Tổng quan luận án

Nghiên cứu phát triển các thế hệ cảm biến sinh học nhằm phát hiện sớm và định lượng các chỉ dấu sinh học (như glucose, protein, DNA) ở thang nồng độ siêu thấp (từ nM đến fM) là hướng nghiên cứu quan trọng trong y sinh học và chẩn đoán y khoa. Các cấu trúc cảm biến truyền thống như cảm biến thanh nano dao động, cảm biến sinh học điện hóa và transistor hiệu ứng trường (FET) tồn tại một số hạn chế kỹ thuật: cảm biến thanh dao động đòi hỏi thiết bị phân tích cơ học phức tạp; cảm biến điện hóa bắt buộc phải đo trong môi trường dung dịch; trong khi cảm biến FET sợi nano tạo ra tín hiệu dòng điện rất nhỏ (cỡ nA), dễ bị nhiễu và đòi hỏi thiết bị đo có độ nhạy cao.

Nhằm giải quyết những giới hạn trên, thế hệ cảm biến trở nhớ (memristive biosensor) dựa trên cấu trúc tụ điện kim loại - điện môi - kim loại (MIM) được phát triển. Cảm biến trở nhớ hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở thuận nghịch giữa trạng thái điện trở cao (HRS) và trạng thái điện trở thấp (LRS). Tín hiệu nhận biết của cảm biến trở nhớ là độ lệch điện thế ($\Delta V$) xuất hiện khi có mặt đối tượng sinh học trên bề mặt màng, cho phép phát hiện tín hiệu ở mức millivolt (mV) ngay cả ở nồng độ đối tượng ở thang fM và có khả năng thực hiện phép đo trong môi trường khô.

Luận án tiến sĩ ngành Khoa học Vật liệu (Mã số: 62 44 01 22) của nghiên cứu sinh Tạ Thị Kiều Hạnh, thực hiện tại Trường Đại học Khoa học Tự nhiên và Viện Công nghệ Nano thuộc Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của GS. Phan Bách Thắng và TS. Nguyễn Thị Liên Thương (năm 2023), tập trung giải quyết các mục tiêu khoa học cụ thể sau:

  1. Nghiên cứu, chế tạo được các vật liệu điện môi/bán dẫn dạng màng mỏng vô cơ $\text{WO}_3$ và hữu cơ lai hóa chitosan:oxit graphen ($\text{CS:GO}$) tương thích sinh học có tính đảo điện trở thuận nghịch (tính trở nhớ); đồng thời luận giải cơ chế truyền dẫn điện tích và đảo điện trở thuận nghịch của vật liệu làm cơ sở hiểu cơ chế cảm biến.
  2. Biến tính bề mặt màng mỏng $\text{WO}_3$ và $\text{CS:GO}$ với các nhóm chức amin ($-\text{NH}_2$) và cacboxyl ($-\text{COOH}$).
  3. Gắn kết các chất thử sinh học lên bề mặt màng mỏng $\text{WO}_3$ và $\text{CS:GO}$ thông qua các nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{COOH}$.

Đối tượng nghiên cứu của luận án bao gồm:

  • Vật liệu màng mỏng có tính trở nhớ: Màng oxit vô cơ $\text{WO}_3$ và màng polyme hữu cơ lai hóa chitosan:oxit graphen ($\text{CS:GO}$).
  • Tiền chất biến tính bề mặt: (3-Aminopropyl)triethoxysilane ($\text{APTES}$) để tạo nhóm chức $-\text{NH}_2$ và succinic anhydride ($\text{SA}$) để tạo nhóm chức $-\text{COOH}$.
  • Chất thử sinh học mô phỏng: $\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ và fluorescein isothiocyanate ($\text{FITC}$).

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong điều kiện phòng thí nghiệm tại Khoa Khoa học và Công nghệ Vật liệu, Trung tâm Nghiên cứu Vật liệu Cấu trúc Nano và Phân tử, Phòng thí nghiệm Vật liệu Kỹ thuật cao, Viện Công nghệ Nano (ĐHQG-HCM) và các phép đo phối hợp tại Đại học Gachon (Hàn Quốc).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu trong luận án điểm lại các hướng nghiên cứu chính trên thế giới về vật liệu trở nhớ, cơ chế đảo điện trở và các phương pháp chức năng hóa bề mặt phục vụ ứng dụng cảm biến:

Về vật liệu trở nhớ trên nền perovskite và oxit kim loại chuyển tiếp:

