Tài liệu đề tài nghiên cứu khoa học cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU BỘ MÔN KHOA HOC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN HIỆN TƯỢNG ĐIỆN TỬ SPIN Nhóm 10: Bùi Duy khánh Nguyễn Thị Thu 1 NỘI DUNG TỔNG QUÁT: I. Các khái niệm 1. Định nghĩa công nghệ spintronics 2. Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học II. Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin 1. Những kiểu biosensor truyền thống 2. Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin - Nguyên lý chung - Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin - Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin MỞ ĐẦU Sự nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng của tất cả các loại phân tử sinh học đóng vai trò quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế, và cả trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường. Gần đây, ý tưởng của việc 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 sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ sinh học. Từ đó một hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” được đưa ra để đơn giản hoá có hiệu quả nhiều nhiệm vụ trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học, và thậm chí có thể mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới. Biosensor là một thiết bị phát hiện, nhận dạng, và truyền thông tin về một sự thay đổi sinh-lý, hay sự có mặt của các chất hóa học khác nhau, hoặc những vật liệu sinh học trong môi trường. Chúng có thể phát hiện và đo chính xác những nơi tập trung của vi khuẩn hay những chất hóa học nguy hiểm. Biosensor sử dụng nhiều phương pháp dò tìm khác nhau. Biosensor có thể được chia làm hai kiểu chính: một là vẫn sử dụng phương pháp đánh dấu, một là thử sử dụng phương pháp phát hiện sự lai hóa trực tiếp. Trước đây, phương pháp chính là sử dụng phương pháp dò tìm huỳnh quang (biosensor huỳnh quang). Tuy nhiên một vài năm trở lại đây, với sự phát triển mạnh mẽ của một công nghệ mới: spintronic (điện tử học spin) đã tạo ra một sự phát triển mới cho các chíp sinh học spintronic với ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao hưởng ứng nhanh dễ tích hợp, dễ tự động hóa đã thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quang truyền thống đắt tiền. Bằng cách sử dụng hạt từ được điều khiển bởi dòng điện ta có thể phân tích được nhiều mẫu sinh học chúng ta có thể sử dụng hạt từ để phát hiện các tương tác sinh học. Việc dò tìm các hạt từ có thể sử dụng cảm biến từ điện trở dị hướng (AMR), cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR), cảm biến spin-valve, cảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR). Hầu hết các cảm biến từ điện trở đều dựa trên hiệu ứng từ - điện trở. 2 I. Một số khái niệm 1. Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học a. Bộ cảm biến Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó. Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường, phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác. Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (probe), có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là "cảm biến" . b. Cảm biến sinh học 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 . 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 ” Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống như chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu nhận được thành tín hiệu điện đo được. Hai thành phần này sẽ được tích hợp vào một cảm biến ta có thể thấy trên hình 1. Sự kết hợp này cho phép nó có thể đo mục tiêu cần phân tích mà không cần sử dụng thuốc thử 3  Cấu tạo chung của cảm biến sinh học Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm bốn bộ phận chính: (B) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học cần phân tích; (B) Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực; (C) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyển thành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý).  Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau Các vi khuẩn: các vi khuẩn thường được phát hiện bởi các cảm biến sinh học là vi khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than … Các phân tử nhỏ: các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học có thể phát hiện được là CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol, aspirin, penicilin, TNT, các tác nhân thần kinh khác, … Các phân tử sinh học có kích thước lớn: những phân tử này có thể là các phân tử ADN, RNA, protein, enzyme, các hocmon, …  Đầu thu sinh học Nhiều cảm biến sinh học sử dụng các kết hợp đã được phát triển rất cụ thể cho các ứng dụng. Có hai loại đầu thu sinh học. Đầu tiên, các cảm biến sinh học sử dụng các enzyme hoặc kháng thể oligonucleotid, ví dụ các chất có nguồn gốc sinh học, được thiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể trong cơ thể sống. Do vậy, chúng được sử dụng để phát hiện một chất cụ thể. Ngoài ra còn có những đầu thu sinh học có thể được mô tả giả như ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, thông qua các phương pháp điện hoá có thể phát hiện một số chất. Đầu thu sinh học (Biological Receptor) là những đầu thu phản ứng trực tiếp với các tác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học. Dựa vào các tác nhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu như sau: - Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu phổ biến nhất. Đó là các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose, ... - Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng này có đặc điểm là tính chọn lọc rất cao đồng thời các liên kết được tạo thành khá mạnh. - Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, ... Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao. Tuy nhiên, chúng có nhược điểm là rất khó cách ly. - Đầu thu làm từ các axit nucleic: Các axit nucleic như ADN, ARN có thể sử dụng làm đầu thu sinh học. Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sử dụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền. - Đầu thu kết hợp: Với các đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều các phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ...) trên một đế. Việc 4 kết hợp này mở rộng khả năng làm việc của các cảm biến sinh học. Một số cảm biến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than và cảm biến thử thai. - Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ các phân tử, nguyên tử mà nó còn có thể được làm từ các tế bào. Một số tế bào biến đổi gen của vi khuẩn đã được sử dụng làm đầu thu sinh học. Khi có mặt các phân tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thông qua đó chúng ta xác định được sự xuất hiện của các phân tử chất độc.  Tác nhân cố định Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học. Các tác nhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế. Nói một cách khác đây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ.  Bộ phận chuyển đổi Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học. Có nhiều dạng chuyển đổi như chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ. Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric). Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio–luminiscence; chemi–luminiscence.. Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa họctrong các phản ứng của enzyme. Bộ chuyển đổi này có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các phản ứng. Tuy nhiên, dạng chuyển đổi này có tính chọn lọc thấp. Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric) hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi. Chuyển đổi dạng này có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơ động cao, có thể sử dụng đo đạc trong môi trường lỏng và khí. Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng chuyển đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rất mỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector. Thanh mỏng này được chế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ cũng làm cho thanh bị uốn cong đi. Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector sẽ bị thay đổi so với trường hợp không có lực tác dụng lên thanh. Căn cứ vào sự thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên thanh 5  Mô hình cấu tạo của 1 cảm biến từ: 2. Định nghĩa công nghệ Spintronics Công nghệ Spintronics chính là sự kết hợp của hai lĩnh vực điện tử học và từ học nhằm tạo ra các chức năng mới cho vi điện tử hiện đại. Công nghệ Spintronics là một kỹ thuật liên ngành với một mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự do của spin trong các hệ chất rắn. Nói một cách đơn giản, công nghệ Spintronics là một ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển và thao tác spin của điện tử. Mục tiêu quan trọng của công nghệ Spintronics là hiểu về cơ chế tương tác giữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điền khiển cả về mật độ cũng như sự chuyển vận của dòng spin trong vật liệu. Sơ lược về các thế hệ Spintronics Một cách tương đối, có thể chia các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ:  Thế hệ thứ nhất: Gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng GMR, TMR, trong các màng mỏng đa lớp, các màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim loại hoặc kim loại-điện môi..., ví dụ như các cảm biến, đầu đọc từ điện trở trong các đĩa cứng, các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM), các transitor kim loại (hay transitor lưỡng cực), transitor valse spin, công tắc/khoá đóng mở spin, ...  Thế hệ thứ hai: Bao gồm các linh kiện hoạt động dựa trên việc tiêm hoặc bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn- sắt từ hay bán dẫn từ- bán dẫn (điều này giúp cho việc tận dụng được các kỹ thuật vi điện tử hiện nay). Đó là các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,... Các linh kiện này sử dụng các vật liệu bán dẫn pha loãng từ, bán dẫn sắt từ hay các bán kim, các linh kiện vận chuyển đạn đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu ứng từ điện trở xung kích, và các loại transistor spin như ở thế hệ thứ nhất. Một thế hệ linh 6 kiện spin mới đang được phát triển mạnh và rất có triển vọng hiện nay là các bộ nhớ từ và các cổng lôgic dựa trên điều khiển vách đômen để tạo thành các bit thông tin trong các cấu trúc nano từ tính. Bạn có thể tưởng tượng, thông tin được mã hoá 0 và 1 thông qua sự định hướng của các mômen từ trong các đômen. Sự điều khiển các vách đômen chính là điều khiển các bit thông tin. Vách đômen có thể điều khiển dễ dàng bằng từ trường hoặc dòng điện. Và hiện nay, hướng spintronics này mục tiêu là tạo ra, và điều khiển các quá trình dịch chuyển, hãm, huỷ... các vách đômen trong các phần tử nhỏ (ví dụ các nanowire, các nanodot, các bẫy đômen)  Thế hệ thứ ba: Là các linh kiện sử dụng các cấu trúc nano (dạng chấm lượng tử, dây và sợi nano) và sử dụng các trạng thái spin điện tử đơn lẻ như cổng logic lượng tử (là cơ sở cho máy tính lượng tử), các transistor đơn spin (SFET), ... Cảm biến van spin thuộc thế hệ linh kiện đầu tiên đã được chế tạo và đưa vào sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20. Một số linh kiện điển hình của thế hệ này là kính hiển vi từ điện trở, robot xúc giác hay robot thông minh, đầu đọc ghi ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải mã vạch, đếm tốc độ,điều chỉnh đánh lửa bugi động cơ đốt trong máy trợ thính, ... Các bộ nhớ MRAM không tự xóa đang bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, và được dự đoán là sẽ chiếm lĩnh thị trường thương mại và tiêu dùng trong những năm gần đây. Hiện nay việc phòng chống tội phạm và khủng bố đang rất được ngành an ninh và quân đội quan tâm. Ngành tư pháp và quân đội Mỹ đã có những dự án nghiên cứu chế tạo các thiết bị điện tử nhạy với từ trường yếu theo nguyên lý của spintronics, đến mức có thể đo được từ xa từ trường có cường độ chỉ cỡ femto-Tesla Tiểu kết: trong bài này, chúng ta đang tìm hiểu về cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin. Nghĩa là bộ phận chuyển đổi của cảm biến sinh học ứng dụng bởi công nghệ spintronics tạo ra 1 lĩnh vực mới rất được quan tâm trong công nghệ sinh học và y sinh học. Như việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học. Đặc biệt, còn mở ra một khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng cao vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học. II. Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin Trước đây, biosensor đã thành công với phương pháp đánh dấu huỳnh quang. Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của điện tử học spin, thay vì nhận biết các phân tử sinh 7 học bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lazer, chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ điện tử học spin dựa trên các hiệu ứng GMR, AMR, TMR, Hall, Planar Hall,... 1. Những kiểu biosensor truyền thống Trước đây loại cảm biến phổ biến nhất là cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang, có cấu tạo chung như sau: - Một dãy các đầu dò được gắn cố định trên bề mặt cảm biến bằng những chấm mirco (thường là các hạt huỳnh quạng). - Buồng lai hóa (thường là một hệ thống vi rãnh, còn gọi là vi kênh chứa chất lỏng có kích thước mirco). - Một cơ cấu để sắp xếp các DNA đích 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 DNA đích gắn hạt từ). - Các hạt dò tìm. Trên hình 2 mô tả quá trình dò tìm bằng phương pháp đánh dấu huỳnh quang, gồm 3 giai đoạn: - Cố định đầu dò trên bề mặt chip. - Nhỏ dung dịch có chứa các DNA đích cần dò tìm. - Các phân tử sinh học là phần bù của nhau sẽ liên kết với nhau, quá trình lai hóa xảy ra và sau đó rửa sạch các phần tử không cần thiết. Phương pháp này cho ta biết số lượng gen xác định và so sánh sự khác nhau giữa các mẫu cần phân tích. Sự dò tìm này không những cho biết được sự có mặt của phân tử bị bệnh mà còn cho biết được số lượng của các phân tử đó trong mẫu. 8 2. Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spin a. Nguyên lí chung: Một chip sinh học (biochip) sử dụng công nghệ spin điện tử cơ bản gồm có một dãy các phần tử cảm biến (như các cảm biến từ-điện trở); một dãy các đầu dò (các phân tử sinh học đã biết như các chuỗi nucleotide đặc trưng của các gen hoặc các kháng thể) được cố định trên bề mặt của các sensor (thông qua các chấm có kích thước mirco hoặc các dãy được sắp xếp theo đặc trưng điện hoặc từ); một buồn lai hóa (thường là một bộ ráp nối các rãnh chứa chất lỏng có kích thước mirco); một cơ cấu dùng để sắp xếp các bia (target) 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 được gắn hạt từ) (hình 3). Hình 3. Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân tử sinh học được cố định trên bề mặt sensơ (trong trường hợp này là các phân tử ADN đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi ADN) và các hạt từ được có thể liên kết được với bề mặt cảm biến thông qua thông qua các lai hóa phân tử sinh học (các lai hóa ADN). Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử sinh học đạt được bằng cách nhận biết từ trường tán xạ tạo bởi label từ nhờ bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử. Các đối tượng dò tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như chuỗi DNA, phần bù phù hợp của các đầu dò DNA cố định hoặc các kháng nguyên tương 9 ứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên trên bề mặt chip để quá trình nhận dạng được tiến hành. Các phân tử sinh học có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc sau bước lai hóa (recognition). Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư với kích thước nano hoặc mirco và có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học. Dưới tác dụng của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độ tổng hợp xuất hiện. Từ trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp ta nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích. Các chip sinh học (biochip) dựa trên hiệu ứng từ điện trở được giới thiệu lần đầu vào năm 1998 ở phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân (NRL) của Mỹ. Sau đó trên thế giới phát triển thêm nhiều phòng nghiên cứu và các công ty phát triển hệ thống này. Việc nhận biết hạt từ được hoàn thiện băng cách sử dụng các cảm biến tích hợp từ điện trở có cấu trúc và hình dạng khác nhau như GMR hình que, cấu trúc GMR hình gấp khúc (meander GMR structures) và các GMR hình xoắn ốc; các cấu trúc van spin đường thẳng, hình răng lược và hình chữ U; các vòng AMR; cảm biến hình chữ thập sử dụng hiệu ứng Hall mặt phẳng; và các tiếp xúc từ xuyên ngầm. Các cấu trúc này còn cho phép sử dụng từ trường để điều khiển độ chính xác và các thao tác trên chip, kết hợp sự truyền dẫn tín hiệu với việc dò tìm. Nguyên lý của biochip sử dụng công nghệ spin điện tử đã được sử dụng để dò tìm các biểu hiện của các phân tử sinh học (bao gồm các liên kết sinh học) trong các mô hình liên kết như liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG-Protein A (ví dụ cystic fibrosis-bệnh xơ nang), trong các phát triển ứng dụng dùng cho việc dò tìm các tế bào từ vi sinh vật gây bệnh. Cấu trúc của hai chip sử dụng sự lai hóa có hỗ trợ của từ trường và việc dò tìm các DNA cần dò có liên quan tới bệnh xơ nang là kết quả thu được trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm chip với các DNA phần bù với các DNA cần dò tìm. Sau khi nhỏ các phân tử sinh học có đính hạt từ lên bề mặt cảm biến, một dòng điện được đặt vào trong khoảng 3 phút để thu hút các hạt vào khu vực cảm nhận, sau đó các hạt từ được giữ ổn định trong vòng 3 phút để quá trình lai hóa diễn ra. Chip được rửa để loại bỏ các hạt từ không có liên kết riêng hoặc liên kết yếu. Khi đó người ta thu được tín hiệu còn lại vào khoảng 1mV do lai hóa. Tín hiệu này tương ứng với 50 hạt nano liên kết với bề mặt. Khi sử dụng các phân tử sinh học cần dò không phải là phần bù của đầu dò, tín hiệu trở lại với đường nền nghĩa là không có sự lai hóa xảy ra. Các cảm biến cỡ nhỏ (2,6mm2) có dải hoạt động nhỏ chứa được vào khoảng 200 hạt nano với đường kính 250mm, nhưng cho tín hiệu trên từng hạt lớn hơn. b. Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin: Tất cả các thiết bị điện tử học spin (spintronics) bao gồm cả những cảm biến điện tử học spin đều dựa trên việc điều khiển các spin của điện tử nên có những ưu điểm 10 như sau: - Tiêu tốn ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên sự đổi chiều của các spin. - Do tính chất phi từ của các phân tử sinh học nên giảm nhiễu tín hiệu. - Có độ ổn định cao, phép đo có thể thục hiện được nhiều lần, loại bỏ được tín hiệu nền không mong muốn. - Tốc độ nhanh vì không phải mất thời gian để truyền điện tích. Thời gian đảo các spin từ trạng thái up sang down ngắn. 3. Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin Hiệu ứng từ điện trở (MR) Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance- MR) là sự thay đổi điện trở của một vật dẫn gây bởi từ trường ngoài. Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởi William Thomson (Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5%. Hiệu ứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường. Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra nhiều loại hiệu ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau đem lại khả năng ứng dụng hết sức to lớn. Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức: MR      (0)   ( H ) R(0)  R( H )   (0) R(0) Đôi khi, trong một số thiết bị, tỉ số này cũng được định nghĩa bởi: MR      ( H )   ( H max ) R( H )  R( H max )   ( H max ) R( H max ) ρ(H): Điện trở xuất của vật dẫn khi có từ trường ngoài đặt vào ρ(0): Điện trở xuất của vật dẫn khi không có từ trường ngoài đặt vào R(H): Điện trở của vật dẫn khi có từ trường ngoài đặt vào R(0): điện trở của vật dẫn khi không có từ trường ngoài đặt vào. Hmax : là từ trường cực đại Hai cách định nghĩa này hoàn toàn tương đương nhau. Trong các vật dẫn không có từ tính như kim loại Cu, Au thì hiệu ứng MR xảy ra do lực Lorentz tác động lên chuyển động của các điện tử. Hiệu ứng này rất nhỏ và có giá trị âm. Trong các chất sắt từ hiệu ứng MR liên quan đến tán xạ bởi các Spin bất Với: trật tự. Trạng thái bất trật tự của các spin luôn làm tăng điện trở. Khi đặt từ trường ngoài vào thì mức độ bất trật tự của các spin giảm, ta sẻ nhận được hiệu ứng từ điện trở dương nhưng đẳng hướng. Hiệu ứng này rất nhỏ trong các kim loại chuyển tiếp sắt từ nhưng lại rất lớn trong các vật liệu đất hiếm- kim loại chuyển tiếp có chuyển pha từ giả bền như RCO2, gốm Perovskites… Trong một vật dẫn kim loại, dòng điện được mang đi nhờ sự chuyển động của electron. Nếu electron bị khuếch tán khỏi 11 hướng chính của dòng điện thì dòng điện bị yếu đi, nghĩa là điện trở tăng lên. Trong một vật liệu từ thì sự khuếch tán electron bị ảnh hưởng bởi hướng từ hóa (magnetization). Sự liên quan giữa từ hóa và điện trở trong hiệu ứng GMR được giải thích nhờ spin của electron. Trong vật liệu từ phần lớn các spin xếp song song với nhau, theo chiều từ hóa, tuy nhiên cũng có một số spin có chiều đối nghịch với chiều từ hóa và số electron có spin đối chiều này sẽ khuếch tán mạnh hơn khi gặp phải các tâm dị thường và tâm bẩn trong vật liệu và đặc biệt tại giao diện các lớp, do đó dòng điện giảm đi, nghĩa là điện trở tăng lên Hình 4. Trong vật dẫn từ các spin của phần lớn electron hướng cùng chiều với chiều từ hóa (các vòng tròn màu đỏ). Một số ít electron (các vòng tròn màu trắng) có spin ngược chiều với chiều từ hóa sẽ bị khuếch tán nhiều hơn. a. Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR Biosensor): Miller là người đầu tiên giới thiệu phương pháp dò tìm các hạt sử dụng hiệu ứng AMR vào năm 2002. Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR là hiện tượng tăng điện trở dưới tác dụng của từ trường (hay nói chính xác hơn là dưới tác dụng của cảm ứng từ B) do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện. Về bản chất, hiệu ứng AMR chính là sự phụ thuộc điện trở vào góc  giữa vector từ độ và chiều dòng điện. Nguyên nhân xuất hiện hiệu ứng này là do xác suất tán xạ điện tử s-d sẽ khác nhau theo phương từ trường tác dụng. Hiệu ứng này lớn nhất (đạt giá trị cực đại) khi từ trường tác dụng song song với chiều dòng điện. 12 Nguyên tắc hoạt động của cảm biến AMR là dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng momen từ của vật liệu làm cảm biến. Trong trường hợp này, cảm biến AMR có cấu trúc là một vòng kim loại sắt từ (NiFe); khi không có từ trường ngoài tác dụng, vector từ độ của vòng là một đường tròn khép kín như hình 4.b), trong trường hợp này nếu đặt một dòng điện chạy qua cảm biến thì dòng điện có thể chạy qua dễ dàng, do đó hiệu ứng AMR của vòng sẽ là lớn nhất. Ngược lại, khi có hạt từ với momen từ vuông góc với bề mặt của cảm biến, đặt tại tâm của cảm biến thì từ độ của vòng sẽ hướng tâm như hình 4.c), vuông góc với dòng điện và cản trở sự di chuyển của các điện tích khi chạy qua vòng cảm biến-lúc này hiệu ứng AMR của vòng là nhỏ nhất. Trên các vật liệu sắt từ như Fe, Co, Ni và hợp kim của chúng, hiệu ứng này thường khá lớn so với vật liệu không có từ tính. Thiết bị này thích hợp trong việc dò tìm các hạt đơn lẻ. Các hạt từ đặt ở trung tâm của vòng tròn NiFe với bán kính bên trong của vòng tròn phù hợp với bán kính của hạt. Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức: Trong đó: 13 Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR Biosensor): Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (tiếng Anh: Giant MagnetoResistance, viết tắt là GMR) là sự thay đổi lớn (nhảy vọt) của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. Ta có một lớp kim loại không có từ tính (lớp 2) bị ép giữa hai lớp kim loại từ (lớp 1&3) như hình A & B. Trên hình A hai lớp kim loại từ 1&3 có cùng chiều từ hóa, lúc này số electron có spin cùng chiều với chiều từ hóa sẽ đi qua các lớp dễ dàng và như thế điện trở nhỏ. Nếu ta thay đổi chiều từ hóa đối với lớp kim loại từ 3  (nằm bên phải cùng) như trong hình B thì các electron lại có spin ngược chiều với chiều từ hóa trong lớp cuối cùng bên phải do đó bị khuếch tán nhiều hơn, dòng điện giảm đi và điều đó có nghĩa điện trở tăng mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR. Vậy hiệu ứng GMR là hiệu ứng làm cho điện trở trở thành khổng lồ nhờ tác động của từ trường. Ta có năng lượng từ của mỗi lớp như sau: Lớp sắt từ 1 tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) Lớp sắt từ 2 tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) 14 Lớp sắt từ 1 và lớp sắt từ 2: - Năng lượng tương tác trao coupling) đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic Cơ chế Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ có thể được giải thích với sự tổ hợp đồng thời của 3 giả thiết sau: Vì độ dày của của lớp không từ chỉ vào cỡ 1nm, tức là nhỏ hơn hoặc xấp xỉ bằng quãng đường tự do trung bình của điện tử, nên điện tử có khả năng vượt qua lớp đệm không từ tính để chuyển động từ lớp từ tính này sang lớp từ tính khác. Khi di chuyển trong các lớp vật liệu có từ tính hoặc trong vùng chuyển tiếp với các lớp từ tính, sự tán xạ của các điện tử phụ thuộc vào định hướng spin của chúng. Định hướng tương đối của các vectơ từ độ trong các lớp có thể thay đổi dưới tác dụng của từ trường ngoài. Điện trở của các chất rắn được tạo ra do sự tán xạ của điện tử, gồm có 4 loại tán xạ sau:  Tán xạ trên mạng tinh thể do dao động mạng tinh thể gọi là tán xạ trên phonon.  Tán xạ trên spin của các phần tử mang từ tính, gọi là tán xạ trên magnon.  Tán xạ trên sai hỏng mạng tinh thể.  Gần đây còn có các nghiên cứu chỉ ra sự tán xạ của điện tử trên các polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR. Như vậy, hiệu ứng GMR có được là do sự tán xạ của điện tử trên magnon. Khi có các phần tử mang từ tính (ví dụ các lớp sắt từ trong các màng đa lớp hay các hạt siêu thuận từ trong các màng hợp kim dị thể) có sự định hướng khác nhau về mômen từ (do tác động của từ trường ngoài), sẽ dẫn đến sự thay đổi về tính chất tán xạ của điện tử và do đó sẽ làm thay đổi điện trở của chất rắn. Độ lớn của GMR liên quan đến độ lớn của hiệu ứng tán xạ phụ thuộc spin, mà đại lượng sau này lại liên quan đến tương quan quãng đường tự do trung bình và chiều dày của lớp kim loại phi từ. Cụ thể là hai hiệu ứng này sẽ bị triệt tiêu nếu quãng đường tự do của điện tử nhỏ hơn chiều dày màng ngăn cách Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức: 15 Trong đó:  Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR Biosensor): Hiệu ứng từ điện trở chui hầm hay từ điện trở xuyên hầm, (tiếng Anh: Tunnelling magnetoresistance, thường viết tắt là TMR) là một hiệu ứng từ điện trở xảy ra trong các màng mỏng đa lớp có các lớp sắt từ được ngăn cách bởi các lớp điện môi. Hiểu một cách đơn giản hơn hiệu ứng từ điện trở chui hầm là sự thay đổi lớn của điện trở suất xảy ra ở các tiếp xúc từ chui hầm (là các màng mỏng với các lớp màng mỏng sắt từ được ngăn cách bởi lớp điện môi, đóng vai trò lớp rào ngăn cách chuyển động của điện tử). Với hệ vật liệu ba lớp bao gồm một lớp vật liệu ôxit vô định hình a-Ge2O3 cách điện nằm xen giữa hai lớp kim loại sắt từ Fe và Co: Fe/a-Ge2O3/Co. Độ dày của lớp ôxit thường được chọn để thõa mãn điều kiện cực tiểu cho năng lượng tương tác từ giữa hai điện cực sắt từ. Trong trường hợp này, hai điện cực sắt từ có cùng trục từ hóa dễ nhưng có lực kháng từ khác nhau ( 0 HC (Co)  0 H C ( Fe) ). Trạng thái từ độ phản song song làm tăng điện trở của hệ. Ngược lại trạng thái từ độ song song ở vùng từ trường nhỏ và từ trường lớn làm giảm điện trở của hệ. Cấu trúc chuẩn của cảm biến TMR bao gồm 3 lớp vật liệu (lớp sắt từ/lớp điện môi/lớp sắt từ). Hoạt động tương tự như cảm biến GMR, khi chưa có từ trường ngoài, vecotr từ độ của 2 lớp sắt từ ban đầu là phản song với nhau nên điện tử ít bị tán xạ và có thể xuyên qua các lớp của cảm biến, tạo ra tín hiệu điện . 16 Đối với các tiếp xúc từ chui hầm có 2 lớp sắt từ kẹp giữa bởi một lớp điện môi, tỉ số từ điện trở (trong trường hợp này sử dụng là TMR) phụ thuộc vào độ phân cực spin của 2 lớp (P1, P2), và được cho bởi công thức: TMR  P1 P2 1  P1 P Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm: Độ hoàn hảo của tiếp xúc xuyên hầm. Nhiệt độ Hiệu điện thế Chiều cao rào thế và tính chất chuyển cục bộ. Spin kép Hình 6: Cơ chế tạo hiệu ứng từ điện trở chui hầm Hình 17: Lớp tiếp xúc từ chui hầm trong các tiếp xúc từ chui hầm 17 Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức: Trong đó: Trong cảm biến cấu trúc xuyên ngầm, dòng chạy qua cảm biến được giới hạn bởi thế đánh thủng. Chỗ tiếp xúc phải được tối ưu hóa sao cho R*A là thấp nhất và duy trì được tỉ số từ trở xuyên ngầm cao trong khi mức độ nhiễu là thấp nhất.  Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall Biosensor): Dựa vào sự tán xạ của điện từ theo phương từ độ của lớp sắt từ. Khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, điện tử sẽ bị tán xạ theo hướng của từ độ M tạo ra điện trường E theo hướng của từ độ M. Điện trường E này tạo ra hiệu điện thế V theo hướng y vuông góc với dòng điện (Hình 7,8). 18 Với mô hình này, từ độ của lớp NiFe ở trạng thái tĩnh phải nằm dọc theo hướng của dòng điện. Trở kháng thay đổi khoảng 2-3% với lớp NiFE dày 20-30nm. Đường cong đáp ứng được biểu diễn ở Hình 8. Trong vùng từ trường nhỏ, sensor làm việc trong vùng tuyến tính. Chỉ cần một từ trường nhỏ ta dễ dàng nhận được giá trị lớn nhất của hiệu điện thế. Do vậy, ta có thể chọn vùng làm việc của cảm biến là đoạn tuyến tính của đường đặc trưng từ-điện trở và thông qua tín hiệu đầu ra ta có thể tính toán định lượng được số lượng các hạt. Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức: Trong đó:  Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng van-spin (Spin-valve Biosensor): Cấu trúc chuẩn của cảm biến van-spin bao gồm 4 lớp vật liệu (lớp phản sắt từ/lớp sắt từ bị ghim/lớp phi từ/lớp sắt từ tự do). Hai lớp sắt từ được ngăn cách nhau bởi một lớp kim loại không từ, trong đó 1 lớp sắt từ tự do, q lớp được ghim bằng tương tác trao đổi với 1 lớp vật liệu phản sắt từ. Khi chưa có từ trường ngoài tác dụng, từ độ của lớp sắt từ tự do ngược chiều với từ độ của lớp sắt từ bị ghim, do đó điện tử không di chuyển qua các lớp của cảm biến được, vì vậy điện trở của cảm biến là lớn Khi có từ trường ngoài (của hạt từ), momen từ của lớp sắt từ tự do sẽ quay theo hướng từ trường ngoài, làm cho từ độ của lớp sắt từ tự do và từ độ của lớp sắt từ bị ghim định hướng song song với nhau, do đó các điện tử có thể truyền qua các lớp của cảm biến và điện trở của cảm biến giảm. 19 Ta có năng lượng từ của mỗi lớp như sau: Lớp sắt từ tự do tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) Lớp sắt từ bị ghim: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) Lớp sắt từ và lớp sắt từ bị ghim: - Năng lượng tương tác trao đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic coupling) Lớp sắt từ bị ghim và lớp phản sắt từ: - Năng lượng tương tác trao đổi (exchange bias) Trong trạng thái tĩnh, từ độ của lớp ghim nằm theo chiều ngang, được ghim bởi liên kết trao đổi giữa lớp ghim với lớp phản sắt từ, còn từ độ của lớp tự do hướng theo chiều dọc. Sự định hướng theo chiều dọc của lớp tự do và trạng thái đơn domain là do dị hướng hình dạng. Sự chuyển đổi ra tín hiệu điện của cảm biến được xác định theo công thức: Trong đó: 20