Luận án tiến sĩ: Nghiên cứu chế tạo dây nano SnO2 ứng dụng trong cảm biến ADN

Luận án tiến sĩ vật lý học nghiên cứu chế tạo dây nano SnO2, ứng dụng trong cảm biến ADN, mở ra hướng đi mới trong công nghệ cảm biến.

• Tác giả: Nguyen Minh Hieu
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyen Hoang Hai
• Trường học: Đại học Quốc gia Hà Nội
• Chuyên ngành: Vật lý chất rắn
• Đề tài: Nghiên Cứu Chế Tạo Dây Nano SnO2 Cho Cảm Biến ADN
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẬT LIỆU NANO SnO2 VÀ CẢM BIẾN SINH HỌC PHÁT HIỆN ADN
• 1.1. Tìm hiểu nghiên cứu trong nước và nước ngoài
• 1.2. Những vấn đề còn tồn tại của công nghệ VLS
• 1.3. Phân loại cảm biến sinh học
• 1.4. Cảm biến sinh học phát hiện ADN
• 1.5. Phương pháp và định ADN với vật liệu nano
• 1.5.1. Phương pháp hấp phụ ADN với vật liệu nano
• 1.5.2. Phương pháp liên kết cộng hóa trị ADN với vật liệu nano
• 1.5.3. Kết luận chương
• 2. CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG BÀI TOÁN VẬT LÝ TRONG TỔNG HỢP DÂY NANO SnO2
• 2.1. Nồng độ Sn phụ thuộc lưu lượng khí O2 với vị trí ST, S2, S3
• 2.2. Nồng độ Sn tại bề mặt cảm biến với vị trí S4, S5, S6
• 2.3. Kết luận chương
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO VI ĐIỆN CỰC VÀ DÂY NANO SnO2
• 3.1. Thiết kế mặt nạ chế tạo vi điện cực Au
• 3.2. Thiết kế mặt nạ bao vệ điện cực Au
• 3.3. Hóa chất và thiết bị
• 3.4. Thiết bị sử dụng chế tạo cảm biến
• 3.5. Quy trình làm sạch đề silic và bao lớp SiO2
• 3.6. Quang khắc và phún xạ tạo hình điện cực Au
• 3.7. Phổ nhiễu xạ tia X (XRD)
• 3.8. Phổ điện tử quang tia X (XPS)
• 3.9. Hiển vi điện tử quét (SEM)
• 3.10. Hiển vi điện tử truyền qua (TEM)
• 3.11. Hiển vi điện tử truyền qua quét (SLEM)
• 3.12. Hiển vi điện tử truyền qua phân giải cao (HRLEM)
• 3.13. Nhiễu xạ điện tử chọn vùng (SAED)
• 3.14. Hấp thụ hồng ngoại chuyển đổi Fourier (FTIR)
• 3.15. Phương pháp đo vi sai phát hiện ADN
• 3.16. Phương pháp tính giới hạn phát hiện LOD
• 3.17. Kết luận chương
• 4. CHƯƠNG 4: CHẾ TẠO MỌC DÂY NANO SnO2 VỚI XÚC TÁC Au
• 4.1. Phân tích cấu trúc tinh thể và hình thái học dây nano SnO2
• 4.1.1. XPS dây nano SnO2
• 4.1.2. Hình thái học dây nano SnO2
• 4.1.3. Phân tích HRVEM, SAED và SLEM-EDS dây nano SnO2
• 4.2. Điều khiển cấu trúc của dây nano SnO2
• 4.2.1. Điều chế mộc dây nano SnO2 với xúc tác hạt nano Au
• 4.2.2. Điều chế mộc dây nano SnO2 với xúc tác màng mỏng Au
• 4.2.3. Giải thích cơ chế mọc dây nano SnO2 bằng liên kết hóa học
• 4.3. Kết luận chương
• 5. CHƯƠNG 5: PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN ADN TRÊN CƠ SỞ DÂY NANO SnO2
• 5.1. Chức năng hóa SnO2, cố định ADN dò lên bề mặt cảm biến
• 5.2. Kiểm tra gắn kết ADN trên vật liệu nano SnO2
• 5.2.1. Kiểm tra gắn kết bằng phương pháp ELISA
• 5.2.2. Kiểm tra gắn kết bằng hiển vi huỳnh quang
• 5.2.3. Kết quả SEM dây nano SnO2 với hạt nano Au
• 5.3. Cảm biến ADN với dây nano SnO2
• 5.3.1. Cảm biến ADN với dây nano SnO2 có hạt nano Au
• 5.3.2. Cảm biến ADN với dây nano SnO2 không có hạt nano Au
• 5.4. Giới hạn phát hiện cảm biến ADN
• 5.5. Kết luận chương
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu về dây nano SnO2 và cảm biến ADN

Dây nano SnO2 là một trong những vật liệu nano có tính chất điện tốt, được nghiên cứu rộng rãi trong lĩnh vực cảm biến. Cảm biến ADN sử dụng dây nano SnO2 có khả năng phát hiện các đoạn ADN mục tiêu thông qua sự thay đổi điện trở khi ADN dò gắn kết với ADN đích. Việc chế tạo dây nano SnO2 có thể được thực hiện thông qua nhiều phương pháp khác nhau, trong đó phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) và lắng đọng hơi hóa học pha hơi (OVD) là phổ biến nhất. Dây nano SnO2 có diện tích bề mặt lớn, giúp tăng cường khả năng tương tác với các phân tử ADN, từ đó nâng cao độ nhạy của cảm biến. Nghiên cứu này nhằm mục tiêu phát triển một cảm biến ADN thông minh, có khả năng phát hiện nhanh chóng và chính xác các đoạn ADN mục tiêu.

1.1. Tính chất điện của dây nano SnO2

Dây nano SnO2 có tính chất điện dẫn tốt, với độ rộng vùng cấm khoảng 3,6 eV, cho phép nó hoạt động hiệu quả trong các ứng dụng cảm biến. Tính chất điện của dây nano SnO2 phụ thuộc vào kích thước, hình dạng và điều kiện chế tạo. Các nghiên cứu cho thấy rằng, khi kích thước dây nano giảm xuống, tính chất điện của nó có thể thay đổi đáng kể, dẫn đến sự thay đổi trong độ nhạy của cảm biến. Sự thay đổi này có thể được giải thích bằng lý thuyết bề mặt, nơi mà diện tích bề mặt lớn hơn giúp tăng cường khả năng hấp phụ các phân tử ADN. Do đó, việc tối ưu hóa quy trình chế tạo dây nano SnO2 là rất quan trọng để đạt được hiệu suất cao trong cảm biến ADN.

II. Phương pháp chế tạo dây nano SnO2

Quá trình chế tạo dây nano SnO2 thường sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) hoặc lắng đọng hơi hóa học pha hơi (OVD). Phương pháp OVD được ưa chuộng hơn do khả năng tạo ra dây nano với cấu trúc đồng nhất và tính chất điện tốt. Trong nghiên cứu này, dây nano SnO2 được chế tạo bằng cách sử dụng hạt nano vàng (Au) làm xúc tác. Hệ thống OVD được thiết kế để kiểm soát nhiệt độ, áp suất và lưu lượng khí, nhằm tối ưu hóa quá trình lắng đọng. Kết quả cho thấy, dây nano SnO2 có thể được tạo ra với độ dài và đường kính mong muốn, từ đó tạo ra các cảm biến có độ nhạy cao. Việc sử dụng hạt nano Au không chỉ giúp tăng cường quá trình lắng đọng mà còn cải thiện tính chất điện của dây nano.

2.1. Quy trình lắng đọng hơi hóa học

Quy trình lắng đọng hơi hóa học (CVD) được thực hiện trong một buồng chân không, nơi mà các tiền chất được bay hơi và lắng đọng lên bề mặt chất nền. Trong nghiên cứu này, các tiền chất như tin (Sn) và oxi (O2) được sử dụng để tạo ra dây nano SnO2. Các điều kiện như nhiệt độ và áp suất được điều chỉnh để tối ưu hóa quá trình lắng đọng. Kết quả cho thấy, dây nano SnO2 được tạo ra có cấu trúc tinh thể tốt và tính chất điện dẫn cao. Sự kiểm soát chính xác các thông số trong quy trình CVD là yếu tố quyết định đến chất lượng của dây nano và hiệu suất của cảm biến ADN.

III. Ứng dụng của dây nano SnO2 trong cảm biến ADN

Dây nano SnO2 được ứng dụng rộng rãi trong việc phát triển cảm biến ADN nhờ vào tính nhạy và khả năng phát hiện nhanh chóng. Cảm biến ADN sử dụng dây nano SnO2 có thể phát hiện sự hiện diện của ADN mục tiêu thông qua sự thay đổi điện trở khi ADN dò gắn kết với ADN đích. Nghiên cứu cho thấy, cảm biến này có thể phát hiện nồng độ ADN thấp, từ đó mở ra khả năng ứng dụng trong y học, đặc biệt là trong việc chẩn đoán sớm các bệnh ung thư liên quan đến ADN. Việc phát triển cảm biến ADN thông minh từ dây nano SnO2 không chỉ giúp nâng cao độ nhạy mà còn giảm thiểu thời gian phân tích, tạo điều kiện thuận lợi cho việc phát hiện nhanh chóng trong các tình huống khẩn cấp.

3.1. Đánh giá hiệu suất của cảm biến ADN

Hiệu suất của cảm biến ADN được đánh giá thông qua các chỉ tiêu như độ nhạy, độ chính xác và giới hạn phát hiện. Các thí nghiệm cho thấy, cảm biến ADN sử dụng dây nano SnO2 có thể phát hiện nồng độ ADN mục tiêu ở mức picomolar, cho thấy độ nhạy cao. Bên cạnh đó, độ chính xác của cảm biến cũng được kiểm chứng qua các phép thử lặp lại, cho thấy sự ổn định trong kết quả. Những kết quả này chứng minh rằng, dây nano SnO2 là một vật liệu tiềm năng cho việc phát triển các cảm biến ADN hiệu quả, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao trong lĩnh vực y tế và sinh học.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Tong quan vật liệu nano SnO› va cảm biến sinh học phát hiện ADN 1.1 Tính chất và ứng dụng của vật liệu SnO;› SnOs là bán dẫn loại n, là một bán dẫn thuần, SnOs trong mang tinh thế vd nhiều nút khuyết oxy, Qáo nút khuyết oxy, này, dau đến nguyên tử Sn sẽ oÓ hai điện tử tự do. Nguyên tit Su oó 4 điệu tứ lớp ngoài oùng, v6 trạng thái oxy, hóa là (4, 2, -4) khi liêu kết với oxy, Do Su không, phái liên kết với nguyên tứ oxy, bại vị trí khuyết thiếu trong; mang tĩnh thé dẫn đến Su sẽ v6 hai điện tử tự do 24. Lt đó hình thành hai mức donor Ep, và Epo. Ep; cách day, vùng dau 0,03 eV.

tại nhiệt độ khoảng 200°Ơ, Eps cách đáy vùng, dan 0,15 eV. Độ rộng vùng oấm cửa 3uOs tại 300 K là E„— 3,6 eV.1 Cấu trúc tỉnh thé của SuO› Cấu trúo tính thế ota SuOs trong hình 1. Cấu trav tinh thế vita SuO, là uấu trúo cutile với chi số phối vi là 6 : 3. Lrong 6 vo sở mang tứ giáo tetragonal 06 chứa, hai nguyên tử thiếo (Su) và bôu nguyên tử oxy, (O).