  • Beck và cộng sự nghiên cứu màng mỏng $\text{SrZrO}_3$ pha tạp $\text{Cr}$, đề xuất cơ chế truyền dẫn điều khiển bởi khuyết tật mức năng lượng trong vùng cấm giữa $\text{Cr}^{3+}$ và $\text{Cr}^{4+}$.
  • Thang và cộng sự sử dụng phổ trở kháng để làm rõ vai trò của nút khuyết oxi trong màng $\text{SrTiO}_3$ pha tạp $\text{Cr}$, chỉ ra cơ chế dẫn điện nhảy lò cò khoảng cách biến thiên (VRH) và dẫn giới hạn điện tích không gian điều khiển bởi bẫy (trap-controlled SCLC).
  • Szot cũng như Janousch xác định sự dịch chuyển của nút khuyết oxi dưới tác dụng của điện trường tạo nên đường dẫn dẫn điện.
  • Đối với vật liệu $\text{Pr}{0.7}\text{Ca}{0.3}\text{MnO}3$ ($\text{PCMO}$) và $\text{La}{0.7}\text{Sr}_{0.3}\text{MnO}_3$, Baikalov, Tsui, Odagawa, Sawa, Papagianni và Duhalde đã phân tích sự đảo điện trở xảy ra tại mặt phân giới kim loại/oxit (hình thành rào thế Schottky hoặc bẫy điện tích) và đường dẫn dẫn điện trong khối.
  • Đối với oxit kim loại chuyển tiếp nhị phân: Seo và Park nghiên cứu màng $\text{NiO}$ với cấu trúc $\text{Pt/NiO/Pt}$, ghi nhận thế chuyển đổi từ HRS sang LRS khoảng $0{,}5\text{ V}$ trong khoảng quét $0\text{ đến }4{,}5\text{ V}$ liên quan đến đường dẫn kim loại $\text{Ni}$; Jung nghiên cứu pha tạp $\text{Li}$ vào $\text{NiO}$; Kim và Liu khảo sát cấu trúc $\text{Pt/TiO}_2\text{/Pt}$ và $\text{Gd:TiO}2$ giải thích cơ chế dẫn điện theo phát xạ Schottky và SCLC; Villafuerte và Tran khảo sát màng $\text{ZnO}$, $\text{Mg:ZnO}$, $\text{ZnO:Mn}$ và cấu trúc đa lớp $\text{Cu/ZnO/Cu/ZnO/Cu}$; Lee và cộng sự chế tạo cấu trúc $\text{Au/WO}{3-x}\text{/W}$ trên đế dẻo với thế chuyển đổi khoảng $-0{,}5\text{ V}$.

Về vật liệu trở nhớ hữu cơ và lai hóa:

  • Dongqi Li và cộng sự phát triển cấu trúc $\text{Al/rGO-PDQ/ITO}$.
  • Romero cùng cộng sự khảo sát màng $\text{rGO}$ chuyển trạng thái điện trở ở thế $2{,}2\text{ V}$ (điện cực keo $\text{Ag}$) và $2{,}5\text{ V}$ (điện cực cacbon); Pradhan khảo sát $\text{Al/rGO/Al}$ và $\text{Cr/rGO/Cr}$ có thế chuyển đổi lần lượt tại $-0{,}68\text{ V}$ và $-0{,}62\text{ V}$.
  • Raeis-Hosseini và Rho chế tạo cấu trúc $\text{Ag/Au-chitosan/Au}$ chuyển đổi trạng thái tại $\sim 2{,}5\text{ V}$ và cấu trúc $\text{Au/CQD-chitosan/Al}$ chuyển đổi tại $-0{,}75\text{ V}$; Fu nghiên cứu dây nano protein của vi khuẩn Geobacter sulfurreducens hoạt động ở điện áp $40\text{--}100\text{ mV}$; Cifarelli nghiên cứu tiếp xúc $\text{PANI-CS}$; Vallabhapurapu nghiên cứu tổ hợp $\text{rGO-PVA}$ trên đế $\text{ITO}$.

Về cảm biến sinh học trở nhớ:

  • Carrara và cộng sự công bố cảm biến sinh học trở nhớ đầu tiên từ dây nano $\text{Si}$ chế tạo bằng LPCVD, biến tính bằng piranha, $\text{GPTS}$ và đính kháng thể thỏ đa dòng để phát hiện kháng nguyên thỏ với độ nhạy $37 \pm 1\text{ mV/fM}$ và giới hạn phát hiện $3{,}4 \pm 1{,}8\text{ fM}$.
  • Puppo và cộng sự sử dụng sợi nano $\text{Si}$ chế tạo bằng công nghệ CMOS khắc chùm điện tử để đo pH ở điều kiện khô.
  • Sahu và Jammalamadaka ứng dụng $\text{TiO}_2$ và $\text{TiO}_2\text{-GO}$ để phát hiện $\text{BSA}$ với độ nhạy $4\text{ mg/mL}$; Hadis và cộng sự phát triển cảm biến trở nhớ $\text{TiO}_2$ kết hợp vi lưu để phát hiện protein NS1 của virus sốt xuất huyết Dengue (giới hạn phát hiện $52\text{ nM}$) và định lượng glucose; Mohammad và cộng sự nhận bằng sáng chế cảm biến trở nhớ $\text{TiO}_2$ phát hiện bức xạ; Adeyemo mô phỏng ma trận cảm biến $\text{TiO}_2$ phát hiện khí; các nghiên cứu màng $\text{SnO}_2$, $\text{Ta}_2\text{O}_5$, $\text{HfO}_2$ dùng cảm biến khí $\text{NO}$.

