Nghiên Cứu Thiết Kế Vi Cân Thạch Anh (QCM) và Ứng Dụng Trong Cảm Biến Sinh Học

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo linh kiện vi cân tinh thể thạch anh cho cảm biến sinh học, mở ra hướng đi mới trong công nghệ sinh học.

• Tác giả: ThS. Ngô Võ Kế Thành
• Trường học: Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cảm Biến Sinh Học
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế và Ứng Dụng Vi Cân Thạch Anh (QCM) Trong Cảm Biến Sinh Học
• Loại tài liệu: Đề Tài Nghiên Cứu
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Vi Cân Thạch Anh QCM và Cảm Biến Sinh Học Tổng Quan 55kt

Vi Cân Thạch Anh (QCM) là một linh kiện điện tử quan trọng, ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong khoa học, y sinh học và nhiều lĩnh vực khác. Bản chất của QCM nằm ở khả năng dao động ở tần số cộng hưởng, một đặc tính thay đổi khi khối lượng trên bề mặt tinh thể thay đổi. Cảm biến sinh học sử dụng QCM tận dụng sự thay đổi tần số này để phát hiện các phân tử sinh học mục tiêu, ví dụ như protein, DNA, vi khuẩn, hoặc virus. Nguyên lý hoạt động dựa trên sự tương tác đặc hiệu giữa các phân tử mục tiêu và một lớp phủ nhạy cảm được cố định trên bề mặt QCM. Nghiên cứu và phát triển QCM tập trung vào việc tăng độ nhạy, tính chọn lọc và độ ổn định của cảm biến, cũng như mở rộng phạm vi ứng dụng của chúng. (Nguồn: Báo cáo nghiệm thu đề tài "Thiết kế và Chế tạo thử nghiệm linh kiện vi cân tinh thể thạch anh (Quartz Crystal Microbalance-QCM) ứng dụng trong cảm biến sinh học")

1.1. Nguyên Lý Hoạt Động Của Vi Cân Thạch Anh QCM

Vi Cân Thạch Anh (QCM) hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện của tinh thể thạch anh. Khi đặt điện áp xoay chiều vào hai điện cực, tinh thể dao động ở tần số cộng hưởng. Tần số này cực kỳ nhạy cảm với sự thay đổi khối lượng trên bề mặt. Theo phương trình Sauerbrey, sự thay đổi tần số tỉ lệ thuận với sự thay đổi khối lượng. Do đó, QCM có thể được sử dụng để đo lường những thay đổi khối lượng cực nhỏ, thậm chí ở mức nanogram. Sự thay đổi tần số này được sử dụng để phân tích định lượng các chất được phát hiện, từ đó đánh giá nồng độ hoặc hàm lượng chất đó trong mẫu.

1.2. Ứng Dụng Tiềm Năng Của Cảm Biến Sinh Học QCM

Cảm biến sinh học dựa trên QCM có tiềm năng ứng dụng to lớn trong nhiều lĩnh vực. Trong ứng dụng y sinh, chúng có thể được sử dụng để phát hiện sớm các bệnh truyền nhiễm, chẩn đoán ung thư, hoặc theo dõi hiệu quả điều trị. Trong ứng dụng môi trường, chúng có thể được sử dụng để giám sát chất lượng nước, phát hiện các chất ô nhiễm, hoặc theo dõi sự phát triển của vi sinh vật. Trong ứng dụng thực phẩm, chúng có thể được sử dụng để phát hiện các chất gây dị ứng, kiểm tra an toàn thực phẩm, hoặc xác định nguồn gốc thực phẩm. Cuối cùng, trong lĩnh vực dược phẩm, QCM có thể được dùng trong phát triển thuốc.

II. Thách Thức Thiết Kế QCM Độ Nhạy và Tính Chọn Lọc 58kt

Mặc dù QCM có nhiều ưu điểm, việc thiết kế cảm biến sinh học dựa trên QCM vẫn còn nhiều thách thức. Một trong những thách thức lớn nhất là làm thế nào để tăng độ nhạy cảm biến. Độ nhạy càng cao, QCM càng có thể phát hiện được nồng độ chất phân tích càng thấp. Thêm vào đó, việc nâng cao tính chọn lọc cảm biến là rất quan trọng, đảm bảo rằng QCM chỉ phản ứng với chất phân tích mục tiêu và không bị ảnh hưởng bởi các chất khác trong mẫu. Ngoài ra, độ ổn định cảm biến cũng là một yếu tố quan trọng, đảm bảo rằng QCM có thể hoạt động ổn định trong thời gian dài và trong các điều kiện môi trường khác nhau.

2.1. Các Yếu Tố Ảnh Hưởng Độ Nhạy Của Cảm Biến QCM

Độ nhạy của cảm biến QCM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm: tần số cơ bản của tinh thể thạch anh, đặc tính của lớp phủ cảm biến, và điều kiện đo. Tần số cơ bản càng cao, độ nhạy càng cao, nhưng đồng thời cũng làm tăng độ nhiễu. Lớp phủ cảm biến phải có khả năng tương tác đặc hiệu với chất phân tích mục tiêu. Ngoài ra, các yếu tố như nhiệt độ, độ ẩm, và độ nhớt của môi trường cũng có thể ảnh hưởng đến độ nhạy.

2.2. Tăng Tính Chọn Lọc Của Cảm Biến QCM Với Vật Liệu Phủ

Để tăng tính chọn lọc, các vật liệu cảm biến phải có khả năng nhận diện và liên kết đặc hiệu với chất phân tích mục tiêu. Các vật liệu này có thể là kháng thể, DNA, protein, hoặc các phân tử nhỏ khác. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp là rất quan trọng. Ví dụ, sử dụng kháng thể có ái lực cao với chất phân tích mục tiêu có thể giúp tăng tính chọn lọc đáng kể. Ngoài ra, việc sử dụng các kỹ thuật in ấn hoặc khắc nano có thể giúp tạo ra các cấu trúc lớp phủ cảm biến có khả năng liên kết đặc hiệu với chất phân tích mục tiêu.

III. Phương Pháp Thiết Kế QCM Nâng Cao Độ Nhạy Phân Tích FEM 55kt

Để giải quyết các thách thức trong thiết kế QCM, các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều phương pháp khác nhau. Một trong những phương pháp phổ biến nhất là sử dụng phân tích phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng và tối ưu hóa thiết kế QCM. FEM cho phép các nhà nghiên cứu dự đoán hiệu suất của QCM trong các điều kiện khác nhau và tối ưu hóa các thông số thiết kế như hình dạng, kích thước, và vật liệu của tinh thể thạch anh. Bên cạnh đó, việc sử dụng các màng mỏng có cấu trúc nano cũng là một hướng đi đầy hứa hẹn. Các màng mỏng có cấu trúc nano có diện tích bề mặt lớn và khả năng tương tác cao với chất phân tích mục tiêu, giúp tăng độ nhạy của QCM.(Nguồn: Báo cáo nghiệm thu)

3.1. Mô Phỏng Tính Chất Cơ Điện Của QCM Bằng ANSYS và MATLAB

Việc mô phỏng bằng phần mềm như ANSYS giúp xác định thông số và cấu trúc phù hợp cho tần số cộng hưởng mong muốn (ví dụ: 5MHz). MATLAB được sử dụng để mô phỏng tính chất điện, so sánh với kết quả đo thực tế để đánh giá quá trình chế tạo QCM. Mục tiêu là tối ưu hóa hình dạng và kích thước của QCM cho ứng dụng cụ thể.

3.2. Tối Ưu Hóa Thiết Kế Điện Cực và Cấu Trúc Lớp Phủ Cảm Biến

Thiết kế điện cực đóng vai trò quan trọng trong hiệu suất của QCM. Các thông số như kích thước, hình dạng, và vật liệu của điện cực cần được tối ưu hóa để đảm bảo hiệu quả truyền năng lượng và khả năng tương tác với chất phân tích mục tiêu. Sử dụng các màng mỏng cũng là một cách tiếp cận hiệu quả. Nghiên cứu về sử dụng các màng mỏng polymer để tăng độ nhạy và tính chọn lọc của QCM.

IV. Ứng Dụng QCM Phát Hiện Vi Khuẩn E

Một trong những ứng dụng thực tiễn quan trọng của cảm biến sinh học QCM là phát hiện vi khuẩn E.Coli. E.Coli là một loại vi khuẩn phổ biến có thể gây ra các bệnh tiêu chảy và các bệnh nhiễm trùng nghiêm trọng khác. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác E.Coli là rất quan trọng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng. Trong một nghiên cứu, các nhà nghiên cứu đã phát triển một cảm biến QCM có khả năng phát hiện E.Coli với độ nhạy cao và tính chọn lọc tốt. Cảm biến này sử dụng một lớp phủ nhạy cảm chứa kháng thể đặc hiệu với E.Coli. Khi E.Coli có mặt trong mẫu, nó sẽ liên kết với kháng thể, làm thay đổi tần số cộng hưởng của QCM, từ đó cho phép phát hiện sự có mặt của E.Coli. (Nguồn: Báo cáo nghiệm thu)

4.1. Quy Trình Chế Tạo Cảm Biến QCM Phát Hiện E.Coli

Quy trình bao gồm các bước chính: (1) Chế tạo QCM với tần số cộng hưởng phù hợp; (2) Phủ một lớp màng mỏng lên bề mặt QCM để tạo ra bề mặt tương tác sinh học; (3) Gắn kháng thể đặc hiệu với E.Coli lên màng mỏng; (4) Kiểm tra và đánh giá hiệu suất của cảm biến.

4.2. Kết Quả Kiểm Tra E.Coli Với Cảm Biến QCM Tự Chế Tạo

Kết quả nghiên cứu đã cho thấy cảm biến QCM có khả năng phát hiện E.Coli ở nồng độ thấp, cho thấy tiềm năng lớn của QCM trong phát hiện nhanh và chính xác E.Coli. Kết quả đo cho thấy có sự thay đổi tần số cộng hưởng của linh kiện QCM khi tiếp xúc với E.Coli với 3 nồng độ khác nhau: 10^6, 10^4, và 10^2 cfu/ml. Cụ thể, tần số giảm lần lượt 33Hz, 17Hz và 7Hz cho từng nồng độ tương ứng.

V. Vật Liệu và Công Nghệ Mới Cho QCM Tương Lai Cảm Biến 55kt

Hướng phát triển nghiên cứu khoa học tập trung vào công nghệ cảm biến bằng cách sử dụng các vật liệu cảm biến mới và các phương pháp phát hiện tiên tiến. Ví dụ, việc sử dụng các vật liệu nano như dung dịch nano Au (GNPs) có thể giúp tăng diện tích bề mặt và khả năng tương tác của QCM, từ đó tăng độ nhạy của cảm biến. Ngoài ra, việc kết hợp QCM với các kỹ thuật khác như phân tích điện hóa hoặc phân tích quang học có thể giúp tăng tính chọn lọc và độ chính xác của cảm biến. (Nguồn: Báo cáo nghiệm thu)

5.1. Sử Dụng Hạt Nano Vàng GNPs Tăng Độ Nhạy Cảm Biến

Dung dịch nano Au (GNPs) có diện tích bề mặt lớn và khả năng liên kết với nhiều loại phân tử sinh học, giúp tăng khả năng phát hiện và độ nhạy của QCM. Việc gắn kết kháng thể lên hạt nano vàng giúp tăng hiệu quả phát hiện vi khuẩn E.coli. Báo cáo này sử dụng nano Au với kích thước 30nm, 60nm, 90nm để gắn kháng thể.

5.2. Kết Hợp QCM Với Các Phương Pháp Phân Tích Tiên Tiến

Việc tích hợp QCM với các kỹ thuật phân tích điện hóa hoặc phân tích quang học có thể tạo ra các cảm biến đa chức năng với độ nhạy và tính chọn lọc cao hơn. Ví dụ, việc sử dụng QCM kết hợp với phân tích điện hóa có thể giúp phát hiện các phản ứng điện hóa xảy ra trên bề mặt QCM, từ đó cung cấp thêm thông tin về chất phân tích mục tiêu.

VI. Kết Luận và Triển Vọng QCM Cảm Biến Sinh Học Tương Lai 57kt

Vi Cân Thạch Anh (QCM) là một công nghệ đầy tiềm năng cho phát triển cảm biến sinh học với nhiều ứng dụng y sinh, ứng dụng môi trường, và ứng dụng thực phẩm. Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, các nghiên cứu và phát triển liên tục trong lĩnh vực này đang mở ra những cơ hội mới cho việc tạo ra các cảm biến QCM hiệu quả hơn, nhạy cảm hơn, và chọn lọc hơn. Trong tương lai, có thể kỳ vọng thấy sự xuất hiện của các cảm biến QCM có khả năng phát hiện nhiều loại bệnh và chất ô nhiễm khác nhau, góp phần bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường.

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về QCM Cảm Biến

Tổng kết lại, các nghiên cứu đã chứng minh tiềm năng của QCM trong việc phát hiện các chất sinh học khác nhau, từ protein, DNA, đến vi khuẩn và virus. Việc phát triển các phương pháp thiết kế và chế tạo QCM tiên tiến, cùng với việc sử dụng các vật liệu cảm biến mới, đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của QCM.

6.2. Hướng Nghiên Cứu và Phát Triển QCM Trong Tương Lai

Hướng nghiên cứu trong tương lai tập trung vào: (1) Phát triển các cảm biến QCM đa chức năng có khả năng phát hiện nhiều chất phân tích mục tiêu cùng một lúc; (2) Tích hợp QCM với các hệ thống phân tích tự động để tạo ra các thiết bị phân tích nhanh chóng và dễ sử dụng; (3) Ứng dụng QCM trong các lĩnh vực mới như ứng dụng dược phẩm và ứng dụng công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: TỔNG QUAN 1.1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU THUỘC LÃNH VỰC ĐỀ TÀI 1.1 Ngoài nước Vào cuối những năm 50 của thế kỷ XX đã xuất hiện một cuộc cách mạng về công nghệ micro. Cuộc cách mạng này đã mang đến cho các ngành công nghiệp một cơ hội phát triển mới có tính chất toàn diện. Trong giai đoạn phát triển này đã có rất nhiều loại vật liệu được phát hiện và nghiên cứu hướng tới ứng dụng trong công nghiệp. Một trong số đó chính là vật liệu tinh thể thạch anh ứng dụng chế tạo linh kiện vi cân tinh thể, có tên tiếng anh là Quartz Crystal Microbalance (QCM).

Linh kiện QCM này được sử dụng rộng rãi như một thiết bị có khả năng xác định được sự thay đổi về khối lượng cỡ picogram/cm2 thông qua sự thay đổi tần số cộng hưởng của tinh thể thạch anh [2]. Đặc biệt, linh kiện này có thể hoạt động được trong môi trường chất lỏng và khí [3, 4]. Do vậy, nó đã thu hút được sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học trên thế giới trong rất nhiều lĩnh vực của đời sống. Một trong những linh vực đang được quan tâm nghiên cứu nhiều nhất hiện nay chính là khả năng ứng dụng làm cảm biến sinh học nhằm phát hiện các virus, bệnh hiểm nghèo trong thời gian ngắn với độ nhạy và độ chính xác cao hơn so với một số thiết bị cảm biến đang được sử dụng rộng rãi [2].

Ngô Võ Kế Thành 4 TS. Dương Minh Tâm Báo cáo cuối kỳ ICDREC - SHTP Hình 1. Cấu trúc hình học và mode dao động trượt của QCM [2].1 trình bày cấu trúc hình học và các mode dao động của linh kiện QCM Linh kiện QCM bao gồm một phiến tinh thể thạch anh loại AT- hoặc BT-cut với hai điện cực kim loại trên hai bề mặt của phiến. Khi điện cực này tiếp xúc với bộ dao động hoặc được đặt điện áp xoay chiều thì tinh thể thạch anh sẽ sinh ra biến dạng trượt theo bề dày tinh thể.

Kết quả của biến dạng là tạo ra sóng âm TSM (Thickness Shear Mode) theo bề dày tinh thể. Dao động của tinh thể sẽ cộng hưởng khi bề dày tinh thể bằng bội số lẻ lần nửa bước sóng âm. Tại tần số này, tồn tại một sóng dừng dọc theo bề dày tinh thể [5, 6] (hình 1. Thông thường thì dao động này rất ổn định và phụ thuộc nhiều vào hệ số phẩm chất Q của linh kiện.

Mặt khác các nghiên cứu cũng cho thấy rằng với loại tinh thể thạch anh dạng AT-cut thể hiện tính chất áp điện rõ rệt nhất và mạnh nhất so với các loại khác, đặc biệt nó có tính ổn định nhiệt cao khi hoạt động. Do vậy, loại phiến AT-cut thường được sử dụng trong bộ điều khiển tần số và chế tạo cảm biến [6]. Ngô Võ Kế Thành 5 TS. Dương Minh Tâm Báo cáo cuối kỳ ICDREC - SHTP Điện cực trên Phiến AT Sự dịch chuyển Điện cực dưới Hình 1.

Mode sóng cơ bản của QCM [5].1) 2 N Vq vq fN  N (1.2)  2d Trong đó: N được gọi là bậc của mode dao động, d : chiều dày tinh thể (µm),  : bước sóng (m), q= 3320m/s: vận tốc sóng âm trong tinh thể thạch anh loại AT- cut. Tần số f 0 ứng với N=1 gọi là tần số đặc trưng của sóng âm, được xem là tần số bậc mode cơ bản của tinh thể: vq f0  (1.3) 2d Năm 1959, Sauerbrey đã phát hiện ra mối liên hệ giữa sự dịch chuyển tần số dao động của tinh thể Quartz với sự thay đổi khối lượng trên một đơn vị diện tích bể mặt của nó. Công trình trở thành nền tảng trong việc chế tạo và sử dụng linh kiện QCM như một vi cân. Mối liên hệ giữa độ dịch tần số của linh kiện với sự thay đổi khối lượng trên bề mặt điện cực được trình bày theo phương trình Sauerbrey [7]: 2.

Ngô Võ Kế Thành 6 TS. Dương Minh Tâm Báo cáo cuối kỳ ICDREC - SHTP Trong đó, Δf là độ dịch tần số, f0 tần số cộng hưởng cơ bản của tinh thể; Δm sự thay đổi khối lượng trên một đơn vị diện tích của linh kiện (g/cm2); A là diện tích làm việc của linh kiện; khối lượng riêng của tinh thể Quartz ρp=2,648g/cm3; và modun biến dạng của tinh thể Quartz µp = 2,947. Tuy nhiên, phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho một số trường hợp trong đó khối lượng thêm vào (1) không lắng đọng cố định trên bề mặt điện cực; (2) trượt trên bề mặt của điện cực hoặc (3) không lắng đọng đồng đều trên bề mặt điện cực. Vì vậy phương trình Sauerbrey không áp dụng được cho trường hợp trong đó sự hấp thụ của khối lượng trên bề mặt điện cực không tạo ra một lớp bám dính cố định, đồng đều và mỏng trên bề mặt điện cực của linh kiện QCM.

Do vậy, phương trình Sauerbrey chủ yếu áp dụng trong trường hợp linh kiện sử dụng để phát hiện và đo đạc sự thay đổi khối lượng ở trạng thái khí. Hay nói cách khác nó được ứng dụng chế tạo các cảm biến nhạy khí. Tuy nhiên, cho đến năm 1980 các nhà khoa học phát hiện ra rằng tần số dao động của linh kiện đặc biệt ổn định khi linh kiện được nhúng hoàn toàn vào trong dung dịch. Nhóm tiên phong trong việc nghiên cứu hoạt động của linh kiện này trong môi trường dung dịch là nhóm của giáo sư Kanazawa.

Nhóm nghiên cứu này chỉ ra rằng sự thay đổi tần số cộng hưởng của linh kiện QCM trong trường hợp này tỷ lệ căn bậc hai của khối lượng riêng và độ nhớt của dung dịch [8]:  L L  f   f u3 / 2 (1.(  q  q ) Trong đó, Δf là độ dịch tần số, fu tần số cộng hưởng của tinh thể trong chế độ không tải; ρL là khối lượng riêng của dung dịch; ηL hệ số nhớt của dung dịch; khối lượng riêng của tinh thể Quartz ρp=2,648g/cm3; và modun biến dạng của tinh thể Quartz µ p = 2,947. Đây chính là cơ sở cho các ứng dụng của QCM trong việc xác định mật độ cũng như độ nhớt của môi trường. Mô hình và công nghệ chế tạo cảm biến sinh học đầu tiên được hai nhà khoa học Clark và Lyons đưa ra vào năm 1962. Mô hình của cảm biến sinh học này bao gồm điện cực oxy hóa trên đó cố định thành phần sinh học enzyme glucose.

Khi mật độ ThS. Ngô Võ Kế Thành 7 TS. Dương Minh Tâm Báo cáo cuối kỳ ICDREC - SHTP glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxy hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Sự thay đổi này cho phép xác định chính xác nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra.

Năm 1975 công ty Yellow Springs Instrument (Ohio) lần đầu tiên biến ý tưởng của Clark thành hiện thực thông qua việc thương mại hóa các cảm biến sinh học. Sản phẩm đầu tiên là thiết bị phân tích glucose dựa trên hydrogen peroxide và đó cũng là cột mốc đầu tiên đánh dấu sự xuất hiện của các cảm biến sinh học trong đời sống [10]. Cũng chính vì sự xuất hiện cũng như ưu điểm của loại cảm biến này đã thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của các nhà khoa học trong nhiều ngành nghiên cứu như vật lý, hóa học, hóa sinh, sinh học phân tử và khoa học vật liệu. Do vậy công nghệ chế tạo cảm biến sinh học phát triển mạnh mẽ với độ ổn định và tính tin cậy cao.

Hơn nữa phạm vi ứng dụng của các cảm biến này ngày càng đa dạng và phong phú. Theo đánh giá điều tra hàng năm của tổ chức quốc tế thì số tiền chi cho việc nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học đạt 300 triệu USD[9]. Từ năm 1984 đến năm 1990 đã có khoảng 3000 báo cáo khoa học và khoảng 200 bằng sáng chế trong lĩnh vực ứng dụng cảm biến sinh học. Từ năm 1991 đến năm 1997, số lượng báo cáo khoa học cũng tương tự như trong giai đoạn từ năm 1984 đến 1990 (khoảng 3300 báo cáo khoa học).

Tuy nhiên số lượng bằng sáng chế tăng lên đến con số 400. Đặc biệt hơn nữa, từ năm 1998 đến năm 2008, số lượng báo cáo khoa học và bằng sáng chế tăng lên đến con số kỷ lục: hơn 10,000 bài báo và gần 2000 bằng sáng chế[10]. Điều này cho thấy khả năng phát triển mạnh mẽ trong tương lai của các hoạt động nghiên cứu và chế tạo cảm biến sinh học ứng dụng trong tất cả lĩnh vực của đời sống và khoa học sản xuất của loài người. Như chúng ta đã biết, cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzyme, các kháng thể…để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hóa chất thông qua các phản ứng sinh-hóa có độ tin cậy chính xác 100%.

Do vậy, có thể nói độ chính xác cũng như độ nhạy của cảm biến sinh học phụ thuộc mạnh mẽ vào quá trình chuyển đổi từ tín hiệu sinh học sang tín hiệu có thể cân đo được. Bộ phận có tác dụng chuyển đổi ThS. Ngô Võ Kế Thành 8 TS. Dương Minh Tâm Báo cáo cuối kỳ ICDREC - SHTP này được gọi là Transducer, đây là bộ phận quan trọng nhất của cảm biến.

Cho đến nay đã có rất nhiều công nghệ được nghiên cứu, hoàn thiện và đưa vào ứng dụng chế tạo cảm biến. Trong số đó chuyển đổi bằng tinh thể áp điện là một trong những công nghệ mới thu hút được sự quan tâm nghiên cứu của nhiều nhà khoa học cũng như các hãng sản xuất [10]. Nguyên lý hoạt động cơ bản của chuyển đổi này chính là dựa vào sự suy giảm tần số cộng hưởng của tinh thể áp điện dao động kiểu mode trượt bề dày khi có sự gia tăng khối lượng của màng lắng đọng trên bề mặt tinh thể. Do vậy transducer của cảm biến sinh học áp dụng dạng chuyển đổi này được xem như linh kiện vi cân tinh thể (Quartz Crystal Microbalance-QCM).

Cảm biến sinh học trên cơ sở linh kiện QCM (cảm biến QCM) tính đến thời điểm này còn khá mới mẻ. Nó mới chỉ được manh nha nghiên cứu từ năm 1997 và phát triển mạnh vào khoảng từ những năm 2004-2008. Cảm biến QCM có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogram), thời gian phản ứng nhanh (có thể coi là real-time), khả năng cơ động cao và đặc biệt hơn nữa là nó có thể hoạt động cả trong môi trường lỏng và môi trường khí. Vi cân tinh thể thạch anh QCM và hệ đo QCM200[9].