Mở đầu Sự nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sự sống, trong chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế và cả trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường. Theo phương pháp truyền thống các mẫu cần phân tích được lấy tại hiện trường, bảo quản và đưa về phân tích tại các phòng thí nghiệm. Để thực hiện được điều này, yêu cầu phải có những phòng thí nghiệm hiện đại và đắt tiền. Kèm theo đó là đội ngũ cán bộ có năng lực chuyên môn cao, có khả năng thực hiện, đánh giá và phân tích các kết quả.
Gần đây, ý tưởng tích hợp tất cả những quá trình phân tích trên thành một thiết bị cầm tay dễ sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích, đã nhận được rất nhiều s ự quan tâm từ các nhà nghiên cứu đến các công ty công nghệ sinh học [32, 46, 88]. Đó là ý tưởng của một hệ thống dạng “lab-on-chip”. Ý tưởng này được đưa ra để đơn giản hoá và tăng cường hiệu quả cho nhiệm vụ phân tích, phát hiện trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học. Lab-on- chip mở ra những khả năng ứng dụng hoàn toàn mới mẻ và phong phú, bao gồm cả các phân tích trong không khí, phân tích vùng đất xung quanh các nơi có thể gặp nguy hiểm hay bất cứ nơi đâu mà các kết quả kiểm tra có ngay lập tức tại hiện trường là quan trọng [18,19,38,39,43,60,61,70,79].
Thực tế, các hệ thống “lab-on-a- chip” được đặt niềm tin với t iềm năng như các hệ vi điện tử của những năm 1980 [47]. Sự kết hợp giữa lĩnh vực vi điện tử và chíp sinh học (Biochip) đang tạo ra các linh kiện và công nghệ mới được ứng dụng rộng rãi và có sự ảnh hưởng lớn trong xã hội hiện đại. Linh kiện có kích thước, cấu trúc micrô và nanô có nhiều ưu điểm. Ví dụ điển hình là một “lab-on-a-chip”, trong đó tất cả các quá trình trong việc phân tích một mẫu lý, hóa, sinh học đều được thực hiện trên một chíp silicon hoặc trên các đế polymer.
Phương pháp này có rất nhiều ưu điểm. Thứ nhất cần ít chất phản ứng, có 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com nghĩa là giảm được giá thành trong một phản ứng và hạn chế được rất nhiều những nguy hiểm khi sử dụng. Hơn nữa, phương pháp cho các kết quả nhanh chóng đồng thời dễ dàng với người sử dụng. Sử dụng từ tính trong các hệ thống “lab-on-a-chip” đem lại một số lợi ích.
Trước hết, cơ cấu điều khiển từ tính và các kỹ thuật cảm biến đã phát triển rất tốt từ khi chúng được sử dụng làm bộ phận đọc/lưu trữ dữ liệu của các ổ cứng máy tính – lĩnh vực khác của vật lý ứng dụng nơi mà sự tối thiểu hóa dẫn tới những tiến bộ và những ứng dụng đáng kinh ngạc. Hơn nữa, nhận thức của con người về các tính chất vật liệu rất rộng và các kỹ thuật chế tạo đã phát triển ở trình độ cao. Trong những năm gần đây cảm biến từ tính được ứng dụng trong các phân tích sinh học, với kết quả khả quan s o với các kỹ thuật hiện tại. Phân tử sinh học được gắn với một hạt từ tính và sự có mặt của nó được nhận ra thông qua các nhãn đánh dấu.
Việc phát hiện các phân tử theo cách này cho đến nay hiện là phương pháp duy nhất về mặt nguyên tắc, là đủ nhạy để phát hiện một đơn phân tử. Trong khuôn khổ luận án này chúng tôi sẽ đưa ra các kết quả nghiên cứu chứng minh rằng các cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall phẳng cho các kết quả rất khả quan với độ nhạy đủ lớn để phát hiện các hạt từ được chức năng hóa sinh học. Các cả m biến Hall phẳng có thể được tích hợp với hệ thống vi lưu (micro-flu idics) để làm phần cảm ứng của một lab-on-a-chip cho phân tích sinh học. Nguyên lý chung của chíp sinh học Các các chíp sinh học hoạt động dựa trên việc phát hiện tương tác đặc hữu giữa các phân tử sinh học.
Ví dụ như khi nhận dạng lai hóa giữa các sợi đơn DNA- DNA, các phân tử sinh học là phần bù của nhau sẽ tương tác với nhau do sự kết cặp của các nucleotide G-C và A-T. Dựa trên thông tin của tương tác đặc hữu giữa các phần tử sinh học, chúng ta chuẩn đoán được nhiều bệnh di truyền liên quan tới biến dị gen. Về cấu trúc, các chíp sinh học gồm có 2 thành phần chính là phần nhận biết tín hiệu sinh học và bộ chuyển đổi. Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống như 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com một phần tử sinh học, nó nhận dạng các tương tác sinh học.