Về các phương pháp biến tính bề mặt:

  • Hóa học: Sử dụng liên kết cộng hóa trị qua hóa học $\text{EDC/NHS}$ (Guler, Beiki, Manchineella, Sadeghi, Chen, Sangsanoh), nhóm chức maleimide (Park, Mobasseri), hệ liên hợp avidin-biotin, hóa học ướt amin phân/thủy phân bằng $\text{NaOH}$ (Hoseinpour, Yuan, Pilipchuk, Brown), trùng hợp bề mặt (Wang), xử lý plasma lạnh tần số radio (Zhao, Bolbasov), kỹ thuật in dấu phân tử (Rosellini).
  • Vật lý: Hấp phụ vật lý tĩnh điện (Castellanos) và kỹ thuật tự lắp ráp từng lớp LBL (Zhang, Nugroho).

Khoảng trống nghiên cứu: Mặc dù các vật liệu trở nhớ đã được nghiên cứu đa dạng, việc làm sáng tỏ cơ chế truyền dẫn điện tích và cơ chế chuyển đổi điện trở của màng mỏng vô cơ $\text{WO}_3$ khi kết hợp với các hệ điện cực khác nhau (điện cực trơ $\text{Pt}$, $\text{Ti}$, điện cực hoạt động $\text{Ag}$, điện cực oxit dẫn $\text{FTO}$), cũng như màng mỏng hữu cơ lai hóa chitosan:oxit graphen ($\text{CS:GO}$), kết hợp đồng thời với việc thiết lập quy trình gắn nhóm chức hóa học ($-\text{NH}_2$, $-\text{COOH}$) và cố định phân tử sinh học thử nghiệm chưa được khảo sát đầy đủ. Luận án lựa chọn giải quyết trực tiếp khoảng trống công nghệ và cơ chế này.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình truyền dẫn

Luận án dựa trên lý thuyết linh kiện trở nhớ cấu trúc kim loại - điện môi - kim loại (MIM). Lớp điện môi có thể chuyển đổi thuận nghịch giữa trạng thái điện trở cao (HRS) và trạng thái điện trở thấp (LRS) dưới tác động của điện trường quét.

Các mô hình truyền dẫn điện tích được tác giả áp dụng để khớp (fit) đường cong thực nghiệm dòng - thế ($I\text{-}V$):

  1. Dẫn Ohmic (OC): Dòng điện tỉ lệ tuyến tính với điện áp ($I \propto V$), xuất hiện khi mật độ hạt tải tự do trong vật liệu lớn hơn mật độ hạt tải tiêm từ điện cực.
  2. Dẫn giới hạn bởi điện tích không gian (SCLC): Dòng điện tuân theo định luật Child ($I \propto V^2$ hoặc $I \propto V^m$ với $m > 2$), xuất hiện khi các bẫy điện tích trong lớp điện môi bị lấp đầy bởi các hạt tải tiêm vào.
  3. Dẫn đạn đạo (BC): Hạt tải chuyển động qua kênh dẫn mà không bị tán xạ.
  4. Phát xạ Schottky (SC): Hạt tải vượt qua rào thế nhiệt điện tại bề mặt tiếp xúc kim loại/điện môi.
  5. Phát xạ Poole-Frenkel (PF): Sự phát xạ nhiệt của các hạt tải bị bẫy trong khối vật liệu dưới tác dụng của điện trường mạnh.
  6. Xuyên ngầm Fowler-Nordheim (FN): Hiện tượng điện tử xuyên ngầm qua rào thế dạng tam giác khi đặt điện trường đủ lớn.
  7. Nhảy lò cò đa khoảng cách (VRH): Sự truyền dẫn của hạt tải giữa các trạng thái định xứ trong vật liệu vô định hình hoặc mất trật tự.

Về mặt hóa học và cấu trúc tinh thể:

  • Màng mỏng vô cơ $\text{WO}_3$: Hình thành từ mạng lưới bát diện $[\text{WO}_6]$ liên kết chung đỉnh hoặc chung cạnh. Sự tồn tại của các trạng thái hóa trị khác nhau của vonfram ($\text{W}^{6+}$, $\text{W}^{5+}$, $\text{W}^{4+}$) và nút khuyết oxi đóng vai trò quyết định trong việc tạo bẫy điện tích và hình thành đường dẫn dẫn điện.
  • Màng mỏng hữu cơ lai hóa $\text{CS:GO}$: Chitosan là polyme sinh học mạch thẳng cấu tạo từ các đơn vị D-glucosamine và N-acetyl-D-glucosamine liên kết $\beta\text{-(1-4)}$ với độ deacetyl hóa $\text{DD} > 50%$, chứa các nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{OH}$. Graphen oxide ($\text{GO}$) có cấu trúc mạng lục giác 2D chứa các nhóm chức chứa oxi ($-\text{OH}$, $\text{C-O-C}$, $-\text{COOH}$, $-\text{C=O}$), tạo điều kiện phân tán đồng nhất, tạo bẫy bắt giữ electron và cải thiện độ dẫn cho màng polyme.

Phương pháp thực nghiệm và kỹ thuật phân tích

Quy trình thực nghiệm Phương pháp / Thiết bị sử dụng Mục đích khảo sát
Chế tạo màng vô cơ $\text{WO}_3$ Phún xạ magnetron Lắng đọng màng mỏng $\text{WO}_3$ trên đế trần và đế có điện cực đáy
Chế tạo điện cực kim loại Phún xạ magnetron Tạo các điện cực đỉnh/đáy: $\text{Ag}$, $\text{Ti}$, $\text{Pt}$, $\text{FTO}$
Chế tạo màng $\text{CS:GO}$ Phủ quay (Spin-coating) Phủ màng hỗn hợp Chitosan:Oxit graphen từ dung dịch lên đế $\text{FTO}$
Biến tính bề mặt $\text{WO}_3$ Xử lý dung môi / Xử lý plasma $\text{O}_2$, ghép $\text{APTES}$ và $\text{SA}$ Tạo nhóm chức $-\text{NH}_2$ và chuyển hóa thành $-\text{COOH}$ trên bề mặt
Biến tính bề mặt $\text{CS:GO}$ Ghép silan hóa $\text{APTES}$ và $\text{SA}$ Tăng cường mật độ nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{COOH}$ trên màng hữu cơ
Cố định chất thử sinh học Ủ hóa học bề mặt Gắn $\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ và $\text{FITC}$
Phân tích pha và tinh thể Nhiễu xạ tia X (XRD) Xác định cấu trúc tinh thể, pha vô định hình và khoảng cách mạng
Phân tích liên kết và hóa trị Quang phổ điện tử tia X (XPS) Phân tích mức năng lượng liên kết $\text{W } 4f$, $\text{O } 1s$
Phân tích nhóm chức hóa học Quang phổ hồng ngoại biến đổi Fourier (FTIR) Xác định các dao động đặc trưng của liên kết hóa học trước và sau biến tính
Phân tích cấu trúc carbon Quang phổ tán xạ Raman Xác định đỉnh dao động đặc trưng D, G của $\text{GO}$ trong màng $\text{CS:GO}$
Khảo sát hình thái bề mặt/vi cấu trúc FE-SEM và TEM Quan sát hình thái bề mặt, độ đồng nhất của màng và cấu trúc phân tán nano $\text{GO}$
Khảo sát tính chất điện và trở nhớ Đo đặc trưng dòng - thế ($I\text{-}V$) Xác định đường cong trễ $I\text{-}V$, chu kỳ quét, trạng thái HRS/LRS và cơ chế dẫn
Đánh giá gắn kết sinh học Kính hiển vi huỳnh quang Đánh giá cường độ và sự phân bố huỳnh quang của chất thử sinh học trên màng

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về cảm biến sinh học, phân tích chi tiết nguyên lý hoạt động và giới hạn của cảm biến thanh nano dao động, cảm biến điện hóa và transistor hiệu ứng trường. Tác giả trình bày cấu tạo cơ bản của bộ nhớ điện trở ReRAM với cấu trúc tụ điện MIM và nguyên lý xuất hiện độ lệch điện thế ($\Delta V$) ở thang millivolt khi gắn phân tử sinh học lên bề mặt linh kiện trở nhớ.

Chương này tổng thuật sâu sắc các nhóm vật liệu trở nhớ vô cơ (perovskite $\text{SrTiO}_3$, $\text{PCMO}$; oxit kim loại $\text{NiO}$, $\text{TiO}_2$, $\text{ZnO}$, $\text{WO}_3$) và vật liệu trở nhớ hữu cơ (chitosan, $\text{rGO}$, polyme dẫn), phân tích vai trò của vật liệu điện cực đối với cơ chế đảo điện trở. Cuối cùng, chương 1 phân loại có hệ thống các phương pháp biến tính bề mặt vật lý (hấp phụ vật lý, LBL) và hóa học (liên kết cộng hóa trị $\text{EDC/NHS}$, silan hóa $\text{APTES}$, phân giải amin, thủy phân $\text{NaOH}$, trùng hợp bề mặt, xử lý plasma lạnh và in dấu phân tử), làm cơ sở khoa học để lựa chọn màng mỏng $\text{WO}_3$, màng lai hóa $\text{CS:GO}$ và quy trình biến tính bằng $\text{APTES/SA}$.

Chương 2. Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm

Chương 2 mô tả chi tiết danh mục hóa chất, dung môi và các bước quy trình thực nghiệm:

  • Quy trình chế tạo màng mỏng $\text{WO}_3$ bằng phương pháp phún xạ magnetron trên các loại đế: đế không có điện cực và đế có sẵn điện cực đáy ($\text{Pt}$, $\text{FTO}$); tiếp theo là quy trình phún xạ các điện cực đỉnh kim loại $\text{Ag}$ và $\text{Ti}$ thông qua mặt nạ để tạo cấu trúc $\text{TE/WO}_3\text{/BE}$.
  • Quy trình chế tạo màng mỏng hữu cơ lai hóa $\text{CS:GO}$: Hòa tan chitosan trong dung dịch axit acetic, phân tán oxit graphen ($\text{GO}$) vào dung dịch, sau đó tạo màng bằng phương pháp phủ quay (spin-coating) trên đế trần và đế $\text{FTO}$, sấy khô định hình màng.
  • Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng $\text{WO}_3$: Khảo sát hai quy trình gồm (1) xử lý bề mặt bằng dung môi ($\text{WO}_3\text{@DM-APTES-SA}$) và (2) xử lý kết hợp dung môi với xử lý plasma oxy ($\text{WO}_3\text{@Plasma O}_2\text{-APTES-SA}$) trước khi thực hiện silan hóa với $\text{APTES}$ và carboxyl hóa với $\text{SA}$.
  • Quy trình biến tính bề mặt màng mỏng $\text{CS}$ và $\text{CS:GO}$ với $\text{APTES}$ và $\text{SA}$.
  • Quy trình ủ và cố định chất thử sinh học: Cố định $\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ lên màng $\text{WO}_3$ trước và sau biến tính; cố định chất thử huỳnh quang $\text{FITC}$ lên màng $\text{CS}$ và $\text{CS:GO}$ trước và sau biến tính.
+---------------------------------------------------------------------------------------+
| SƠ ĐỒ TIẾN TRÌNH THỰC NGHIỆM CHÍNH                                                    |
|                                                                                       |
|  [Chế tạo màng]              [Biến tính bề mặt]              [Gắn chất thử & Đo]      |
|  * WO3 (Phún xạ)   ------>   * Xử lý Dung môi / Plasma O2 -> * Gắn NH2-Oligo C6       |
|    + Điện cực Ag, Ti         * Ghép APTES (-NH2)             * Đo huỳnh quang         |
|                              * Ghép SA (-COOH)               * Đo đặc trưng I-V       |
|                                                                                       |
|  * CS:GO (Phủ quay) ----->   * Ghép APTES (-NH2) ----------> * Gắn FITC               |
|    + Điện cực Ag             * Ghép SA (-COOH)               * Đo huỳnh quang         |
|                                                              * Đo 100 chu kỳ I-V      |
+---------------------------------------------------------------------------------------+

Chương 3. Kết quả chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng $\text{WO}_3$

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm toàn diện về cấu trúc, tính chất điện và khả năng chức năng hóa bề mặt của màng vô cơ $\text{WO}_3$:

  • Đặc trưng cấu trúc: Giản đồ XRD xác định trạng thái cấu trúc màng $\text{WO}_3$ sau lắng đọng. Phổ XPS phân tích các mức năng lượng liên kết $\text{W } 4f$ và $\text{O } 1s$, làm rõ trạng thái hóa trị của vonfram và sự tồn tại của nút khuyết oxy. Phổ FTIR xác nhận các liên kết dao động đặc trưng $\text{W-O-W}$ và $\text{W=O}$.
  • Đặc trưng dòng - thế ($I\text{-}V$) và cơ chế truyền dẫn: Tác giả khảo sát 4 cấu trúc gồm $\text{Ag/WO}_3\text{/Pt}$, $\text{Ag/WO}_3\text{/FTO}$, $\text{Ti/WO}_3\text{/Pt}$ và $\text{Ti/WO}_3\text{/FTO}$.
Cấu trúc linh kiện Đặc trưng trễ $I\text{-}V$ Quá trình áp thế âm Quá trình áp thế dương Cơ chế đảo điện trở chính
$\text{Ag/WO}_3\text{/Pt}$ Theo chiều kim đồng hồ $\text{SCLC} \rightarrow \text{BC} \rightarrow \text{OC}$ $\text{OC} \rightarrow \text{FN}$ Hình thành/đứt gãy đường dẫn kim loại $\text{Ag}$ do phản ứng oxi hóa khử
$\text{Ag/WO}_3\text{/FTO}$ Theo chiều kim đồng hồ $\text{SCLC} \rightarrow \text{BC} \rightarrow \text{OC}$ $\text{OC} \rightarrow \text{FN}$ Hình thành/đứt gãy đường dẫn kim loại $\text{Ag}$ do phản ứng oxi hóa khử
$\text{Ti/WO}_3\text{/FTO}$ Ngược chiều kim đồng hồ $\text{BC} \rightarrow \text{FN}$ $\text{SCLC} \rightarrow \text{BC}$ Sự di chuyển của ion âm $\text{O}^{2-}$ qua lại mặt phân giới đáy $\text{WO}_3\text{/FTO}$
  • Biến tính bề mặt và gắn chất thử sinh học: Phổ FTIR trong các dải sóng $4000\text{--}400\text{ cm}^{-1}$, $2000\text{--}400\text{ cm}^{-1}$ và $4000\text{--}2000\text{ cm}^{-1}$ khẳng định sự hiện diện của nhóm amin ($-\text{NH}_2$) sau khi silan hóa bằng $\text{APTES}$ và nhóm cacboxyl ($-\text{COOH}$) sau khi phản ứng với $\text{SA}$. Ảnh FE-SEM chỉ ra sự thay đổi hình thái bề mặt giữa màng $\text{WO}_3$ nguyên sinh, $\text{WO}_3\text{@DM-APTES-SA}$ và $\text{WO}_3\text{@Plasma O}_2\text{-APTES-SA}$. Ảnh huỳnh quang chứng minh mẫu xử lý plasma $\text{O}_2$ gắn kết chất thử sinh học $\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ đồng đều và có mật độ huỳnh quang vượt trội so với mẫu không biến tính.

Chương 4. Kết quả chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng $\text{CS:GO}$

Chương 4 tập trung vào màng vật liệu hữu cơ lai hóa:

  • Đặc trưng cấu trúc và hình thái: Giản đồ XRD so sánh bột $\text{CS}$, màng $\text{CS}$, màng $\text{GO}$ và màng lai hóa $\text{CS:GO}$. Phổ FTIR và phổ tán xạ Raman ghi nhận rõ các dao động đặc trưng của mạng carbon $\text{GO}$ (đỉnh D và G) cùng các nhóm chức của chitosan. Ảnh TEM chụp dung dịch $\text{GO}$ ở các thang đo $500\text{ nm}$, $200\text{ nm}$, $100\text{ nm}$, $50\text{ nm}$ chứng minh cấu trúc tấm phẳng nano siêu mỏng. Ảnh FE-SEM bề mặt màng $\text{CS:GO}$ phủ trên đế $\text{FTO}$ ở độ phóng đại $10\text{ }\mu\text{m}$ và $2\text{ }\mu\text{m}$ cho thấy màng có độ phẳng, bao phủ đồng nhất.
  • Đặc trưng trở nhớ của cấu trúc $\text{Ag/CS:GO/FTO}$: Đường cong $I\text{-}V$ qua 100 chu kỳ quét lặp lại chứng minh tính đảo điện trở ổn định; đồ thị xác định giá trị HRS và LRS tại thế đọc $V_{\text{read}} = -2\text{ V}$ cùng đường phân bố xác suất tích lũy giá trị HRS/LRS thể hiện độ lặp lại và độ bền chuyển mạch của màng lai hóa. Cơ chế đảo điện trở được xác định liên quan đến sự bẫy/giải bẫy điện tích và sự hình thành dây tóc dẫn điện.
  • Biến tính bề mặt và gắn chất thử huỳnh quang: Phổ FTIR của $\text{CS}$ và $\text{CS:GO}$ trước và sau khi gắn $\text{APTES}$ và $\text{SA}$ chứng minh sự gia tăng liên kết cộng hóa trị của các nhóm chức. Ảnh hiển vi huỳnh quang xác nhận sự gắn kết chất thử $\text{FITC}$ chọn lọc và rõ nét trên bề mặt màng $\text{CS:GO}$ đã biến tính.

Chương 5. Kết luận và kiến nghị

Tổng kết ngắn gọn việc thực hiện thành công các mục tiêu nghiên cứu: chế tạo thành công hai hệ màng mỏng vô cơ và hữu cơ lai hóa có tính trở nhớ, sáng tỏ cơ chế truyền dẫn điện tích và hoàn thiện quy trình công nghệ biến tính bề mặt phục vụ gắn kết phân tử sinh học.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn công nghệ bao gồm:

  1. Về quy trình chế tạo và luận giải cơ chế vật lý - điện tử:

    • Xây dựng thành công quy trình chế tạo màng mỏng vô cơ $\text{WO}_3$ (bằng phún xạ magnetron) và màng mỏng hữu cơ lai hóa $\text{CS:GO}$ (bằng phủ quay) thể hiện tính đảo điện trở thuận nghịch ổn định.
    • Luận giải cơ chế truyền dẫn điện tích phức hợp trong màng $\text{WO}_3$ qua các mô hình SCLC, dẫn đạn đạo (BC), dẫn Ohmic (OC) và xuyên ngầm Fowler-Nordheim (FN).
    • Làm sáng tỏ hai cơ chế đảo điện trở khác biệt tùy thuộc vào hệ điện cực: cơ chế hình thành/đứt gãy đường dẫn kim loại $\text{Ag}$ do phản ứng oxi hóa khử (đặc trưng trễ theo chiều kim đồng hồ trong cấu trúc $\text{Ag/WO}_3\text{/Pt}$ và $\text{Ag/WO}_3\text{/FTO}$) và cơ chế dịch chuyển ion âm $\text{O}^{2-}$ qua mặt phân giới $\text{WO}_3\text{/FTO}$ (đặc trưng trễ ngược chiều kim đồng hồ trong cấu trúc $\text{Ti/WO}_3\text{/FTO}$).

  2. Về công nghệ biến tính bề mặt và gắn kết sinh học:

    • Thiết lập quy trình biến tính bề mặt màng vô cơ $\text{WO}_3$ và hữu cơ lai hóa $\text{CS:GO}$ tạo nhóm chức $-\text{NH}_2$ (bằng $\text{APTES}$) và $-\text{COOH}$ (bằng $\text{SA}$); chứng minh hiệu quả kích hoạt bề mặt vượt trội của phương pháp xử lý plasma oxy ($\text{Plasma O}_2$) so với chỉ xử lý dung môi.
    • Hoàn thiện quy trình gắn kết các chất thử sinh học mô phỏng ($\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ và $\text{FITC}$) lên bề mặt màng thông qua các liên kết hóa học chức năng, được kiểm chứng bằng quang phổ FTIR và kính hiển vi huỳnh quang.

  3. Giá trị công bố khoa học:

    • Các kết quả của luận án đã được công bố trên 03 bài báo khoa học thuộc danh mục tạp chí quốc tế SCIE (bao gồm 01 bài nhóm Q1 và 02 bài nhóm Q2) cùng 01 chương sách chuyên khảo tham khảo trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung và phạm vi nghiên cứu được tác giả trình bày:

  • Hạn chế: Các khảo sát tính chất đảo điện trở và gắn kết sinh học mới được thực hiện ở quy mô phòng thí nghiệm trên các hệ màng mỏng đơn lẻ và chất thử huỳnh quang mô phỏng; chưa tích hợp hoàn chỉnh thành vi hệ cảm biến sinh học (lab-on-a-chip) hoặc kết hợp vi lưu hoàn chỉnh để đo trực tiếp mẫu bệnh phẩm thực tế.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Tối ưu hóa vi cấu trúc và độ dày của màng mỏng để tương thích hoàn toàn với quy trình công nghệ chế tạo mạch tích hợp bán dẫn CMOS hiện hành.
    • Thử nghiệm cảm biến trở nhớ trên các chỉ dấu sinh học thực tế (kháng nguyên, protein ung thư, đoạn chuỗi DNA gây bệnh) ở thang nồng độ siêu nhỏ (từ nM đến fM) trong môi trường khô nhằm định lượng chính xác độ nhạy và giới hạn phát hiện ($\text{LOD}$).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên khảo hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên và giảng viên thuộc các chuyên ngành Khoa học Vật liệu, Vật lý chất rắn, Hóa học vật liệu, Công nghệ Nano và Kỹ thuật Y sinh (Biomedical Engineering).
  • Các nhà nghiên cứu về linh kiện điện tử trở nhớ (ReRAM): Cung cấp phương pháp luận chi tiết và cách khớp các mô hình toán học - vật lý (SCLC, Fowler-Nordheim, Schottky, Poole-Frenkel) để phân tích cơ chế truyền dẫn hạt tải điện qua các đường cong $I\text{-}V$.
  • Kỹ sư và nhà phát triển công nghệ cảm biến: Cung cấp thông số thực nghiệm chính xác về quy trình phún xạ màng $\text{WO}_3$, quy trình phủ màng polyme dẫn lai hóa $\text{CS:GO}$, kỹ thuật xử lý bề mặt bằng plasma oxy và quy trình ghép silan hóa/carboxyl hóa để cố định phân tử sinh học.

