Luận văn thạc sĩ: Nghiên cứu chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon

Luận văn thạc sĩ nghiên cứu chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon, chuyên ngành vật liệu và linh kiện nano.

• Tác giả: Nguyễn Văn Quốc
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ
• Đề tài: Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2010
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor)
• 1.2. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors)
• 2. CHƯƠNG 2: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON
• 2.1. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon
• 2.2. Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA
• 2.2.1. Công nghệ quang khắc
• 2.2.2. Công nghệ ăn mòn thẳng đứng
• 2.2.3. Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng
• 2.2.4. Kỹ thuật ăn mòn dị hướng màng kim loại
• 3. CHƯƠNG 3: CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƯƠNG PHÁP DEA VÀ KẾT QUẢ CHẾ TẠO
• 3.1. Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA
• 3.2. Kết quả chế tạo
• 3.2.1. Kích thước và tính chất bề mặt
• 3.2.2. Tính chất điện
• 4. CHƯƠNG 4: KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN
• 4.1. Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs
• 4.1.1. Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi có lớp SiO2
• 4.1.2. Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO2
• 4.2. Định lượng DNA bằng cảm biến sinh học Si-NWs
• 4.2.1. Ly trích DNA của bắp chuyển gene
• 4.2.2. Phát hiện bắp chuyển gen bằng cảm biến Si-NWs
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon

Cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon đang trở thành một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong khoa học và công nghệ. Những cảm biến này có khả năng phát hiện các phân tử sinh học với độ nhạy cao, nhờ vào cấu trúc nano độc đáo của chúng. Cảm biến sinh học (biosensor) 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. Cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon có thể được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như y học, môi trường và thực phẩm.

1.1. Định nghĩa và nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, kháng thể để phát hiện và đo đạc hóa chất. Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học dựa trên sự thay đổi điện trở hoặc tín hiệu điện khi có sự tương tác giữa các phân tử sinh học và bioreceptor trên bề mặt cảm biến.

1.2. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học đã có lịch sử phát triển từ những năm 1950, với những nghiên cứu đầu tiên của D. Clark về điện cực oxy hóa. Qua nhiều thập kỷ, công nghệ cảm biến đã tiến bộ vượt bậc, đặc biệt là với sự phát triển của công nghệ nano, cho phép chế tạo các cảm biến với độ nhạy cao hơn.

II. Vấn đề và thách thức trong nghiên cứu cảm biến sinh học

Mặc dù cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon có nhiều ưu điểm, nhưng vẫn tồn tại một số thách thức trong việc phát triển và ứng dụng chúng. Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến là hai yếu tố quan trọng cần được cải thiện. Ngoài ra, việc chế tạo và tối ưu hóa quy trình sản xuất cũng là một thách thức lớn.

2.1. Độ nhạy và độ chính xác của cảm biến

Độ nhạy của cảm biến sinh học phụ thuộc vào cấu trúc bề mặt và các yếu tố môi trường. Việc tối ưu hóa các điều kiện này là cần thiết để đạt được độ nhạy cao nhất có thể. Các nghiên cứu hiện tại đang tập trung vào việc cải thiện độ nhạy thông qua việc sử dụng các vật liệu mới và công nghệ chế tạo tiên tiến.

2.2. Quy trình chế tạo cảm biến sinh học

Quy trình chế tạo cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon bao gồm nhiều bước phức tạp như lắng đọng, ăn mòn và xử lý bề mặt. Mỗi bước đều cần được tối ưu hóa để đảm bảo chất lượng và hiệu suất của cảm biến. Việc phát triển các phương pháp chế tạo mới có thể giúp giảm thiểu chi phí và thời gian sản xuất.

III. Phương pháp chế tạo cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon

Có nhiều phương pháp chế tạo cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon, trong đó phương pháp Deposition and Etching under Angle (DEA) là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất. Phương pháp này cho phép tạo ra các sợi nano silicon với kích thước và hình dạng chính xác, từ đó nâng cao hiệu suất của cảm biến.

3.1. Quy trình Deposition and Etching under Angle DEA

Quy trình DEA bao gồm các bước lắng đọng và ăn mòn theo góc, giúp tạo ra các cấu trúc nano với độ chính xác cao. Kỹ thuật này cho phép kiểm soát tốt các thông số trong quá trình chế tạo, từ đó tạo ra các sợi nano silicon có tính chất điện và quang học tốt.

3.2. Các kỹ thuật chế tạo khác

Ngoài DEA, còn có nhiều kỹ thuật khác như quang khắc, ăn mòn ion và lắng đọng hơi hóa học. Mỗi kỹ thuật đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn kỹ thuật phù hợp sẽ phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng.

IV. Ứng dụng thực tiễn của cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon

Cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon có nhiều ứng dụng thực tiễn trong các lĩnh vực như y học, môi trường và thực phẩm. Chúng có khả năng phát hiện nhanh và chính xác các phân tử sinh học, từ đó hỗ trợ trong việc chẩn đoán bệnh và kiểm tra chất lượng thực phẩm.

4.1. Ứng dụng trong y học

Cảm biến sinh học có thể được sử dụng để phát hiện các biomarker trong máu, giúp chẩn đoán sớm các bệnh như ung thư và tiểu đường. Việc phát hiện nhanh chóng và chính xác các biomarker sẽ giúp cải thiện hiệu quả điều trị và giảm thiểu chi phí y tế.

4.2. Ứng dụng trong môi trường

Cảm biến sinh học cũng có thể được sử dụng để phát hiện các chất ô nhiễm trong môi trường, từ đó giúp bảo vệ sức khỏe cộng đồng và môi trường. Việc phát hiện sớm các chất độc hại sẽ giúp các cơ quan chức năng có biện pháp xử lý kịp thời.

V. Kết luận và tương lai của cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon

Cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon đang mở ra nhiều cơ hội mới trong nghiên cứu và ứng dụng. Với những tiến bộ trong công nghệ chế tạo và vật liệu, tương lai của cảm biến sinh học hứa hẹn sẽ mang lại nhiều giá trị cho xã hội. Việc tiếp tục nghiên cứu và phát triển sẽ giúp nâng cao hiệu suất và khả năng ứng dụng của cảm biến trong nhiều lĩnh vực.

5.1. Tương lai của nghiên cứu cảm biến sinh học

Nghiên cứu về cảm biến sinh học sẽ tiếp tục phát triển, với sự chú trọng vào việc cải thiện độ nhạy và độ chính xác. Các công nghệ mới như trí tuệ nhân tạo và máy học có thể được áp dụng để tối ưu hóa quy trình phát hiện và phân tích.

5.2. Tiềm năng thương mại hóa cảm biến sinh học

Với nhu cầu ngày càng tăng về các thiết bị y tế và phân tích môi trường, cảm biến sinh học từ cấu trúc nano silicon có tiềm năng lớn để thương mại hóa. Các công ty và tổ chức nghiên cứu đang đầu tư mạnh mẽ vào lĩnh vực này, hứa hẹn sẽ mang lại nhiều sản phẩm và giải pháp mới trong tương lai.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Sự phát triển vượt bậc của công nghệ sinh học phân tử và y sinh học hiện đại đã xác định được hơn 140 chất đánh dấu sinh học phục vụ cho việc tầm soát bệnh lý hiểm nghèo và giám sát di truyền. Nhu cầu định lượng nhanh, chính xác các phân tử sinh học như protein chỉ thị, chuỗi DNA đột biến hay vi khuẩn gây bệnh ở nồng độ siêu nhỏ trong khoảng từ 1 nM đến femtomolar đóng vai trò quyết định trong việc chẩn đoán sớm và xử lý kịp thời. Tuy nhiên, các kỹ thuật phân tích truyền thống như ELISA, PCR hay cộng hưởng từ thường đòi hỏi trang thiết bị đắt tiền, quy trình xử lý mẫu phức tạp và thời gian trả kết quả kéo dài.

Nhằm khắc phục những hạn chế trên, cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano silicon với đường kính trong khoảng từ 1 đến 100 nm (nhỏ hơn sợi tóc người khoảng 1000 lần) đã nổi lên như một giải pháp mang tính cách mạng nhờ tỷ số diện tích bề mặt trên thể tích cực lớn và độ nhạy dẫn điện nhạy bén. Luận văn tập trung vào mục tiêu nghiên cứu, làm chủ quy trình công nghệ chế tạo cảm biến sợi nano silicon và ứng dụng thiết bị này để phát hiện, định lượng chuỗi DNA của cây trồng biến đổi gen. Nghiên cứu được thực hiện tại Phòng Thí nghiệm Công nghệ Nano thuộc Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh. Ý nghĩa then chốt của công trình là xây dựng thành công quy trình công nghệ chế tạo vi mô tích hợp, giúp hạ giá thành sản xuất linh kiện nano sinh học trên quy mô wafer tại Việt Nam, mở rộng tiềm năng phát hiện hơn 5000 đối tượng sinh học khác nhau mà không phụ thuộc hoàn toàn vào các hệ thống quang khắc điện tử ngoại nhập đắt đỏ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết linh kiện bán dẫn và hóa học bề mặt tiên tiến. Khung lý thuyết trọng tâm bao gồm:

• Nguyên lý Transistor hiệu ứng trường: Hoạt động dựa trên sự điều khiển dòng hạt dẫn mang điện tích dương trong kênh dẫn bán dẫn silicon loại P. Khi các đại phân tử sinh học mang điện tích liên kết lên bề mặt, chúng tạo ra điện trường bề mặt tương đương điện thế cực cổng, làm thay đổi trực tiếp độ dẫn và điện trở của sợi nano.
• Động học lắng đọng và khuếch tán bề mặt Arrhenius: Mô tả tốc độ và sự dịch chuyển của các nguyên tử kim loại trên bậc cấu trúc vi mô trong môi trường chân không cao, giải thích sự hình thành màng che chắn định hướng theo góc nghiêng.
• Các khái niệm khoa học cốt lõi: Cảm biến sinh học theo định nghĩa của IUPAC gồm phần tử nhận biết sinh học kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu; quá trình silane hóa bề mặt bằng hợp chất cơ kim; và tính kết cặp siêu chọn lọc của các thụ thể sinh học như peptide nucleic acid và oligonucleotide.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu thực nghiệm từ phiến bán dẫn silicon trên đế điện môi của hãng Soitec với lớp silicon đỉnh dày 70 nm, lớp oxide chôn dày 140 nm và đế nền dày 500 đến 700 micron. Đối tượng phân tích sinh học bao gồm mẫu DNA tinh sạch từ hai giống bắp chuyển gen phổ biến là Mon89034 của Monsanto và 17850 của Pioneer Hi-Bred. Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 15 cấu trúc vi cảm biến được đo đạc lặp lại độc lập cùng các mẫu DNA đối chứng ở nồng độ 40 ng/µL trong thể tích phản ứng 25 µL.

Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đảm bảo tính đại diện cho các giống cây trồng biến đổi gen thực tế tại Việt Nam và tính đồng nhất của vật liệu bán dẫn bán công nghiệp. Tác giả lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm kết hợp công nghệ chế tạo bốc bay và ăn mòn theo góc nghiêng vì giải pháp này tận dụng được hệ thiết bị vi cơ điện tử sẵn có tại phòng thí nghiệm trong nước. Quy trình công nghệ bao gồm kỹ thuật quang khắc quang học tiếp xúc, ăn mòn ion phản ứng với hỗn hợp khí CHF3 và O2 ở áp suất 10 mTorr, bốc bay chùm tia điện tử màng crom ở góc 45 độ, ăn mòn chùm ion ngược hướng âm 45 độ, và hoạt hóa bề mặt bằng các tác nhân hóa học chuyên dụng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thực nghiệm đã ghi nhận bốn phát hiện khoa học quan trọng:

• Chế tạo thành công sợi nano silicon có kích thước đồng đều với chiều rộng khoảng 45 nm và chiều dài 10 µm, bắt nguồn từ mặt nạ sợi nano crom kích thước 35 ± 5 nm thông qua quy trình bốc bay và ăn mòn theo góc nghiêng.
• Đánh giá đặc trưng dòng - áp cho thấy sợi nano silicon đạt tiếp xúc Ohmic tuyến tính với điện trở tiếp xúc 15 ± 5 kΩ khi sử dụng hệ điện cực kim loại Pt/Ti với độ dày 200/10 nm. Điện trở thực tế chỉ cao hơn tính toán lý thuyết khoảng 30%, nằm hoàn toàn trong giới hạn cho phép của vi mạch bán dẫn.
• Xây dựng thành công hai quy trình chức năng hóa bề mặt sợi: silane hóa qua dung dịch APTES 2% kết hợp glutaraldehyde 1% trên nền oxide; và khử oxide bằng dung dịch HF 1% để tạo liên kết Si-H kết hợp chất bảo vệ amin dưới bức xạ tử ngoại 254 nm trong 3 giờ.
• Cảm biến ghi nhận tín hiệu rõ nét khi phát hiện DNA bắp chuyển gen ở nồng độ 1 nM, thể hiện qua bước nhảy dòng điện tức thì, trong khi chip đối chứng chưa gắn thụ thể không ghi nhận sự thay đổi dòng.

Thảo luận kết quả

Khi dung dịch chứa các đoạn DNA mục tiêu đi qua bề mặt cảm biến, phản ứng lai hóa đặc hiệu giữa chuỗi nucleotide đơn và thụ thể cố định đã diễn ra. Do bản chất chuỗi DNA tích điện âm, sự liên kết này làm tăng mật độ lỗ trống trong sợi nano bán dẫn loại P, dẫn đến sự gia tăng độ dẫn điện đo được theo thời gian.

So với các nghiên cứu tương đương tại các viện nghiên cứu quốc tế sử dụng hệ thống quang khắc điện tử đắt đỏ, công nghệ chế tạo theo góc nghiêng trong luận văn này giúp giảm chi phí sản xuất ước tính hơn 70% mà vẫn đạt được độ nhạy phát hiện ở cấp độ 1 nM. Trên đồ thị đo lường, kết quả được biểu diễn trực quan qua đường đặc trưng I-V đối xứng qua gốc tọa độ, chứng minh tiếp xúc kim loại - bán dẫn hoàn hảo, cùng biểu đồ dòng điện theo thời gian I-t ghi nhận phản ứng tức thì trong vòng vài giây khi mẫu sinh học tiếp xúc với bề mặt sợi.

Đề xuất và khuyến nghị

• Tối ưu hóa các thông số ăn mòn ion phản ứng: Cần điều chỉnh lưu lượng khí CHF3 và O2 cùng công suất nguồn RF trong khoảng 50 đến 75 W để giảm độ nhám bề mặt sợi nano xuống dưới 1 nm, nâng cao độ lặp lại của linh kiện lên trên 95% trong 6 tháng tới. Đơn vị thực hiện: Nhóm nghiên cứu chế tạo vi điện tử tại phòng thí nghiệm.
• Tích hợp hệ thống vi lưu tự động: Thiết kế và gắn kênh dẫn vi lưu bằng vật liệu polydimethylsiloxane lên bề mặt chip nhằm giảm thể tích mẫu phân tích xuống dưới 5 µL và rút ngắn thời gian phân tích còn dưới 60 giây trong vòng 1 năm tiếp theo. Đơn vị thực hiện: Đội ngũ kỹ sư vi cơ điện tử phối hợp nhóm phân tích y sinh.
• Mở rộng phổ nhận diện thụ thể sinh học: Tổng hợp và gắn kết các mẫu dò PNA đa dạng để phát hiện đồng thời 5 chỉ thị sinh học liên quan đến đột biến gen ung thư và các bệnh virus nguy hiểm ở ngưỡng nồng độ femtomolar trước năm 2013. Đơn vị thực hiện: Các chuyên gia sinh học phân tử.
• Chuẩn hóa quy trình sản xuất quy mô lớn: Đẩy mạnh hoàn thiện dây chuyền công nghệ trên phiến bán dẫn đường kính 6 inch, hướng tới mục tiêu thương mại hóa bộ kit chẩn đoán với giá thành ước tính dưới 5 USD cho mỗi chip cảm biến trong giai đoạn 2 năm tới. Đơn vị thực hiện: Cơ sở nghiên cứu phối hợp với doanh nghiệp công nghệ cao.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

• Học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Công nghệ Nano, Vật lý Bán dẫn: Tài liệu cung cấp chi tiết từng bước công nghệ bốc bay, ăn mòn ion góc nghiêng và kỹ thuật tạo tiếp xúc vi điện cực trên cấu trúc dưới 50 nm.
• Nhà khoa học và chuyên viên nghiên cứu Công nghệ Sinh học, Y sinh: Cung cấp phương pháp chức năng hóa bề mặt vô cơ, cơ chế gắn thụ thể PNA/DNA và giải pháp phát hiện đột biến gen không cần đánh dấu huỳnh quang.
• Kỹ sư phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp thiết bị y tế: Nắm bắt sơ đồ tích hợp cảm biến hiệu ứng trường và mạch đo điện thế vi mô để ứng dụng vào việc thiết kế các thiết bị xét nghiệm nhanh tại chỗ.
• Cán bộ kỹ thuật tại các trung tâm kiểm nghiệm nông nghiệp và an toàn thực phẩm: Ứng dụng quy trình ly trích, đối chứng PCR và quy trình định lượng DNA của các dòng bắp chuyển gen như MON89034 và 17850 phục vụ công tác thanh tra chất lượng.

Câu hỏi thường gặp

• Cơ chế nào giúp sợi nano silicon đạt được độ nhạy phát hiện phân tử sinh học siêu cao? Cấu trúc sợi nano silicon sở hữu tỷ số diện tích trên thể tích cực lớn ở kích thước 45 nm, khiến hầu hết các nguyên tử đều phân bố trên bề mặt. Khi các phân tử sinh học tích điện bám vào thụ thể, điện trường bề mặt sẽ biến đổi toàn bộ độ dẫn của kênh bán dẫn, cho phép cảm biến ghi nhận sự thay đổi dòng điện ở nồng độ cực thấp từ 1 nM đến femtomolar.

• Điểm khác biệt cốt lõi giữa quy trình chế tạo DEA và phương pháp quang khắc chùm điện tử là gì? Quy trình DEA tận dụng hiện tượng che bóng khi bốc bay màng crom dày 20 nm ở góc nghiêng 45 độ kết hợp ăn mòn chùm ion để tạo mặt nạ nano trên thiết bị vi mô truyền thống. Phương pháp này không đòi hỏi máy quang khắc điện tử tiền tỷ nhưng vẫn chế tạo được sợi nano đồng đều, giúp giảm giá thành sản xuất hơn 70%.

• Tại sao nghiên cứu lại triển khai hai phương pháp biến đổi bề mặt sợi silicon khác nhau? Nghiên cứu khảo sát cả phương pháp silane hóa bằng APTES trên lớp oxide tự nhiên và phương pháp khử sạch oxide bằng HF để tạo liên kết Si-H trực tiếp. Việc này giúp đánh giá độ bền liên kết, mật độ che phủ của thụ thể và lựa chọn giải pháp tương thích sinh học tối ưu cho từng loại đầu dò phân tử.

• Mẫu sinh học nào đã được sử dụng để kiểm chứng độ chính xác của cảm biến nano? Tác giả đã ly trích và kiểm chứng thành công DNA từ hai giống bắp chuyển gen thực tế là 17850 của công ty Pioneer Hi-Bred và MON89034 của công ty Monsanto. Mẫu DNA sau ly trích đạt độ tinh sạch cao, được xác nhận bằng kỹ thuật PCR với cặp mồi chuyên biệt trước khi đưa vào thử nghiệm trên chip cảm biến.

• Tiếp xúc điện cực kim loại của sợi nano được thiết kế như thế nào để tránh dòng điện rò trong dung dịch? Hệ điện cực sử dụng hai lớp kim loại Pt/Ti với độ dày 200/10 nm và được ủ nhiệt để tạo tiếp xúc Ohmic đạt điện trở 15 ± 5 kΩ. Đồng thời, toàn bộ khu vực điện cực tiếp xúc được phủ lớp cách điện chuyên dụng, chỉ chừa lại phần sợi nano tiếp xúc trực tiếp với dung dịch chứa mẫu phân tích.

Kết luận

• Làm chủ thành công quy trình công nghệ DEA để chế tạo sợi nano silicon kích thước 45 nm trên đế SOI bằng hệ thiết bị vi cơ điện tử sẵn có trong nước.
• Xác lập đặc tính dẫn điện tuyến tính ổn định với điện trở tiếp xúc Ohmic đạt 15 ± 5 kΩ, đáp ứng hoàn hảo các yêu cầu kỹ thuật của cảm biến trường vi mô.
• Hoàn thiện hai quy trình hóa học bề mặt tiên tiến, cho phép cố định bền vững các đầu dò sinh học DNA và PNA lên cấu trúc bán dẫn nano.
• Phát hiện và định lượng chính xác DNA của hai giống bắp biến đổi gen thương mại ở nồng độ 1 nM với thời gian đáp ứng tính bằng giây.
• Đặt nền móng vững chắc cho việc phát triển các thiết bị phân tích y sinh và kiểm nghiệm nông nghiệp công nghệ cao tự chủ tại Việt Nam trong giai đoạn 12 đến 24 tháng tới.

Các đơn vị nghiên cứu, trường đại học và doanh nghiệp công nghệ y tế quan tâm đến việc phát triển thương mại hóa dòng cảm biến nano sinh học xin vui lòng liên hệ hợp tác để cùng chuyển giao và nâng tầm ứng dụng khoa học công nghệ vào thực tiễn đời sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN I. Lịch sử phát triển cảm biến sinh học (biosensor) Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với một phần tử chuyển đổi.” Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các kháng thể,. để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất. Do vậy cấu tạo của cảm biến sinh học bao gồm 3 thành phần cơ bản: thành phần hoá học, thành phần sinh học và thành phần vật lý.

Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên.Clark được biết như là người đi tiên phong trong lĩnh vực cảm biến sinh học. Năm 1956 ông công bố bài báo đầu tiên về điện cực oxy hoá. Những năm tiếp theo ông tiếp tục thực hiện rất nhiều thí nghiệm nhằm cố gắng mở rộng khả năng hoạt động của cảm biến như phát hiện được thêm nhiều tác nhân, nâng cao độ chính xác của cảm biến. Vào năm 1962, tại hội nghị New York Academy of Science, ông đã thuyết trình một bài về cảm biến sinh học: “To make electrochemical sensors (pH, polarographic, potentiometric or conductometric) more intelligent by adding enzyme 1 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon transducers as membrane enclosed sandwiches”.

Ông đưa ra mô hình đầu tiên về cảm biến sinh học. Cảm biến sinh học theo mô hình của D.Clark bao gồm điện cực oxy hóa, trên đó có màng giữ enzyme glucose (glucose oxidase). Khi mật độ glucose trong môi trường phản ứng giảm thì mật độ chất oxi hóa trên bề mặt điện cực cũng giảm một cách tương ứng. Dựa trên sự thay đổi đó, Clark đã phát hiện ra sự thay đổi của nồng độ glucose trong môi trường cần kiểm tra.

Những năm tiếp theo, nhóm của Guilbault và Montalvo lần đầu tiên công bố chi tiết về chế tạo thành công cảm biến sinh học dựa trên điện cực chứa enzyme đo điện thế, một cảm biến đo nồng độ urê dựa trên điện cực cố định enzyme urê (urease) bằng màng chất lỏng chọn lọc NH4+. Năm 1975 Lubber và Opitz đã mô tả một cảm biến sợi quang (fibre-optic sensor) gắn các chất chỉ thị dùng để đo nồng độ CO2 và O2. Cũng vào năm 1975, một số vi khuẩn cũng đã được sử dụng như những thành phần sinh học trên các điện cực vi sinh để đo nồng độ cồn. 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. Vào năm 1982, Shichiri và các đồng nghiệp đã báo cáo và mô tả về cảm biến glucose in vivo, là loại cảm biến dạng kim đầu tiên cho các xét nghiệm dưới da. Trong thập kỉ vừa qua, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học và công nghệ, đặc biệt là các ngành công nghệ vật liệu và chế tạo nano , cảm biến sinh học thế hệ mới- cảm biến nano sinh học - cũng đạt được những tiến bộ vượt bậc. Trong cấu trúc của cảm biến nano sinh học, các điện cực hay phần nhạy của thiết bị truyền thống bây giờ được thay thế bằng các vật liệu và linh kiện nano có độ nhạy cao hơn.

Ví dụ các điện cực micro trước đây được thay thế bằng các cấu trúc nano như ống nano cacbon hay sợi nano của vật liệu bán dẫn hoặc kim loại với độ nhạy ở mức đơn phân tử (single molecule) mà cấu trúc micro không có khả năng này. Ngoài ra, những thành tựu đột phá trong lĩnh vực sinh học phân tử và y sinh gần đây đã xác định được trên 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers), giúp nâng cao đáng kể độ đặc hiệu của cảm biến sinh học nói chung. Và sự kết hợp các ưu việt của công nghệ nano 2 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (vật liệu và linh kiện nano với độ nhạy cao) với công nghệ sinh học (độ đặc hiệu cao của chất đánh dấu sinh học) đã chế tạo ra những thế hệ cảm biến mới có khả năng xác định nhanh, chính xác, với độ đặc hiệu cao các phần tử sinh học quan trọng như DNA, proteins, vi khuẩn, virut gây bệnh…. Có rất nhiều cảm biến nano sinh học đã và đang được nghiên cứu, phát triển trong thời gian qua và mỗi loại có những ưu điểm khác nhau.

Tuy nhiên trong luận văn này chúng tôi tập trung nghiên cứu về công nghệ chế tạo và ứng dụng của cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano silicon. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors). Sợi nano được định nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với đường kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Như thế, chúng ta phải bỏ ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với đường kính trung bình là 100 micron.

Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trường bên ngoài. Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ kít sinh học sợi nano được minh họa trong Hình 2. Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt động dựa trên nguyên lí làm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh kiện phổ biến và truyền thống nhất của công nghệ vi điện tử.

Các khả năng làm việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể được trình bày vắn tắt dưới đây: 3 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon (d) Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano là sợi bán dẫn silic loại P có chứa các hạt dẫn mang điện dương. Hai đầu sợi nano có các tiếp xúc điện (không mô tả trong hình vẽ) để cho dòng điện chạy qua sợi nano. Trên bề mặt sợi được thụ động hóa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các tumour markers cần phát hiện. (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi, diễn ra khi dung dịch có chứa các tumour markers được cho chảy qua sợi nano.

Các tumour marker, phần lớn là các chất sinh học có tích điện làm tăng (b) hoặc giảm dòng điện chạy qua sợi (c). Bộ kít chứa nhiều sợi nano, cho phép phát hiện cùng lúc nhiều markers khác nhau, nâng cao độ chính xác của phép chẩn đoán bệnh (d). 4 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon i. Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc không khí bám lên bề mặt sợi cũng đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi - tính siêu nhạy của bộ kít.

Vì bộ kít hoạt động thông qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện trở, cho phép các phân tích được phát hiện nhanh (trong khoảng vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano. Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng có tính kết cặp siêu chọn lọc, cho phép cảm biến có độ chọn lọc rất cao với chất cần phát hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến. Tính kết cặp siêu chọn lọc của các cặp mồi sinh học là một tính chất đặc thù, nhưng tuyệt vời của tự nhiên, cho phép phân biệt từng cá thể riêng biệt trong một quần thể cực phức tạp, phong phú. Ví dụ trong khi trái đất có trên 6 tỉ người với từng ấy phân tử DNA khác biệt, nhưng một phân tử DNA sẽ chỉ kết cặp duy nhất với một DNA khác được thiết kế tương thích.

Hoặc nếu receptor là một kháng nguyên đã được thiết kế sẵn, thì kháng nguyên này chỉ bắt cặp với một kháng thể duy nhất với kháng nguyên đó. Một bộ kít sinh học có thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano, mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng, cho phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học khác nhau. Khả năng này nâng cao tính chính xác của phép phân tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano. 5 LUAN VAN CHAT LUONG download : add [e-mail] Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến.

Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dòng điện chạy qua sợi, trong khi dòng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi. Sự kết hợp của hai sợi trên cùng một bộ kít như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép phân tích. Trong thời gian qua các nhà khoa học đã dùng nhiều công nghệ chế tạo khác nhau, chế tạo thành công bộ kít nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic. Ví dụ thiết bị của nhóm nghiên cứu thuộc đại học Harvard, Mỹ, có khả năng phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử sinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai (phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh).

Hình 3 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đoán ung thư tiền liệt tuyến. Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ nhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn lần. Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, không cần qua bước chuẩn bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích.