I. Tổng quan về cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học là thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học kết hợp với phần tử chuyển đổi. Cấu tạo của cảm biến sinh học gồm ba thành phần chính: hóa học, sinh học và vật lý. Clark là người tiên phong trong lĩnh vực này với mô hình đầu tiên vào năm 1962. Cảm biến sinh học đã phát triển mạnh mẽ nhờ công nghệ nano và công nghệ thông tin, hứa hẹn ứng dụng trong y sinh học và môi trường.
1.1. Phân loại cảm biến sinh học
Các cảm biến sinh học được phân loại dựa trên phương pháp dò tìm như huỳnh quang, hạt nano, điện hóa, phóng xạ, và độ nhạy khối lượng. Hai phương pháp phổ biến nhất là đánh dấu huỳnh quang và công nghệ spin điện tử. Cấu trúc chung của cảm biến sinh học gồm phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi, giúp biến tín hiệu sinh học thành tín hiệu vật lý.
1.2. Ứng dụng của cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học có ứng dụng rộng rãi trong y sinh học, chuẩn đoán lâm sàng, và kiểm soát môi trường. Chúng giúp phát hiện nhanh các mầm bệnh, phân tích lượng mẫu nhỏ với độ tin cậy cao. Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở đang được nghiên cứu để phát hiện hạt từ, ứng dụng trong y sinh học và công nghệ nano.
II. Hiệu ứng từ điện trở và ứng dụng
Hiệu ứng từ điện trở là sự thay đổi điện trở của vật liệu dưới tác dụng của từ trường. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) và hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) là hai hiệu ứng quan trọng được ứng dụng trong cảm biến sinh học. GMR thường xuất hiện trong màng mỏng kim loại sắt từ và phi từ, trong khi AMR phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và vectơ từ hóa.
2.1. Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ GMR
Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR) được quan sát trong màng mỏng kim loại sắt từ và phi từ xen kẽ. Khi từ trường ngoài tác dụng, điện trở của mẫu giảm mạnh từ trạng thái điện trở cao sang trạng thái điện trở thấp. Hiệu ứng này được ứng dụng trong cảm biến sinh học để phát hiện hạt từ với độ nhạy cao.
2.2. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR
Hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR) phụ thuộc vào góc giữa dòng điện và vectơ từ hóa. Hiệu ứng này xuất hiện trong các vật liệu sắt từ như Fe, Co, Ni và hợp kim của chúng. AMR được sử dụng trong cảm biến sinh học để đo lường các thông số từ tính với độ chính xác cao.
III. Phương pháp và quy trình chế tạo cảm biến
Quy trình chế tạo cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở bao gồm các bước như quay phủ, quang khắc, xử lý mẫu, và phún xạ. Các thiết bị như kính hiển vi quang học và buồng xử lý mẫu được sử dụng để khảo sát tính chất từ điện trở của màng mỏng và cảm biến. Cảm biến sinh học dạng mạch cầu Wheatstone được chế tạo để phát hiện hạt từ ứng dụng trong y sinh học.
3.1. Thiết bị và phương pháp thực nghiệm
Các thiết bị như thiết bị quay phủ, hệ quang khắc, và buồng xử lý mẫu được sử dụng trong quy trình chế tạo cảm biến sinh học. Phương pháp phún xạ và kính hiển vi quang học giúp khảo sát tính chất từ điện trở của màng mỏng và cảm biến. Quy trình này đảm bảo độ chính xác và hiệu quả trong việc chế tạo cảm biến sinh học.
3.2. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến
Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở được ứng dụng trong y sinh học để phát hiện vi khuẩn gây bệnh và các hạt từ. Cảm biến AMR được nghiên cứu để phát hiện hạt từ trên thẻ SPA khi lai với ADN đích. Ứng dụng này mở ra tiềm năng lớn trong chuẩn đoán bệnh và nghiên cứu y tế.
