việc thương mại hóa công nghệ này vẫn cần nhiều nghiên cứu và đầu tư.

2.1. Vấn đề chế tạo sợi nano silicon đồng nhất và ổn định

Chế tạo sợi nano silicon đồng nhất về kích thước và tính chất là một trong những thách thức lớn nhất. Các phương pháp chế tạo hiện tại như lắng đọng hơi hóa học và ăn mòn ion cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng. Sự không đồng nhất có thể ảnh hưởng đến độ nhạy và độ chính xác của cảm biến.

2.2. Tích hợp phần tử sinh học Đảm bảo tính chọn lọc và độ nhạy

Việc gắn kết các phần tử sinh học lên bề mặt sợi nano là một bước quan trọng để đảm bảo cảm biến có thể phát hiện chính xác các biomarker. Tuy nhiên, quá trình này cần được thực hiện cẩn thận để tránh làm giảm độ nhạy của cảm biến. Các nghiên cứu hiện tại đang tìm kiếm các phương pháp mới để cải thiện tính chọn lọc và độ nhạy của cảm biến.

III. Phương pháp chế tạo cảm biến sinh học nano silicon hiệu quả

Để chế tạo cảm biến sinh học nano silicon, nhiều phương pháp khác nhau đã được nghiên cứu và áp dụng. Một trong những phương pháp phổ biến là quy trình Deposition and Etching under Angle (DEA), cho phép tạo ra các sợi nano với kích thước và hình dạng mong muốn. Các kỹ thuật như quang khắc và ăn mòn ion cũng được sử dụng để tối ưu hóa quá trình chế tạo.

3.1. Quy trình DEA Lắng đọng và ăn mòn theo góc

Quy trình DEA là một phương pháp hiệu quả để chế tạo sợi nano silicon. Quy trình này bao gồm các bước lắng đọng và ăn mòn theo góc, giúp tạo ra các sợi nano với kích thước và hình dạng đồng nhất. Các nghiên cứu đã chỉ ra rằng quy trình này có thể cải thiện đáng kể tính chất điện của sợi nano.

3.2. Các kỹ thuật quang khắc và ăn mòn ion trong chế tạo sợi nano

Kỹ thuật quang khắc và ăn mòn ion là hai phương pháp quan trọng trong quá trình chế tạo sợi nano silicon. Quang khắc giúp tạo ra các mẫu chính xác trên bề mặt silicon, trong khi ăn mòn ion giúp loại bỏ các lớp không mong muốn, tạo ra các sợi nano với độ chính xác cao. Sự kết hợp của hai kỹ thuật này đã mang lại những kết quả khả quan trong nghiên cứu.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến sinh học nano silicon trong y tế

Cảm biến sinh học nano silicon đã được áp dụng rộng rãi trong lĩnh vực y tế, đặc biệt là trong việc phát hiện và chẩn đoán các bệnh lý. Với khả năng phát hiện nhanh và chính xác các biomarker, cảm biến này có thể giúp chẩn đoán sớm các bệnh như ung thư, tiểu đường và nhiều bệnh lý khác. Nghiên cứu cho thấy cảm biến này có thể phát hiện các biomarker ở nồng độ cực thấp, từ đó nâng cao khả năng chẩn đoán.

4.1. Phát hiện biomarker ung thư Tiềm năng và kết quả

Cảm biến sinh học nano silicon đã cho thấy tiềm năng lớn trong việc phát hiện các biomarker ung thư như PSA. Nghiên cứu cho thấy cảm biến này có thể phát hiện PSA ở nồng độ thấp hơn nhiều so với các phương pháp truyền thống, từ đó giúp chẩn đoán sớm ung thư tiền liệt tuyến.

4.2. Ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiểu đường và các bệnh lý khác

Ngoài việc phát hiện ung thư, cảm biến sinh học nano silicon còn được ứng dụng trong chẩn đoán bệnh tiểu đường thông qua việc phát hiện nồng độ glucose trong máu. Khả năng phát hiện nhanh và chính xác giúp cải thiện chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân tiểu đường và nhiều bệnh lý khác.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến sinh học nano silicon

Cảm biến sinh học nano silicon đang mở ra nhiều cơ hội mới trong lĩnh vực phân tích sinh học. Với những ưu điểm vượt trội về độ nhạy và khả năng phát hiện nhanh, cảm biến này hứa hẹn sẽ trở thành một công cụ quan trọng trong y tế và nhiều lĩnh vực khác. Tuy nhiên, để phát triển hơn nữa, cần tiếp tục nghiên cứu và cải tiến công nghệ chế tạo cũng như ứng dụng thực tiễn của cảm biến này.

5.1. Tương lai của cảm biến sinh học nano silicon trong nghiên cứu

Tương lai của cảm biến sinh học nano silicon rất hứa hẹn, với nhiều nghiên cứu đang được tiến hành để cải thiện tính năng và ứng dụng của cảm biến. Các nghiên cứu mới có thể giúp phát triển các cảm biến với độ nhạy cao hơn và khả năng phát hiện nhiều loại biomarker cùng lúc.

5.2. Hướng đi mới trong ứng dụng cảm biến sinh học nano silicon

Cảm biến sinh học nano silicon không chỉ có tiềm năng trong y tế mà còn có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực khác như nông nghiệp và môi trường. Việc phát triển các cảm biến này có thể giúp cải thiện chất lượng cuộc sống và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, việc phát hiện và định lượng các phần tử sinh học như glucose, protein, ADN ở nồng độ siêu nhỏ trở thành yêu cầu cấp thiết trong nhiều lĩnh vực như y tế, dược phẩm và nông nghiệp. Theo ước tính, có hơn 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers) đã được xác định, mở ra nhiều cơ hội mới cho nghiên cứu và ứng dụng. Tuy nhiên, các phương pháp truyền thống như ELISA, PCR, SPR vẫn còn hạn chế về khả năng phát hiện nhanh, chính xác và đồng thời nhiều phân tử sinh học. Do đó, nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học thế hệ mới dựa trên cấu trúc nano silicon được xem là hướng đi đầy tiềm năng.

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano silicon (Si-NWs). Sợi nano silicon có đường kính trong khoảng 1-100 nm, với phần lớn nguyên tử nằm trên bề mặt, làm tăng độ nhạy của cảm biến khi tương tác với môi trường bên ngoài. Mục tiêu cụ thể là phát triển qui trình công nghệ chế tạo sợi nano silicon bằng phương pháp Deposition and Etching under Angle (DEA) và khảo sát khả năng phát hiện DNA của cảm biến này. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh, trong giai đoạn 2010.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc nâng cao độ nhạy và độ đặc hiệu của cảm biến sinh học, giúp phát hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học ở nồng độ từ nanomolar đến femtomolar, góp phần cải thiện chẩn đoán bệnh trong giai đoạn sớm, đặc biệt với các bệnh hiểm nghèo như ung thư.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Lý thuyết cảm biến sinh học (Biosensor Theory): Theo IUPAC, cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và phần tử chuyển đổi tín hiệu. Cảm biến sinh học truyền thống gồm ba thành phần: thành phần hóa học, sinh học và vật lý.

• Mô hình transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET): Cảm biến sinh học dựa trên sợi nano silicon hoạt động dựa trên nguyên lý FET, trong đó dòng điện chạy qua sợi nano bán dẫn bị ảnh hưởng bởi sự tương tác của các phân tử sinh học trên bề mặt sợi.

• Khái niệm sợi nano silicon (Silicon Nanowire - Si-NW): Sợi nano có kích thước đường kính từ 1 đến 100 nm, với phần lớn nguyên tử nằm trên bề mặt, làm tăng độ nhạy điện trở khi có sự thay đổi môi trường.

• Phản ứng hóa học silan hóa và gắn thụ thể: Sử dụng các hợp chất như APTES và glutaraldehyde để biến đổi bề mặt sợi silicon, tạo nhóm chức -NH2 và liên kết với thụ thể sinh học như DNA hoặc PNA.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm thu thập tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh, kết hợp với phân tích tài liệu chuyên ngành trên hơn 100 bài báo khoa học quốc tế.

• Qui trình chế tạo sợi nano silicon: Áp dụng phương pháp Deposition and Etching under Angle (DEA) với các bước chính gồm quang khắc, ăn mòn khô và ướt, bốc bay màng kim loại, ăn mòn ion beam, tạo điện cực kết nối. Cỡ mẫu gồm nhiều chíp wafer với sợi nano có kích thước đường kính khoảng 35-45 nm và chiều dài 10 micron.

• Phương pháp phân tích: Sử dụng kính hiển vi điện tử quét (SEM), kính hiển vi lực nguyên tử (AFM) để khảo sát cấu trúc và bề mặt sợi nano; đo đặc tính điện bằng hệ probe-station HP 4155C để xác định đặc trưng I-V; thực hiện biến đổi bề mặt hóa học để gắn thụ thể DNA; đo dòng điện thay đổi khi DNA mục tiêu tiếp xúc với cảm biến.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình thực hiện kéo dài trong năm 2010, bao gồm giai đoạn thiết kế, chế tạo, biến đổi bề mặt và thử nghiệm phát hiện DNA.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công sợi nano silicon: Sợi nano silicon với đường kính trung bình 45 ± 5 nm và chiều dài 10 micron được chế tạo bằng phương pháp DEA. Hình ảnh SEM và AFM cho thấy sợi thẳng, bề mặt nhẵn, phù hợp cho ứng dụng cảm biến sinh học.

2. Tính chất điện của sợi nano: Đặc trưng I-V của sợi nano silicon thể hiện tính tuyến tính với điện trở tiếp xúc Ohmic khoảng 15 ± 5 kΩ. Dòng điện đo được nằm trong khoảng micro-nano ampere, phù hợp cho cảm biến sinh học. Điện trở thực tế lớn hơn lý thuyết khoảng 30%, chấp nhận được do đặc thù cấu trúc nano.

3. Biến đổi bề mặt hiệu quả: Quy trình silan hóa bằng APTES và gắn glutaraldehyde tạo lớp phủ nhóm chức -NH2 đồng nhất trên bề mặt sợi silicon. Hình ảnh SEM xác nhận sự hiện diện của lớp phủ này. Thụ thể DNA được gắn thành công qua liên kết với nhóm -CHO của glutaraldehyde.

4. Phát hiện DNA của cây bắp chuyển gene: DNA ly trích từ hai giống bắp chuyển gene phổ biến tại Việt Nam được xác nhận bằng kỹ thuật PCR. Cảm biến Si-NWs sau khi gắn thụ thể DNA cho phép phát hiện DNA ngoại lai với độ nhạy cao, thể hiện qua sự thay đổi dòng điện khi DNA mục tiêu tiếp xúc.

Thảo luận kết quả

Các kết quả cho thấy phương pháp DEA là hiệu quả trong việc chế tạo sợi nano silicon có kích thước và tính chất phù hợp cho cảm biến sinh học. Đặc tính điện tuyến tính và điện trở Ohmic ổn định đảm bảo khả năng đo đạc chính xác. Việc biến đổi bề mặt bằng silan hóa và gắn glutaraldehyde tạo điều kiện thuận lợi cho việc gắn thụ thể sinh học, nâng cao độ đặc hiệu của cảm biến.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, cảm biến Si-NWs trong luận văn đạt độ nhạy tương đương với các thiết bị thương mại và nghiên cứu tại các trung tâm hàng đầu như Đại học Harvard. Việc phát hiện DNA bắp chuyển gene chứng minh tính ứng dụng thực tiễn của cảm biến trong lĩnh vực nông nghiệp và an toàn thực phẩm.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc trưng I-V trước và sau khi gắn DNA, bảng so sánh độ nhạy và độ đặc hiệu với các phương pháp truyền thống, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của cảm biến.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa qui trình chế tạo DEA: Nâng cao độ nhẵn bề mặt sợi nano và kiểm soát kích thước đồng đều hơn để cải thiện tính ổn định và độ nhạy của cảm biến. Thực hiện trong vòng 12 tháng, do nhóm nghiên cứu tại PTN Công Nghệ Nano thực hiện.

2. Phát triển quy trình biến đổi bề mặt: Nghiên cứu thêm các hợp chất silan hóa và chất gắn kết trung gian mới nhằm tăng cường độ bền và khả năng gắn thụ thể sinh học. Thời gian thực hiện 6-9 tháng, phối hợp với các chuyên gia hóa học vật liệu.

3. Mở rộng ứng dụng cảm biến: Thử nghiệm phát hiện các phân tử sinh học khác như protein, virus, kháng nguyên để đa dạng hóa chức năng cảm biến. Thời gian 12 tháng, hợp tác với các phòng thí nghiệm sinh học phân tử.

4. Thương mại hóa cảm biến: Xây dựng quy trình sản xuất hàng loạt, giảm chi phí và tăng độ tin cậy thiết bị, hướng tới ứng dụng trong y tế và nông nghiệp trong vòng 3-5 năm. Chủ thể thực hiện là các công ty công nghệ sinh học và viện nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và cảm biến sinh học: Có thể áp dụng qui trình DEA và phương pháp biến đổi bề mặt để phát triển các cảm biến mới với độ nhạy cao.

2. Chuyên gia sinh học phân tử và y sinh: Sử dụng cảm biến Si-NWs để phát hiện nhanh các chỉ thị sinh học, hỗ trợ chẩn đoán bệnh và nghiên cứu sinh học phân tử.

3. Doanh nghiệp công nghệ sinh học và thiết bị y tế: Tham khảo để phát triển sản phẩm cảm biến sinh học thương mại, nâng cao hiệu quả và giảm chi phí sản xuất.

4. Ngành nông nghiệp và an toàn thực phẩm: Ứng dụng cảm biến trong phát hiện nhanh các gen chuyển đổi và chất đánh dấu sinh học, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến sinh học sợi nano silicon có ưu điểm gì so với cảm biến truyền thống?
   Cảm biến sợi nano silicon có độ nhạy cao hơn do phần lớn nguyên tử nằm trên bề mặt, cho phép phát hiện các phân tử sinh học ở nồng độ rất thấp (nanomolar đến femtomolar), đồng thời phản ứng nhanh trong vài giây đến phút.

2. Phương pháp DEA có điểm mạnh gì trong chế tạo sợi nano?
   DEA sử dụng các kỹ thuật quang khắc và ăn mòn dưới góc nghiêng, cho phép chế tạo đồng loạt sợi nano với kích thước kiểm soát tốt, chi phí thấp hơn so với các phương pháp quang khắc chùm điện tử đắt tiền.

3. Làm thế nào để gắn thụ thể sinh học lên bề mặt sợi nano silicon?
   Quy trình biến đổi bề mặt gồm silan hóa bằng APTES tạo nhóm -NH2, sau đó sử dụng glutaraldehyde làm chất trung gian để liên kết nhóm -CHO với nhóm amin trên thụ thể DNA hoặc PNA, đảm bảo độ đặc hiệu cao.

4. Cảm biến có thể phát hiện loại DNA nào?
   Trong nghiên cứu, cảm biến đã phát hiện thành công DNA ngoại lai của cây bắp chuyển gene, một trong những cây trồng chuyển gen phổ biến tại Việt Nam, mở rộng khả năng ứng dụng cho các loại DNA khác.

5. Thời gian phản ứng và độ nhạy của cảm biến như thế nào?
   Cảm biến cho phép phát hiện nhanh trong vài giây đến phút với độ nhạy cao, có thể phát hiện các phân tử sinh học ở nồng độ thấp hơn hàng nghìn lần so với phương pháp truyền thống.

Kết luận

• Đã phát triển thành công qui trình chế tạo sợi nano silicon bằng phương pháp DEA với kích thước đường kính khoảng 45 nm và chiều dài 10 micron.
• Sợi nano silicon có đặc tính điện ổn định, điện trở Ohmic phù hợp cho ứng dụng cảm biến sinh học.
• Quy trình biến đổi bề mặt hiệu quả, tạo điều kiện gắn thụ thể DNA với độ đặc hiệu cao.
• Cảm biến sinh học Si-NWs đã được ứng dụng thành công trong phát hiện DNA của cây bắp chuyển gene với độ nhạy và độ chính xác cao.
• Đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo nhằm tối ưu hóa công nghệ và mở rộng ứng dụng, hướng tới thương mại hóa trong vòng 3-5 năm tới.

Luận văn này cung cấp nền tảng khoa học và công nghệ quan trọng cho việc phát triển cảm biến sinh học thế hệ mới, góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán và nghiên cứu sinh học phân tử. Để tiếp tục phát triển, các nhà nghiên cứu và doanh nghiệp được khuyến khích hợp tác và ứng dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN I. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor) Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi.” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể,. để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất. Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý.

Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme 1 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon transducers as membrane enclosed sandwiches”.

Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra.

Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+. Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn. Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến sinh học.

Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm biến sinh học trong đời sống. Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm dưới da. Trong thập kỉ vừa qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu và chế tạo nano , cảm biến sinh học thế hệ mới- cảm biến nano sinh học - cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc. Trong cấu trúc của cảm biến nano sinh học, các điện cực hay phần nhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linh kiện nano có độ nhạy cao hơn.

Ví dụ các điện cực micro trước đây được thay thế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bán dẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấu trúc micro không có khả năng này. Ngoài ra, những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của cảm biến sinh học nói chung. Và sự kết hợp các ưu việt của công nghệ nano 2 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (vật liệu và linh kiện nano với độ nhạy cao) với công nghệ sinh học (độ đặc hiệu cao của chất đánh dấu sinh học) đã chế tạo ra những thế hệ cảm biến mới có khả năng xác định nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao các phần tử sinh học quan trọng như DNA, proteins, vi khuẩn, virut gây bệnh…. Có rất nhiều cảm biến nano sinh học đã và đang được nghiên cứu, phát triển trong thời gian qua và mỗi loại có những ưu điểm khác nhau.

Tuy nhiên trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ chế tạo và ứng dụng của cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano silicon. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors). Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Như thế, chúng ta phải bỏ ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100 micron.

Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài. Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ kít sinh học sợi nano được minh họa trong Hình 2. Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt động dựa trên nguyên lí làm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh kiện phổ biến và truyền thống nhất của công nghệ vi điện tử.

Các khả năng làm việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể được trình bày vắn tắt dưới đây: 3 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (d) Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano là sợi bán dẫn silic loại P có chứa các hạt dẫn mang điện dương. Hai đầu sợi nano có các tiếp xúc điện (không mô tả trong hình vẽ) để cho dòng điện chạy qua sợi nano. Trên bề mặt sợi được thụ động hóa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các tumour markers cần phát hiện. (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi, diễn ra khi dung dịch có chứa các tumour markers được cho chảy qua sợi nano.

Các tumour marker, phần lớn là các chất sinh học có tích điện làm tăng (b) hoặc giảm dòng điện chạy qua sợi (c). Bộ kít chứa nhiều sợi nano, cho phép phát hiện cùng lúc nhiều markers khác nhau, nâng cao độ chính xác của phép chẩn đoán bệnh (d). 4 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon i. Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc không khí bám lên bề mặt sợi cũng đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi - tính siêu nhạy của bộ kít.

Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện trở, cho phép các phân tích được phát hiện nhanh (trong khoảng vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano. Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp siêu chọn lọc, cho phép cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến. Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tính chất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt từng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú. Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tử DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất với một DNA khác được thiết kế tương thích.

Hoặc nếu receptor là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này chỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó. Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano, mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng, cho phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học khác nhau. Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano. 5 TIEU LUAN MOI download : [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến.

Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dòng điện chạy qua sợi, trong khi dòng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi. Sự kết hợp của hai sợi trên cùng một bộ kít như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép phân tích. Trong thời gian qua các nhà khoa học đã dùng nhiều công nghệ chế tạo khác nhau, chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic. Ví dụ thiết bị của nhóm nghiên cứu thuộc đại học Harvard, Mỹ, có khả năng phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử sinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai (phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh).

Hình 3 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến. Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ nhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn lần. Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, không cần qua bước chuẩn bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích.