Luận văn thạc sĩ vnu uet chế tạo sợi si ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan luận văn ths vật liệu và linh kiện nanô

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu vnu uet chế tạo sợi si ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan, đánh giá hiện trạng, phân tích vấn đề, đề xuất

• Tác giả: Phạm Minh Khang
• Người hướng dẫn: TS. Tống Duy Hiển
• Trường học: Đại học Quốc gia TP Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô
• Đề tài: Nghiên cứu chế tạo sợi silicon phát hiện chất chỉ thị sinh học trong chẩn đoán ung thư gan
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2014
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Giới thiệu về cảm biến sinh học
• 1.2. Khái niệm cảm biến sinh học
• 1.3. Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học
• 1.4. Phân loại cảm biến sinh học
• 1.5. Ứng dụng và thị trường cảm biến sinh học
• 1.6. Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.2. Các phương pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan
• 1.6.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến
• 1.7. Phương pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trường sợi Silic
• 1.7.1. Phương pháp Top down
• 1.7.2. Phương pháp Bottom up
• 2. CHƯƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO
• 2.1. Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Silic
• 2.1.1. Nguyên vật liệu
• 2.1.2. Qui trình chế tạo
• 2.2. Phương pháp chức năng hóa bề mặt
• 2.2.1. Vật liệu, hóa chất cần thiết
• 2.2.2. Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si
• 2.2.3. Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng
• 3. CHƯƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƯỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC
• 3.1. Tính chất hình thái sợi Si tạo thành
• 3.2. Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si
• 3.2.1. Đặc trưng I – V
• 3.2.2. Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias
• 3.2.3. Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic
• 4. CHƯƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN
• 4.1. Chuẩn bị AFP
• 4.2. Chuẩn bị hệ đo
• 4.3. Tiến hành đo đạc, kiểm tra
• KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu chế tạo sợi silicon trong chẩn đoán ung thư gan

Nghiên cứu chế tạo sợi silicon là một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực y học, đặc biệt là trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học liên quan đến ung thư gan. Sợi silicon có khả năng phát hiện các biomarker với độ nhạy cao, giúp chẩn đoán sớm và chính xác hơn. Việc ứng dụng công nghệ nano trong chế tạo sợi silicon mở ra nhiều cơ hội mới cho việc phát triển các thiết bị y tế hiện đại.

1.1. Khái niệm về sợi silicon và ứng dụng trong y học

Sợi silicon là một loại vật liệu bán dẫn có kích thước nano, được sử dụng rộng rãi trong các cảm biến sinh học. Chúng có khả năng tương tác với các chất chỉ thị sinh học, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu của ung thư gan.

1.2. Tầm quan trọng của việc phát hiện chất chỉ thị sinh học

Chất chỉ thị sinh học đóng vai trò quan trọng trong việc chẩn đoán ung thư gan. Việc phát hiện sớm các chất này có thể giúp cải thiện tỷ lệ sống sót của bệnh nhân và giảm thiểu chi phí điều trị.

II. Vấn đề và thách thức trong chẩn đoán ung thư gan hiện nay

Chẩn đoán ung thư gan hiện nay gặp nhiều thách thức, bao gồm việc thiếu các phương pháp phát hiện nhanh chóng và chính xác. Các thiết bị hiện có thường đắt đỏ và không dễ tiếp cận, dẫn đến việc nhiều bệnh nhân không được chẩn đoán kịp thời. Điều này tạo ra nhu cầu cấp thiết cho các giải pháp mới, hiệu quả hơn.

2.1. Những hạn chế của các phương pháp chẩn đoán hiện tại

Các phương pháp chẩn đoán ung thư gan hiện tại như siêu âm, CT scan và MRI thường không đủ nhạy để phát hiện sớm bệnh. Điều này dẫn đến việc nhiều bệnh nhân chỉ được phát hiện khi bệnh đã ở giai đoạn muộn.

2.2. Nhu cầu về công nghệ mới trong chẩn đoán

Công nghệ mới như cảm biến sinh học dựa trên sợi silicon có thể cung cấp giải pháp hiệu quả hơn. Chúng có khả năng phát hiện các chất chỉ thị sinh học với độ nhạy cao, giúp chẩn đoán sớm và chính xác hơn.

III. Phương pháp chế tạo sợi silicon cho cảm biến sinh học

Phương pháp chế tạo sợi silicon bao gồm các bước như tổng hợp, chức năng hóa bề mặt và kiểm tra tính chất điện. Các kỹ thuật nano được áp dụng để đảm bảo rằng sợi silicon có kích thước và hình dạng phù hợp cho việc phát hiện chất chỉ thị sinh học.

3.1. Quy trình tổng hợp sợi silicon

Quy trình tổng hợp sợi silicon bao gồm các bước như chuẩn bị nguyên liệu, xử lý nhiệt và kiểm tra chất lượng. Các yếu tố như nhiệt độ và thời gian xử lý ảnh hưởng lớn đến tính chất của sợi.

3.2. Chức năng hóa bề mặt sợi silicon

Chức năng hóa bề mặt sợi silicon giúp tăng cường khả năng tương tác với các chất chỉ thị sinh học. Việc sử dụng các hợp chất hóa học phù hợp có thể cải thiện độ nhạy của cảm biến.

IV. Ứng dụng thực tiễn của sợi silicon trong phát hiện ung thư gan

Sợi silicon đã được ứng dụng trong việc phát hiện các chất chỉ thị sinh học như AFP (Alpha-fetoprotein) trong máu bệnh nhân ung thư gan. Kết quả nghiên cứu cho thấy sợi silicon có khả năng phát hiện AFP với độ nhạy cao, mở ra cơ hội cho việc chẩn đoán sớm.

4.1. Kết quả nghiên cứu về khả năng phát hiện AFP

Nghiên cứu cho thấy sợi silicon có thể phát hiện AFP ở nồng độ thấp, giúp chẩn đoán sớm ung thư gan. Điều này có thể cải thiện tỷ lệ sống sót cho bệnh nhân.

4.2. Tiềm năng ứng dụng trong các lĩnh vực khác

Ngoài việc phát hiện ung thư gan, sợi silicon còn có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác như phát hiện virus, vi khuẩn và các bệnh lý khác, mở rộng khả năng của công nghệ này.

V. Kết luận và hướng phát triển trong nghiên cứu sợi silicon

Nghiên cứu chế tạo sợi silicon cho cảm biến sinh học là một bước tiến quan trọng trong việc phát hiện ung thư gan. Hướng phát triển trong tương lai có thể bao gồm việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác của cảm biến, cũng như mở rộng ứng dụng trong các lĩnh vực khác.

5.1. Hướng phát triển công nghệ cảm biến sinh học

Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển công nghệ cảm biến sinh học dựa trên sợi silicon để cải thiện khả năng phát hiện và ứng dụng trong y học.

5.2. Tương lai của nghiên cứu ung thư gan

Nghiên cứu về ung thư gan sẽ tiếp tục được đẩy mạnh, với mục tiêu phát triển các phương pháp chẩn đoán và điều trị hiệu quả hơn, giúp nâng cao chất lượng cuộc sống cho bệnh nhân.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Ung thư gan là một trong những loại ung thư phổ biến và có tỷ lệ tử vong cao nhất trên thế giới, đặc biệt tại các khu vực châu Á và châu Phi. Theo thống kê của WHO năm 2007, ung thư gan gây ra hơn 653.000 ca tử vong mỗi năm, trong đó Việt Nam là một trong những quốc gia có tỷ lệ mắc cao nhất với khoảng trên 10.000 ca mới mỗi năm. Bên cạnh đó, hơn 10 triệu người Việt Nam nhiễm viêm gan siêu vi B và C, những yếu tố nguy cơ chính dẫn đến ung thư gan. Việc phát hiện sớm các chỉ thị sinh học (biomarkers) trong máu đóng vai trò quan trọng trong chẩn đoán và điều trị kịp thời bệnh lý này.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là chế tạo cảm biến sinh học dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi silic (Si NW FET) để phát hiện chất chỉ thị AFP (Alpha-fetoprotein) – một biomarker đặc trưng của ung thư gan. Nghiên cứu tập trung vào việc phát triển công nghệ chế tạo sợi silic nano chất lượng cao, chức năng hóa bề mặt để gắn thụ thể kháng thể đơn dòng AFP, từ đó tạo ra cảm biến có độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong việc phát hiện AFP trong dung dịch mô phỏng huyết thanh.

Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh trong năm 2014, với các quy trình chế tạo và khảo sát tính chất điện của cảm biến Si NW FET. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua khả năng làm chủ công nghệ cảm biến sinh học nano trong nước, giảm phụ thuộc vào thiết bị nhập ngoại, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán sớm ung thư gan, giảm thiểu tỷ lệ tử vong và chi phí điều trị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính:

1. Lý thuyết cảm biến sinh học (Biosensor Theory): Cảm biến sinh học là thiết bị kết hợp yếu tố nhận diện sinh học (enzyme, kháng thể, DNA) với bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) để phát hiện và định lượng chất phân tích. Trong đó, transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng sợi silic nano làm kênh dẫn điện, cho phép chuyển đổi trực tiếp tín hiệu sinh học thành tín hiệu điện.

2. Lý thuyết transistor hiệu ứng trường sợi silic (Si NW FET): Sợi silic nano có kích thước đường kính từ 1-100 nm, với tỷ lệ diện tích bề mặt lớn so với thể tích, làm tăng độ nhạy cảm biến. Khi các phân tử mang điện tích (như AFP) gắn lên bề mặt sợi, chúng ảnh hưởng đến độ dẫn điện của sợi thông qua hiệu ứng trường, làm thay đổi dòng điện qua transistor. Sự thay đổi này được đo lường để xác định nồng độ chất chỉ thị.

Các khái niệm chính bao gồm:

• Biomarker AFP: Glycoprotein đặc trưng cho ung thư gan, có thể phát hiện bằng kháng thể đơn dòng.
• Chức năng hóa bề mặt (Surface Functionalization): Sử dụng hợp chất silane (GPTS) để tạo liên kết cộng hóa trị giữa bề mặt SiO2 tự nhiên và kháng thể AFP, đảm bảo tính đặc hiệu của cảm biến.
• Phương pháp chế tạo top-down: Sử dụng wafer SOI, kỹ thuật quang khắc, ăn mòn khô (DRIE) để tạo sợi silic nano có kích thước và định hướng chính xác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính là các mẫu wafer SOI 4 inch, với lớp Si đơn tinh thể dày 1000 nm, được xử lý tại Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG TP. Hồ Chí Minh. Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

• Chế tạo sợi silic nano: Giảm bề dày lớp Si từ 1000 nm xuống khoảng 100 nm bằng quá trình oxi hóa nhiệt và ăn mòn SiO2. Tiếp theo, pha tạp Bo vùng điện cực để tạo vùng p++ với nồng độ 5×10^18 ion/cm^3. Sử dụng kỹ thuật quang khắc và ăn mòn khô DRIE để tạo sợi silic có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài từ 14 µm đến 40 µm.
• Phủ điện cực Pt/Ti: Phún xạ tạo điện cực với độ dày 150 nm Pt và 10 nm Ti, sau đó gia nhiệt nhanh để tạo tiếp xúc ohmic.
• Chức năng hóa bề mặt: Sử dụng 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) để silane hóa bề mặt SiO2, tạo lớp liên kết cho phép gắn kháng thể đơn dòng AFP làm thụ thể.
• Phân tích tính chất điện: Đo đặc trưng I-V của cảm biến trong môi trường PBS pH 7.4 và dung dịch chứa AFP ở các nồng độ 100 ng/ml và 500 ng/ml.
• Timeline nghiên cứu: Thực hiện trong năm 2014, với các giai đoạn chính gồm chế tạo wafer, xử lý bề mặt, chức năng hóa và đo đạc khảo sát.

Phương pháp chọn mẫu là sử dụng wafer SOI chuẩn, kỹ thuật chọn lọc nhằm đảm bảo đồng nhất kích thước và tính chất sợi silic. Phân tích dữ liệu dựa trên đo dòng điện thay đổi theo thời gian (I-t) và đặc trưng I-V, so sánh sự khác biệt giữa mẫu chuẩn và mẫu có AFP.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Chế tạo thành công sợi silic nano: Sợi silic có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài từ 14 µm đến 40 µm, được tạo ra đồng đều trên wafer với số lượng sợi trong mỗi chip từ 1 đến 5 sợi. Hình ảnh kính hiển vi quang học và SEM xác nhận cấu trúc sợi đồng nhất và định hướng tốt.

2. Tính chất điện của cảm biến: Đặc trưng I-V của cảm biến FET sợi silic thể hiện tiếp xúc ohmic tốt giữa sợi Si và điện cực Pt/Ti. Khi không có điện thế biasing (Vg=0), dòng điện qua sợi ổn định và tuyến tính. Khi thay đổi điện thế bias từ -4V đến 4V, dòng điện thay đổi rõ rệt, chứng tỏ khả năng điều khiển dòng điện hiệu quả.

3. Hiệu quả chức năng hóa bề mặt: Qua khảo sát bằng kính hiển vi huỳnh quang, lớp silane GPTS được gắn trên bề mặt sợi Si sau 16 giờ xử lý cho thấy sự phủ đều và ổn định. Việc chiếu UV và đánh siêu âm giúp tăng cường độ bám dính của lớp silane, từ đó tăng hiệu quả gắn kháng thể AFP.

4. Phát hiện AFP với độ nhạy cao: Đo dòng điện theo thời gian (I-t) cho thấy sự thay đổi dòng điện rõ rệt khi cảm biến tiếp xúc với dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml và 500 ng/ml so với dung dịch PBS chuẩn. Sự chênh lệch dòng điện tăng theo nồng độ AFP, chứng tỏ cảm biến có khả năng định lượng biomarker này với độ nhạy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự thay đổi dòng điện là do hiệu ứng trường từ các phân tử AFP mang điện tích dương khi gắn lên bề mặt sợi silic loại P, làm giảm dòng điện qua sợi. Kết quả này phù hợp với lý thuyết transistor hiệu ứng trường và các nghiên cứu quốc tế về Si NW FET.

So sánh với các nghiên cứu khác, cảm biến chế tạo trong luận văn có độ nhạy tương đương hoặc vượt trội nhờ quy trình chế tạo sợi silic đồng nhất và chức năng hóa bề mặt hiệu quả. Việc sử dụng kháng thể đơn dòng AFP làm thụ thể giúp tăng tính đặc hiệu, giảm nhiễu từ các phân tử khác trong dung dịch.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ I-t thể hiện sự giảm dòng điện theo thời gian khi tiếp xúc với AFP, và bảng so sánh đặc trưng I-V giữa các mẫu chuẩn và mẫu thử. Điều này minh họa rõ ràng khả năng phát hiện biomarker của cảm biến.

Kết quả nghiên cứu góp phần khẳng định tính khả thi của công nghệ Si NW FET trong phát hiện biomarker ung thư gan, mở ra hướng phát triển các bộ kít nano sinh học trong nước, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả chẩn đoán.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Tối ưu hóa quy trình chức năng hóa bề mặt: Đề xuất tăng thời gian silane hóa và áp dụng chiếu UV kết hợp đánh siêu âm để nâng cao độ bám dính của lớp silane, từ đó tăng hiệu quả gắn kháng thể và độ nhạy cảm biến. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu công nghệ nano.

