Chương 1. Phương pháp nghiên cứu và quy trình thực nghiệm. Kết quả chế tao và biến tính bề mặt màng mỏng WOs. Kết quả chế tạo và biến tính bề mặt màng mỏng CS:GO.
Kết luận và kiến nghị. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Mục tiêu nghiên cứu của luận án gồm (1) Nghiên cứu, chế tạo được các vật liệu điện môi/bán dẫn dạng mang mỏng vô co WO; và hữu cơ lai hóa chitosan:oxit graphen tương thích sinh học có tính đảo điện trở thuận nghịch (tính trở nhớ) và luận giải được cơ chế truyền dẫn điện tích và đảo điện trở thuận nghịch của vật liệu làm cơ sở hiểu được cơ chế cảm biến; (2) biến tính thành công bề mặt màng WO; và CS:GO với các nhóm chức -NH;, -COOH và (3) gắn kết thành công các chất thử lên bề mặt màng WO; và CS:GO thông qua các nhóm chức -NH2, -COOH. Đôi tượng nghiên cứu của luận án Sau khi tìm hiêu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, kêt hợp với sự kế thừa các nghiên cứu trước đây của nhóm, tác giả và tập thể cán bộ hướng dẫn đã lựa chọn đôi tượng nghiên cứu của luận án như sau: - Vật liệu tương thích sinh học có tính trở nhớ: WO3 và CS:GO. - Cac tiền chất dé biến tính bề mặt: (3-Aminopropyl)triethoxy silane (APTES) dé hình thành nhóm chức -NH; và succinic anhydrid (SA) dé hình thành nhóm chức -COOH.
- Chat thử sinh hoc: NHạ Oligo C6-sybr green I và fluorescein isothiocyante (FITC). Pham vi nghiên cứu của luận án Luận án được nghiên cứu trong phạm vi phòng thí nghiệm tại cơ sở đào tạo và các phòng thí nghiệm hợp tác trong và ngoài nước. Phương pháp nghiên cứu trong luận án Luận án được thực hiện thông qua việc tìm hiểu về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước đê có được tông quan về cơ sở lý thuyét. Từ đó, sử dụng các phương pháp thực nghiệm dé tiến hành chế tạo cũng như biến tính bề mặt vật liệu, sau đó sử dụng một số phương pháp đo đạc dé phân tích và đánh giá tính chat của vật liệu.
Y nghĩa khoa hoc của luận án Các kết quả chính của luận án liên quan đến (1) quy trình công nghệ chế tạo màng WO; và mang mỏng CS:GO có tính trở nhớ, luận giải được cơ chế truyền dẫn điện tích và đảo điện trở thuận nghịch của các mảng nêu trên là cơ sở xác định cơ chế cảm biến của vật liệu; (2) quy trình biến tính bề mặt mang vô co và hữu co lai hóa với các nhóm chức -NHa, -COOH, luận giải được cơ chế gan kết nhóm chức lên bề mặt vật liệu, (3) quy trình gắn kết chat thử NHa Oligo C6-sybr green I và FITC lên các nhóm chức -NH2, -COOH. Các kết quả nêu trên đã được công bố thành công trên 03 tạp chí khoa học quốc tế SCIE (1 Q1, 2 Q2) và một chương sách tham khảo trong nước, là dữ liệu tham chiếu cho cộng đồng khoa học trong cùng lĩnh vực và chủ đề nghiên cứu. TONG QUAN Nhằm tìm hiểu rõ hơn về cơ sở nghiên cứu cũng như việc lựa chọn các đối tượng nghiên cứu của luận án, trong chương này sẽ trình bày tổng quan về cảm biến sinh học nói chung và cảm biến trở nhớ nói riêng, một số vật liệu có tính trở nhớ và các phương pháp biến tính bề mặt vật liệu. Téng quan về cảm biến sinh học Nhờ công nghệ nano, các cảm biến sinh học với các vật liệu ở thang nano có khả năng tương tác với các chỉ dấu sinh học, phát hiện tế bào gây bệnh, sàng lọc tế bào mang bệnh và giúp điều trị bệnh hiệu quả.
Các nghiên cứu gần đây chú trọng đến VIỆC chế tạo cảm biến sinh học có độ nhạy cao nhằm phát hiện nhanh các chỉ dấu sinh học có nông độ rất thấp (nM — fM). Phan lớn các quá trình hình thành và phát triển ung thư đều xảy ra ở quy mô nano. Ví dụ, việc phát hiện các chỉ dấu ung thư từ khi hình thành (giai đoạn tiền nhiễm bệnh) đòi hỏi thiết bị phát hiện phải hoạt động được Ở cấp độ nano. Phát hiện sớm và định lượng nhanh các chỉ dấu sinh học như glucose, protein, DNA.
trong bệnh pham cung cấp một khả năng cao va hiệu quả trong ngăn ngừa và điều trị bệnh, đặc biệt là những bệnh ung thư. Cảm biến sinh học cộng hưởng trên cơ sở thanh nano dao động Khi các tế bào được gắn kết trên bề mặt thanh nano, các tế bào này đóng vai trò như một tải trọng đặt lên thanh nano gây ra ứng suất trên bề mặt thanh nano, gây moment uốn ảnh hưởng đến tần số dao động riêng hoặc độ lệch của đầu thanh nano. Các thông số trên phụ thuộc vào kích thước thanh nano, suất đàn hồi của thanh (vật liệu). Sự thay đôi độ lệch hoặc tần số dao động của thanh nano phụ thuộc vào s6 lượng tế bao được gắn kết trên thanh nano [40].
Các phương pháp được dùng dé phát hiện sự thay đổi trên là phương pháp quang học, giao thoa, phương pháp đọc điện dung [41, 42]. Dé phát hiện một lượng tế bào nhỏ đòi hỏi thanh nano phải được chế tạo ở kích thước nhỏ tương ứng, đây là yêu cầu khắt khe với tình hình công nghệ hiện tại ở Việt Nam. Không những thế, việc phát hiện những thay đổi rất nhỏ về độ lệch hay tần số của thanh nano yêu cầu các thiết bị phân tích tinh vi, đắt tiền. Mô hình cảm biến sinh học thanh nano dao động [40] 1.
Cảm biến sinh học điện hoá `XX^ Hiệu điện —**»XSxx++ ¬. Mô hình đo của cảm biến sinh học điện hoá [44] Cảm biến sinh học điện hoá là cảm biến sinh học có bộ phận chuyền đổi thành tín hiệu điện hoá: điện cực biến đổi hoá học (điện cực điện hoá) được chức năng bề mặt. Các phương pháp dé đo tín hiệu khi có sự tương tác giữa cảm biến và đối tượng sinh học cần phân tích như phương pháp đo dòng, thé, đo độ dẫn, đo phổ tổng trở. Các nghiên cứu về vật liệu làm điện cực trong cảm biên sinh học điện hoá là chủ đê nghiên cứu chính trong những năm gân đây.
Hạn chê của cảm biên sinh học điện hoá là phép đo phải được tiến hành trong môi trường dung dịch [43, 45-47]. Cảm biến nano sinh học trên cơ sở hiệu ứng trường ® hạt mang điện dương @hat mang điện âm hoặc lỗ trông Thời gian Thời gian Hình 1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học hiệu ứng trường [48] Khi vật liệu được chế tạo ở dạng sợi nano, sỐ lượng các nguyên tử ton tại trên bề mặt sợi rất lớn nên các tính chất như điện trở của sợi rất nhạy với các thay đôi của môi trường bên ngoài hoặc khi sợi có tương tác với tác nhân bên ngoài. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học sợi nano dựa trên nguyên lý làm việc của transitor hiệu ứng trường (field effect transistor —FET) [48, 49], cụ thé là: e Soi bán dan nano có chứa các hạt dan điện (vi dụ tích điện dương) với hai đâu được kêt nôi với các điện cực.
Bê mặt sợi bán dan nano được chức năng hoá bởi các môi sinh học nhăm bắt cặp với các chỉ dâu sinh học cân phát hiện. e Su bat cặp giữa các môi/chỉ dâu sinh học dién ra trên bê mặt sợi nano xảy ra khi dung dịch chứa các chỉ dấu sinh học được cho chảy qua sợi nano. e Các chỉ dấu sinh học có điện tích có điện tích dương sẽ làm giảm dòng điện chạy qua sợi nano (Hình 1. Ngược lại, khi các chỉ dấu sinh học âm sẽ dẫn đến sự tích tụ các hạt dẫn của sợi lên trên bề mặt, làm tăng dòng điện chạy qua sợi (Hình 1.
Như vậy tín hiệu nhận biết sự tồn tại của các chỉ dấu sinh học cần phát hiện là giá trị dòng diện chạy qua sợi nano. Thường giá trị dòng rất nhỏ (~ nA) nên yêu cầu thiết bị hiện đại và khả năng chống nhiều cao. Tất cả các phương pháp kê trên đều có những điểm chung là cần chức năng hóa bề mặt vật liệu nano nhằm tạo thành những nhóm chức dé liên kết với đối tượng sinh học. Sự khác biệt là cấu tạo, cơ chế phát hiện và tín hiệu ra (chênh lệch tan số, kích thước, dòng điện.
Yêu cầu hiện nay dé chế tao các cảm biến sinh học là cần hướng tới thiết bị gọn nhẹ, đơn giản, thao tác và phân tích dễ dàng, độ nhạy cao, đặc hiệu, phân tích trong môi trường khô. Trong các phương pháp khảo sát trên, phương pháp có tín hiệu ra là dòng điện có ưu thế là đơn giản, dễ nhận biết. Tuy nhiên, khi cần phát hiện một lượng nhỏ đối tượng sinh học, giá trị dòng điện thu được có giá trị nhỏ (nA) nên khó phát hiện độ chênh lệch của dòng điện khi có và không có đối tượng sinh học. Cảm biến sinh học trở nhớ Từ năm 2011 đến nay, một thiết bị cảm biến sinh học mới được phát triển với một phương pháp đọc tín hiệu đơn giản hơn đó là cảm biến sinh học trở nhớ (memristive biosensor).
Khái niệm trở nhớ (memristor) bắt nguồn từ các công bố khoa học liên quan đến bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dạng điện trở (Resistive random access memory — ReRAM) [27-30, 50-52]. Trở nhớ được xem là linh kiện điện tử cơ bản thứ tư bên cạnh điện trở, tụ điện và cuộn cảm. Sự tiến bộ nhanh chóng trong kỹ thuật công nghệ thông tin đòi hỏi cần có các loại bộ nhớ điện tử có tốc độ truy cập cao và khả năng lưu trữ lớn. Bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên (Random access memory - RAM) được chế tạo từ vật liệu micro — nano gồm bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dạng sắt điện (FRAM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dang từ tính (MRAM), bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dạng thay đổi pha (PRAM) và bộ nhớ truy cập ngau nhiên dạng điện trở (RRAM hay ReRAM) đã được nghiên cứu rộng rãi.
Bộ nhớ RRAM có lợi thế do chế tạo dễ dàng, cấu trúc đơn giản, khả năng tích hợp cao, đáp ứng nhanh, mật độ tích 10 hợp cao và khả năng tương thích tốt với các oxit kim loại trong công nghệ bán dẫn trên nền vật liệu Si hiện nay (CMOS). Cấu tạo của bộ nhớ RRAM thường bao gồm một vật liệu cách điện I (insulator) kẹp giữa hai điện cực M (metal) dé tạo thành cau trúc kim loại - cách điện - kim loại (MIM) (Hình 1.4) Điện cực định Lớp điện môi Điện cực day Hình 1.