Trong khi đóbộ chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu nhận được thành tín hiệu vật lý để nhận biết. Về chi tiết, một chíp sinh học thông thường bao gồm các bộ phận sau: (1) một dãy các đầu dò được sắp xếp trên bề mặt cảm biến; (2) buồng lai hóa (thường là 1 bộ ráp nối các rãnh chứa chất lỏng có kích thước micro); (3) một cơ cấu để sắp xếp các bia tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho các phân tích phân tử tích điện như DNA hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho các bia gắn hạt từ); (4) các hạt dò tìm [28, 30, 42, 59, 75]. Các đầu dò và các hạt dò tìm các phần tử chứa đựng các thông tin biết trước. Tùy thuộc vào bản chất sự tương tác (lai hóa) và vị trí của các tương tác sinh học (lai hóa) xảy ra, cho phép so sánh thông tin từ các đầu dò để xác định thông tin từ các phần tử sinh học cần dò tìm.
Hiện nay trên thế giới có rất nhiều các loại cảm biến sinh học. Tuy nhiên về nguyên lý cơ bản có thể phân loại theo các phương pháp dò tìm sau [30, 42, 63]: - Dò tìm theo phương pháp huỳnh quang. - Dò tìm sử dụng các hạt nano từ. - Dò tìm sử dụng phương pháp điện hóa.
- Dò tìm bằng phương pháp phóng xạ. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy khối lượng. - Dò tìm theo phương pháp độ nhạy điện tích. - Dò tìm phụ thuộc vào độ nhạy của hệ số khúc xạ.
- Sự ô xi hóa của điện cực guanin. Ở trên thế giới hai phương pháp dò tìm bằng đánh dấu huỳnh quang và bằng công nghệ spin điện tử(spintronic) được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay [18, 19, 38, 39, 43, 60, 61, 70, 79]. Ở Việt Nam phương pháp dò tìm bằng điện hóa và độ nhạy khối cũng đã được một số nhóm triển khai nghiên cứu. Phương pháp dò tìm sử dụng các hạt nanô từ được triển khai ở phòng thí nghiệm Công nghệ Micrô và Nanô và Bộ môn vật liệu và linh kiện nanô từ tính của trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc Gia Hà Nội trên cơ sở phát huy truyền thống nghiên cứu từ học của nhóm nghiên cứu này.
Phương pháp dò tìm sử dụng công nghệ spin điện tử có nhiều ưu 6 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com thế, khắc phục được mặt hạn chế của phương pháp huỳnh quang. Thay vì nhận biết các phân tử sinh học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lade, chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ spin điện tử tiêu thụ ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên sự đổi chiều của các spin;tín hiệu nhiễu giảm do tính chất phi từ của các phần tử sinh học; có độ ổn định cao, phép đo có thể thực hiện được nhiều lần. Thời gian đảo các spin từ trạng thái “up” và “down” ngắn; độ nhạy cao, dễ tích hợp và dễ tự động hóa khiến cho nó có khả năng cùng một lúc có thể phân tích được nhiều mẫu sinh học; có ưu thế trong việc phân tích ở nồng độ nhỏ. Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử [28, 59, 63].
Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử được biểu diễn trên Hình 1.1, bao gồm một dãy các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, buồng lai hóa (buồng phản ứng), một cơ cấu dùng để sắp xếp các bia tùy chọn theo dãy [28, 59, 63]. Một dãy đầu dò các phân tử sinh học được cố định trên bề mặt cảm biến. Dung dịch chứa các phân tử cần dò và các hạt từ có thể liên kết với bề mặt cảm biến thông qua quá trình lai hóa của các phân tử sinh học. Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư trong tự nhiên với kích thước cỡ nanô hoặc micrô mét đã được chức năng hóa và có khả năng liên kết với các phân 7 LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com tử sinh học.
Dưới tác dụng của từ trường ngoài, các hạt này sẽ bị từ hóa. Từ trường tổng cộng tác dụng lên cảm biến (từ trường ngoài và từ trường do hạt từ sinh ra) sẽ làm thay đổi tính chất vật lý của cảm biến, do đó giúp ta có thể gián tiếp nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích. Ví dụ, các hạt từ được chức năng hóa bề mặt với hoạt chất có tên gọi là streptavidin, sau đó dung dịch chứa hạt từ này được nhỏ lên chip. DNA của mẫu vật phẩm cần dò được gắn với hoạt chất có tên là biotin.
Các hạt từ được chức năng hóa sẽ liên kết với DNA cần dò thông qua tương tác biotin – streptavidin. Trên bề mặt chíp, các DNA dò đã được gắn sẵn [75]. Quá trình lai hóa giữa DNA dò và DNA cần dò sẽ được phát hiện bởi bộ chuyển đổi tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử để nhận được thông tin từ của phép đo, người ta bơm một dòng có cường độ ổn định, khi có mặt của hạt từ (khi có tương tác sinh học), điện trở của cảm biến thay đổi. Cảm biến nhận biết được sự có mặt của hạt từ qua sự thay đổi điện trở của cảm biến khi dòng qua cảm biến được đặt cố định.
Các loại cảm biến dựa trên hiệu ứng từ Các cảm biếnphổ biến là các cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR), từ điện-trở khổng lồ (Giant Magnetoresistance - GMR), các cảm biến van- spin, cảm biến Hall thường (HE), cả m biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) và cảm biến dựa trên hiệu ứng Hall mặt phẳng (PHE).Dưới đâychúng tôi giới thiệu một số loại cảm biếnkhác nhau dựa trên hiệu ứng từ.