2. Phát triển cảm biến đa chỉ thị sinh học: Mở rộng chức năng cảm biến để phát hiện đồng thời nhiều biomarker như AFP-L3, DCP, GP73 nhằm tăng độ chính xác chẩn đoán ung thư gan. Thời gian thực hiện: 1-2 năm, chủ thể: phòng thí nghiệm và đối tác y sinh.

3. Chuẩn hóa môi trường đo đạc: Xây dựng môi trường chuẩn về pH, nồng độ ion và độ tinh khiết dung dịch để đảm bảo tính nhất quán và khả năng so sánh kết quả giữa các nghiên cứu. Thời gian thực hiện: 6 tháng, chủ thể: nhóm nghiên cứu và phòng thí nghiệm.

4. Ứng dụng công nghệ trong sản xuất bộ kít chẩn đoán: Hợp tác với các doanh nghiệp công nghệ sinh học để chuyển giao công nghệ, sản xuất bộ kít nano sinh học phát hiện AFP phục vụ chẩn đoán lâm sàng trong nước, giảm phụ thuộc thiết bị nhập khẩu. Thời gian thực hiện: 2-3 năm, chủ thể: viện nghiên cứu, doanh nghiệp.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Nhà nghiên cứu công nghệ nano và vật liệu bán dẫn: Luận văn cung cấp quy trình chế tạo sợi silic nano và kỹ thuật chức năng hóa bề mặt, giúp phát triển các linh kiện cảm biến sinh học thế hệ mới.

2. Chuyên gia y sinh và công nghệ sinh học: Thông tin về phát hiện biomarker AFP bằng cảm biến Si NW FET hỗ trợ nghiên cứu và ứng dụng trong chẩn đoán ung thư gan.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị y tế và chẩn đoán: Cơ sở công nghệ để phát triển bộ kít chẩn đoán nhanh, chính xác, giảm chi phí nhập khẩu, nâng cao năng lực sản xuất trong nước.

4. Sinh viên và học viên cao học chuyên ngành vật liệu và linh kiện nano: Tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình chế tạo, phân tích tính chất điện và ứng dụng cảm biến sinh học nano.

Câu hỏi thường gặp

1. Cảm biến Si NW FET hoạt động dựa trên nguyên lý nào?
   Cảm biến sử dụng hiệu ứng trường để chuyển đổi sự tương tác giữa biomarker mang điện tích và bề mặt sợi silic thành tín hiệu điện, thể hiện qua sự thay đổi dòng điện qua transistor.

2. Tại sao chọn AFP làm biomarker trong nghiên cứu?
   AFP là biomarker đặc trưng và phổ biến nhất cho ung thư gan, có độ nhạy và tính đặc hiệu cao, dễ dàng phát hiện bằng kháng thể đơn dòng.

3. Phương pháp chế tạo sợi silic nano nào được sử dụng?
   Phương pháp top-down dựa trên wafer SOI, kết hợp quang khắc và ăn mòn khô DRIE để tạo sợi silic có kích thước và định hướng chính xác.

4. Làm thế nào để chức năng hóa bề mặt sợi silic?
   Sử dụng hợp chất silane GPTS để tạo liên kết cộng hóa trị với lớp SiO2 tự nhiên trên bề mặt sợi, từ đó gắn kháng thể AFP làm thụ thể nhận diện biomarker.

5. Độ nhạy của cảm biến trong phát hiện AFP là bao nhiêu?
   Cảm biến có khả năng phát hiện AFP ở nồng độ từ 100 ng/ml đến 500 ng/ml với sự thay đổi dòng điện rõ rệt, phù hợp với yêu cầu chẩn đoán lâm sàng.

Kết luận

• Đã chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi silic với sợi có kích thước đồng nhất, định hướng tốt.
• Chức năng hóa bề mặt bằng GPTS giúp gắn kháng thể đơn dòng AFP hiệu quả, tăng tính đặc hiệu của cảm biến.
• Cảm biến thể hiện khả năng phát hiện biomarker AFP với độ nhạy cao trong môi trường mô phỏng huyết thanh.
• Nghiên cứu góp phần làm chủ công nghệ cảm biến nano trong nước, mở hướng phát triển bộ kít chẩn đoán ung thư gan.
• Đề xuất tiếp tục tối ưu hóa chức năng hóa bề mặt, phát triển cảm biến đa chỉ thị và ứng dụng sản xuất bộ kít chẩn đoán trong tương lai gần.

Hành động tiếp theo là triển khai các giải pháp đề xuất nhằm nâng cao hiệu quả cảm biến và mở rộng ứng dụng trong thực tế, đồng thời hợp tác chuyển giao công nghệ cho các đơn vị sản xuất thiết bị y tế trong nước.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MỞ ĐẦU Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã đƣợc nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn đang thu hút đƣợc nhiều nguồn lực và ngân sách. Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học đều nhằm phát hiện đƣợc một đối tƣợng sinh học cần phân tích nào đó. Quá trình cảm biến dựa trên một sự gắn kết đặc biệt hoặc phản ứng của chất cần phân tích với một phần tử nhận diện đã đƣợc biết trƣớc. Trong các phƣơng pháp phân tích không phá hủy mẫu, phép phân tích dựa chủ yếu vào sự thay đổi tính chất vật lý của cảm biến khi có sự bắt cặp giữa chất phân tích và chất thử hoặc có sản phẩm mới tạo thành.

Nhu cầu khoa học ngày nay, không những yêu cầu phải phát hiện một chất phân tích đặc biệt nào đó mà đòi hỏi phân tích tổng hợp cùng lúc nhiều yếu tố khác nhau. Vì thế yêu cầu tích hợp một lƣợng lớn các cảm biến trong một quy trình phân tích tối ƣu là một đòi hỏi thiết thực. Trong nền công nghệ máy vi tính, một thành tựu đột phá là sự chế tạo thành công mạch tích hợp, gồm các transitor đƣợc chế tạo đồng thời và kết hợp lại với nhau trong một con chíp duy nhất. Tƣơng tự với mô hình trong công nghệ máy tính, nhiều cảm biến sinh học khác nhau dựa trên cấu trúc transitor, có khả năng phát hiện đồng thời nhiều chất cần phân tích khác nhau, đƣợc chế tạo đồng thời với nhiều transitor tích hợp lại thành một đơn chíp có thể phát hiện đồng thời nhiều thông số mong muốn.

Để thực hiện quá trình cảm biến, các transitor trong một chíp cần có một bộ phận chuyển đổi tính hiệu từ các quá trình phản ứng sinh hóa, các quá trình bắt cặp đặc biệt của chất phân tích thành tín hiệu điện có thể ghi nhận đƣợc. Chính vì có mối liên hệ này đòi hỏi ta phải nghiên cứu sự đáp ứng của chất bán đẫn, chất chính yếu trong công nghệ máy tính, với môi trƣờng sinh hóa xung quanh nó. Tại bề mặt của chất bán dẫn, điện tích xuất hiện do thế điện của các phân tử lận cận gây ra. Điện tích này ảnh hƣởng đến độ dẫn của chất bán dẫn.

Sự thay đổi về độ dẫn điện của chất bán dẫn có thể dễ dàng đo đƣợc bằng cách bố trí hợp lý các hệ đo điện có độ chính xác cao. Transitor có cấu tạo gồm ba điện cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng. Bằng cách thay đổi điện thế cực cổng có thể tăng hoặc giảm điện tích chạy qua cực nguồn và cực máng. Transitor với tính chất nhƣ thế gọi là transitor hiệu ứng trƣờng (Field Effect 11 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Transistor-FET).

Dòng điện trong transitor với một hiệu điện thế không đổi có thể đƣợc điều khiển bằng thay đổi điện áp vào cực cổng, ngoài ra còn có thể bởi các điện tích của các thành phần hóa học tại bề mặt chất bán dẫn. Những yêu cầu của loại transitor ứng dụng làm cảm biến sinh học này khác so với loại dùng trong các mạch logic của máy tính. Chất bán dẫn, làm bộ phận cảm biến của transitor, phải đƣợc để lộ ra trong môi trƣờng chứa chất phân tích. Bộ phận cảm biến này phải đủ nhỏ và phải có diện tích bề mặt lớn để làm bộ phận cảm biến thông qua hiệu ứng bề mặt.

Vì độ chính xác phụ thuộc tỉ lệ điện tích bề mặt so với tổng điện tích. Dựa trên các yêu cầu đó transitor hiệu ứng trƣờng dùng sợi silic là một lựa chọn tốt nhất, vì chúng là chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm các transitor trong công nghệ máy tính từ lâu, nên công nghệ chế tạo mạch tích hợp từ các transitor dùng silic là một lợi thế lớn. Kể từ khi transitor hiệu ứng trƣờng sợi Silic (Si NW FET) đƣợc chế tạo và ứng dụng làm cảm biến sinh học vào 2001 bởi Y Cui (http://www.edu/group/cui_group/) và Lieber (http://cmliris.edu/), ngoài ra Si NW FET đã thu hút sự nhiều nhóm nghiên và viện nghiên cứu trên thế giới: Peidong Yang: http://www.edu/pdygrp/main.html; Health group- Caltech: http://www.edu/~heathgrp/Publications.html#; Viện Công Nghệ Nano MESA http://www.nl/; Viện nghiên cứu A-star Singapore: http://www.sg; Autralia Research Council: http://www.au/; Đại học KTH Thụy Điển http://www.se; Nanosens: http://www.htm Vì cảm biến Si NW FET là một thiết bị hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng từ quản lý sức khỏe đến nghiên cứu thuốc. Thiết bị đã chứng tỏ khả năng phát hiện nhiều chất phân tích khác nhau, nhƣ chuỗi DNA, các biomaker của ung thƣ, các thụ thể lớn hơn nhƣ virus.

Chúng cũng đƣợc dùng kiểm soát hoạt tính các enzyme và nghiên cứu về cơ chế của các phân tử thuốc tiềm năng. Phát hiện các chất phân tích với độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong một thời gian hợp lý là một lợi thế đang dần thành hiện thực của Si NW FET. 12 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Ung thƣ gan là một trong những loại ung thƣ nhiều nhất trên thế giới, và là ung thƣ có tỉ lệ tử vong cao nhất ở nam giới. Với số lƣợng bệnh nhân rất lớn đang cần phải phân tích mẫu phẩm thƣờng xuyên để phục vụ công đoạn điều trị, cộng với khoảng trên 10000 ca mắc mới mỗi năm, thêm vào đó là số lƣợng khổng lồ trên 10 triệu ngƣời bị nhiễm siêu vi B và siêu vi C (là những đối tƣợng có khả năng bị ung thƣ gan cao, cần đƣợc đi khám định kì) đang tạo ra một nhu cầu rất lớn về phân tích kiểm tra các chỉ thị ung thƣ gan trong máu để chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan.

Nhƣng đến thời điểm này, có thể nói rằng tất cả các cơ sở khám và chữa bệnh trong nƣớc hiện đang phải sử dụng các thiết bị, máy móc và công nghệ nhập ngoại để thực thi các công việc này. Việc không làm chủ đƣợc công nghệ nguồn, không chế tạo đƣợc các bộ KÍT để phân tích định tính và định lƣợng các chỉ thị sinh học của ung thƣ gan đã và đang hạn chế rất nhiều đến khả năng chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan. Do đó, việc nghiên cứu, làm chủ công nghệ, chế tạo thành công bộ kít nano sinh học phục vụ cho việc phát hiện với độ nhạy cao các chỉ thị ung thƣ gan, phục vụ chẩn đoán ung thƣ gan với độ chính xác cao là hết sức cần thiết, và vì thế đƣợc xác định là đối tƣợng nghiên cứu chính của đề tài nghiên cứu này. Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc Si W FET để phát hiện các chất chỉ thị sinh học của gan.

Nhƣng vì đây là một đề tài có liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ vật liệu, vật lý, hóa học, sinh học và y học. Đồng thời trên thế giới nó là lĩnh vực mới nên cũng chƣa có kết quả để đối chiếu. Do đó nhiệm vụ ban đầu là chế tạo thành công chíp Si W FET, sau đó ứng dụng phát hiện các chất chỉ thị trong ung thƣ gan trong dung dịch nuôi cấy với nồng độ các chất chỉ thị sinh học cao để đánh giá tính chất, khả năng phát hiện của chíp chế tạo đƣợc. 13 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] CHƢƠNG I: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học 1.1 Khái niệm cảm biến sinh học Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) với bộ chuyển đổi (transducer) tạo ra tín hiệu tƣơng ứng với nồng độ chất cần phân tích (Hình 1.

Tín hiệu này có thể đƣợc sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các khí nhƣ NH3 hay O2, hoặc do hiện tƣợng phản xạ, hấp thu, phát xạ, tỏa nhiệt, những thay đổi về khối lƣợng, v. Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô, v. Bộ chuyển đổi (transducer) sẽ chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo đƣợc nhƣ dòng điện, điện thế, sự thay đổi nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lƣợng bằng phƣơng pháp điện hóa, nhiệt, quang, hay áp điện. Nhìn chung về nguyên tắc, phân tử nhận diện có thể kết hợp với bộ chuyển đổi phù hợp để tạo ra cảm biến sinh học có thể hoạt động đƣợc.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học 1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học Trong hơn 50 năm qua, số lƣợng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị.

Nhiều nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành khác nhau đều tham gia lĩnh vực này, từ hóa học tới vật lý, vi sinh vật học, và cả kỹ thuật điện. Khái niệm cảm biến sinh học đã đƣợc đƣa ra cách đây hơn bốn thập niên. Theo Malhotra (2003), cảm biến sinh học đã trải qua những mốc lịch sử quan trọng, đánh dấu những bƣớc phát triển rõ rệt. Giáo sƣ Clark là cha đẻ của khái niệm cảm biến sinh học khi công bố nghiên cứu về điện cực oxy (oxygen electrode) vào năm 1956.

Năm 1962, tại hội nghị diễn ra 14 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] ở New York, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase (GOX) đƣợc “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy. Khi nồng độ glucose trong môi trƣờng giảm, nồng độ oxy trên bề mặt điện cực cũng giảm tƣơng ứng. Tuy nhiên mối quan tâm về cảm biến sinh học chỉ thực sự gia tăng kể từ khi Updike và Hicks (1967) dùng thuật ngữ “điện cực enzyme” để mô tả một thiết bị tƣơng tự, trong đó enzyme GOX đƣợc giữ trong một lớp gel polyacrylamide gắn trên bề mặt điện cực oxy để phát hiện và định lƣợng nhanh glucose. Thí nghiệm này đánh dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và môi trƣờng.

Guilbault và Montalvo (1969) sử dụng điện cực thủy tinh kết hợp với enzyme để đo nồng độ urea bằng phƣơng pháp đo điện thế. Hầu hết các nghiên cứu về các cảm biến sinh học enzyme lúc bấy giờ đều tập trung vào cảm biến theo dõi glucose trong máu dựa vào phƣơng pháp đo dòng. Các cảm biến sinh học đo dòng đƣợc chia làm ba thế hệ. Thế hệ cảm biến đầu tiên đƣợc đề nghị bởi Clark và Lyons và đƣợc Updike và Hicks bổ sung khi sử dụng thuật ngữ “điện cực enzyme”.

Rechnitz và cộng sự (1971) đã phát triển một cảm biến kết hợp điện cực chọn lọc ion (Ion Selective Electrode - ISE) với betaglucosidase để tạo ra benzaldehyde và cyanide.