Câu hỏi thường gặp

1. Nguyên lý cơ bản của cảm biến sinh học trở nhớ khác với cảm biến FET và cảm biến điện hóa như thế nào? Cảm biến sinh học điện hóa bắt buộc phải đo trong môi trường dung dịch và cảm biến FET đọc tín hiệu dựa trên sự thay đổi dòng điện rất nhỏ ($\sim\text{nA}$), dễ bị nhiễu. Ngược lại, cảm biến sinh học trở nhớ dựa trên cấu trúc tụ điện MIM; khi có đối tượng sinh học gắn lên bề mặt, linh kiện tạo ra độ lệch điện thế ($\Delta V$) ở mức millivolt ($\text{mV}$) ngay cả ở nồng độ cực thấp (thang fM) và có thể thực hiện phép đo ở trạng thái khô.

2. Sự khác nhau về cơ chế đảo điện trở giữa cấu trúc $\text{Ag/WO}_3\text{/Pt}$ và $\text{Ti/WO}_3\text{/FTO}$ trong luận án là gì? Trong cấu trúc $\text{Ag/WO}_3\text{/Pt}$ (và $\text{Ag/WO}_3\text{/FTO}$), điện cực $\text{Ag}$ tham gia phản ứng oxi hóa khử tạo ra các đường dẫn kim loại $\text{Ag}$ hình thành và đứt gãy, dẫn đến đường cong trễ $I\text{-}V$ theo chiều kim đồng hồ. Trong khi đó, ở cấu trúc $\text{Ti/WO}_3\text{/FTO}$, điện cực $\text{Ti}$ là điện cực trơ, cơ chế đảo điện trở do sự di chuyển của các ion âm $\text{O}^{2-}$ qua lại mặt phân giới đáy $\text{WO}_3\text{/FTO}$, tạo ra đường cong trễ $I\text{-}V$ ngược chiều kim đồng hồ.

3. Màng lai hóa $\text{CS:GO}$ mang lại những ưu điểm gì cho linh kiện trở nhớ định hướng cảm biến sinh học? Chitosan ($\text{CS}$) là polyme tương thích sinh học, mang các nhóm chức $-\text{NH}_2$ và $-\text{OH}$ thuận lợi cho việc gắn kết phân tử sinh học mà không gây độc tính. Việc lai hóa với oxit graphen ($\text{GO}$) cấu trúc tổ ong 2D giúp tạo ra các vị trí bẫy bắt giữ electron, cải thiện độ bền cơ lý, tính dẫn điện và tạo nên tính năng đảo điện trở ổn định với 100 chu kỳ quét lặp lại.

4. Phương pháp xử lý plasma oxy ($\text{Plasma O}_2$) có vai trò gì trong quy trình biến tính màng $\text{WO}_3$? Xử lý plasma oxy giúp làm sạch, tăng độ ưa nước và tạo ra các liên kết oxy hoạt tính trên bề mặt màng $\text{WO}_3$ mà không phá hủy cấu trúc màng. Nhờ đó, hiệu quả ghép nối silan hóa với $\text{APTES}$ (tạo nhóm $-\text{NH}_2$) và $\text{SA}$ (tạo nhóm $-\text{COOH}$) ở mẫu $\text{WO}_3\text{@Plasma O}_2\text{-APTES-SA}$ cao hơn rõ rệt so với mẫu chỉ xử lý dung môi, giúp gắn kết chất thử $\text{NH}_2\text{-Oligo C6-sybr green I}$ với mật độ huỳnh quang đồng đều và mạnh hơn.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Tạ Thị Kiều Hạnh đã chế tạo thành công màng mỏng vô cơ $\text{WO}_3$ bằng phương pháp phún xạ magnetron và màng mỏng hữu cơ lai hóa $\text{CS:GO}$ bằng phương pháp phủ quay, chứng minh tính chất đảo điện trở thuận nghịch ổn định của các hệ vật liệu này. Công trình đã làm sáng tỏ cơ chế truyền dẫn điện tích phức hợp (SCLC, đạn đạo, Ohmic, Fowler-Nordheim) và cơ chế đảo điện trở phụ thuộc vào bản chất điện cực ($\text{Ag}$, $\text{Ti}$, $\text{Pt}$, $\text{FTO}$). Đồng thời, luận án đã xây dựng hoàn chỉnh quy trình biến tính bề mặt với $\text{APTES}$, $\text{SA}$ (kết hợp xử lý plasma oxy) và cố định thành công các chất thử sinh học mô phỏng, tạo tiền đề vững chắc cho việc phát triển các cảm biến sinh học trở nhớ có độ nhạy cao.