Cau trav bao gồm vic nhóm trung hòa. vila ba mat phẳng, song song O-Sn2Os-O và sự phan chia giữa cáo uhom mặt phẳng: này phá. vỡ số lượng, liên kết cation/anion là ít nhất. Điều này dẫn đến khái niệm về bề mặt vin bằng.

hóa hoo là bề mặt v6 vin bằng, về liêu kết hoa họo giữa nguyên tử Su và nguyên tử O. Lại trạng thái dâu bằng này 2 nguyên tử Su sẽ liên kết với 4 nguyên tử O tạo ra van bằng liên kết hoa họo. Mặt tỉnh thé (110) là mat thỏa. mãn điều kiện cin bằng này do mat (110) là mặt tỉnh thé có cấu trae ôn định nhất và chiêm ưu thé nhất trong dẫu trio tỉnh thé ota vật liệu SuOs.

Oấu trio ota mặt (110) trong hình 1.2 b với hằng số mang là a — 4,737 A°, o — 3,186 A° [217). Trong hình [Lz] giản đồ nhiễu xa tia X của dây, nano SuO¿ và phố chuan otia SuO; (kí hiệu JOPDS 77-0450) [z13}, kết qua chí ra tất vd oáo đỉnh nhiễu xa là của vau trúo tinh thế vita SaOs có dẫu trúc tứ giáo. Kết qua được so sánh với phố chuấn, không oó cdo đính la xuất hiện, ohứng tó mau dây, nano SuO; là tinh khiết, 74 SnO2 JCPDS 77-0450 1k - | ">> = =5 5.2: Gian đồ nhiễu xa tỉa X của dây nano SuOs rong luận ấn này sử dụng vật liệu Au lam xúc tac cho phan ứng moc dây, nano SuQ» do vậy phố nhiễu xạ tia X olla vật liệu Au và AuSn được NOS quan tầm và sử dụng dé giải thích cấu trúo ota vật liệu. Gidu đồ nhiễu xa tia X oửa màng mong Au và phố chuẩn cia Au.DS;04-0784) trong hình |L.3] (ia, b và ö) là chi ra cdo đính nhiễu xạ (111), (200), (220), (311), (222) va (400) là cba mang móng Au.

u(đCườộ)ang (111) (200) Au (JCPDS: 04-0784) (a) (220) — G11) L | + L | L Ml bị sở Hư, 20 30 40 50 60 70 §0 90 100 (đCaư.3: Giản đồ nhiễu xa tia X của wang mong Au và AuSn Trong hình [L. chí ra rằng màng, móng, AuSn co hai pha đó là Aus3n (phố chuẩn kí hiệu PDE No. 31-0568) và AuSn (phố chuấn kí hiệu PDE no. Ode đính 2Ø 06 giá trị 35,2°; 37,8°; 39,9°; 52,4°; 62,99; 69,7°; 74,1° và 77,2° lần lượt là oáo đính nhiễu xạ (110), (006), (113), (116), (300), (119), (220) và (223) otta cấu trúũo Hhoimmbohedral (Au;Su), trong khi đó cáo đính 20 có giá trị 41,7°; 48,7°; 51,5°; 59,5° và 75,5° lần lượt là cáo đính nhiễu xạ (110), (200), (201), (202), và (223) oúa cau trúc hexagonal (AuSn).

rong hình là phố điệu tử quang tia X (XPS) ola mau dây nano SuO; IHHỌO trên dé Si(100) 06 màng, Au (dày 5nm) làm xúo táo. Nghiên oứu phố XPS chi ra rằng, gấu mức năng, lượng liên kết trong pho là tương ứng, với oáo đính của. (Os), (Su3d), (Ols) và (Su4d) oáo đỉnh đượo đánh dấu tương ứng trêu hình. Sự đóng góp rõ ràng, ola đính (1s) là do nhiễm oarbon hấp phụ ở bề wat từ bầu khong khí.

Hou nữa, cáo đính (Au4f) xuất hiệu chitug tó rằng chất xúo táo Au kim loại đã, xuất hiện ở bề mặt oúa, dây, nano.2 Tinh chất dẫn điện của SnO› Trong hình a vau trio olla oấo nguyên tit Su và nguyên ti O. Khi trong mang ấn trac tinh thé nêu khuyết thiếu nguyên tử O, odo vi trí thiêu nguyên tứ O gọi là Oxygen vaoanoy trong: trường, hợp tồn tại oáo nút khuyết Oxy, trong mang tinh thế. lrong mạng tỉnh thé tồn tại hai trang thai Sut* đã. bị ô xi hóa hoàn toàn và Su?†.

lồn tại hai trang thái này bạo ra tính dẫn điện cho vật liệu SuO¿. Ode ion Su2T nằm canh 9 100,000 = L xe.000 Sn3d pe = co 9 70,000 After TPD is © | a 2 60,000 LÔ Sy Ssooot | Ff Clse S2, Auat p- 5 [ 40,000 30,000 Before TPD 20,000 10,000 + F - 1 Q b+ td TL TL TL c L L c—L —— 600 550 500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Năng lượng liên kết (eV) Hình 1.4: Phố điệu tit quang tia X của mẫn dây nano SuOa nhau trao đối vip điện tứ cho nhan dẫn đến sự di chuyén oúa điện tif tit nơi này, sang nơi kháo tạo ra sự lĩnh động cửa hạt tái điện, tạo ra sự dẫn điệu ctta vật liệu SuÓ+, a SnO; (110)† e electron (@) ® hole (h*) Hình 1.5: Lính chất dẫn điện vita vật liệu Su; 1.3 Cam bién sinh học sử dụng SnO;› Oấu trúo nano SnO» với sáo ứng, dung liên quan vật liệu nano bán dẫu đã. thu hút được nhiều sự chứ ý do tính tiềm năng ứng dụng trong chế tạo vam biên |67}. Cáo oxit kim loại van trac nano với diện tích bề mặt lớn thé hiện cáo dao tính vật lý và hoa học vượt trội kháo với những.

vật liệu khối và được sử dung dé nang cao hiệu suất của oắm biến. Trong: sỐ oấo loại oxit kim loại 06 dẫu trúu nano, dây nano bán dẫn SuO› dav biệt tha vị với oáo ứng. dụng oủa ching trong oáo thiết bị điện tử và đặo biệt là trong vam biến khí. điên thie tê cáo dấu trite nano SuOs bao gồm hạt nano [tø|b4|lL+4|, dây.

thanh nano ktrlldl. Ống nano [60], chủ yêu được thực hiện để chê tao vam biên khí trong đó đặo tính dấu trúc doug vai trò chú đạo. SuO; là mot bán dẫn loại n do khuyết thiêu oxy, Oo chê nhạy. khí vita SnOs được vidi thích do cáo lỗ trống, Oxy, trên bề mat.

Độ dẫn điện cửa SnOs thay đối khi vd cáo phân tử khí bị hấp phụ. Do là lý do tại sao với tý lệ 10 diện tích bề mặt trên thế tích lớn, các đặc tính điện tử oửa dấu trúc nano bị thay đối mẽ bởi oáo quá trình bề mặt mang lại độ nhạy, vượt trội hơn so với vật liệu màng mông. Bên oạnh đó, oáo vau trav nano SnO¿ cho thấy khả năng ứng dung cho cắm biến do kha năng ung cấp nhiều vị trí phan ứng xẵy ra trêu bề mat để tăng cường sự chuyển đổi điện tích trong oáo phân ứng điện hóa. Cáo dấu trúu nano SuOs đã được sử dung để đạt được wat độ nang lượng cao trong nghiện oứu ché tạo pin Lithium-ion.

hành nano SuO, được sử dung lam điện cue dương, trong dẫu trúo cla pin thu được hiệu suất điện hóa, cao [LTI], [86]. Oáo loại oắum biến sử dung vật liệu 6 xít kim loại đã. được nghiện oứu gồm ZnO (172), OeOs; [L71|. Odo nghiên ottu đã.

sử dụng oấo vật liệu nano ô xit kim loại với mục đích chức năng, hóa bề mat điệu oựo cửa vam biên. Trong, oấo nghiên otfu này sử dụng phương pháp cho vật liệu nano 6 xít kim loại lên. bề wat cam biên bằng: phương phấp thúy, nhiệt, phương phấp lắng đọng điện hóa và sau đó tiến hành chito năng hoa cho bồ wat vam biên và v6 định ADN. Oáo phương pháp này oó ưu diém dễ dàng thực hiện thí nghiệm và tiên hành dua vật liệu nano lên bồ mat điệu cue bằng quy, trình hóa ướt.

Oo tiền chat được chuẩn bị trong dung dịch và tiến hành lắng đọng, điện hóa lên bề mặt điệu cuv. Do vậy còn tồn bại oáo tiền chất ban đầu ánh hướng đến tính chất oủa oắm: biến. trong nghiên ottu vain biến điện hoa phát hiện ADN trên cơ sở vật liệu SuO¿ đã sử dung phương. pháp lắng, đọng: điệu hóa dé đưa vật liệu lon bề mat oắm biên nhưng vẫn sử dung điện cực làm vide riêng 16 mà chưa chỗ tạo được điện cue tích hợp.

NOS nhậu thấy cầu thiết phái nghiện oứu phương phấp đưa được vật liệu nano SuOs lên bề mặt oửa điện cue va điều khiển được quá trình hình thành odo dang vật liệu nano trên bề mat điện cue đồng. thời tao ra liên kết tốt vita vật liệu nano SuOs với bề mặt điện cực. Vật liệu nano SnOs trong lĩnh vực vam biến sinh họo SuO¿ ving đã. được nghiện ottu nhưng mới dừng lại ở chế tạo điệu.

cue riêng lễ wa chưa chê tạo được điện cue tích hợp cho cắm biến sinh học do còn có những điểm khó khăn trong quy trình cong nghệ chế tao vam. biến như dua vật liệu SuOs lên vị trí chou lọo của điện cực tích hợp. Điều khiến cáo uấu trúu vật liệu kháo nhan trên bề mặt điện cực va chứo năng hóa được vật liệu SuOs tại vi trí điện cue tích hợp. Mục tiêu Nghiên cứu quy trình ché tao hướng tới dua được vật liệu SuO, trực tiếp lêu bề mặt của.

điệu cue tích hợp để cố định được ADN dò và phát hiệu ADN đích. Mang SnOs¿ dấu tric nano đã, được sử dụng lam vật liệu oắm biên khí phát hiệu oáo khí NO,, OO,, Hạ, O:H;OH va HạS Ệ uy nhiện, chi oó mot vài nghiền oứu về vide sử dung vật liệu SuOs cho phát hiện ADN. Nhóm nghiện oứu cửa Patel đã sit dung chấm lượng, tử oxit thiéo (SuO¿-QDs) để phát hiện Vibrio cholerae dua trên kỹ thuật lai hóa ADN, SnOs-QDs được tống hợp trên bề mặt của điện cue LUO. Kết quá chi ra ring SuOo-QDs 06 bồ wat để liên kết tốt với nhóm phosphate oủa ADN.

Oắm biến 06 độ nhạy cao 35,2 nA/ug/cm?, giới hạn phất hiện thấp 31,5 ng/uL, thời gian phan hồi 3 giây, và độ on định uao đều 120 ngày, khi đượo bảo quản trong tứ lạnh (146). 11 Đối với oáo ứng, dụng cho vam biến sinh học áo vật liệu cau trite nano oxit kim loại v6 áo dav tính độ dẫn điện và xúu táo tốt. Lãng dường sự truyền điện tử giữa oáo loại oxy, hoa khử trên bề mặt điện oựo cho vam biến điện hóa.