Tài liệu Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO NGUYỄN VĂN QUỐC NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO SILICON LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN...............................................................................................................ii LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................iii MỤC LỤC ...................................................................................................................iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT .........................................................................vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ....................................................................................vii MỞ ĐẦU .................................................................................................................. viii CHƯƠNG I TỒNG QUAN..........................................................................................1 I . Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor)........................................ 1 II. Cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc của sợi nano (nanowire based biosensors)..........................................................................................................3 CHƯƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON ..................................................................................................7 I. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon ......................................................................................................7 II. Các kĩ thuật cơ bản sử dụng trong qui trình DEA.......................................12 II.1 Công nghệ quang khắc .....................................................................12 II.2 Công nghệ ăn mòn thẳng đứng..........................................................17 II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hướng......................................18 III.4 Kỹ thuật ăn mòn dị hướng màng kim loại .......................................22 CHƯƠNG III CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƯƠNG PHÁP DEA VÀ KẾT QỦA CHẾ TẠO ................................................................................24 I. Chế tạo sợi bằng Qui trình DEA..................................................................24 II. Kết quả chế tạo ............................................................................................27 II.1 Kích thước và tính chất bề mặt ............................................................27 II.2 Tính chất điện.......................................................................................28 CHƯƠNG IV KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN ....30 I. Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs .......................................................................30 I.1 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi có lớp SiO2 ......................................30 I.2 Tạo sự đồng nhất trên bề mặt sợi Si không có SiO2 .............................35 II Định lượng DNA bằng cảm biến sinh học Si- NWs ..............................40 iv II1 Ly trích DNA của bắp chuyển gene..............................................................40 II2 Phát hiện bắp chuyển gen bằng cảm biến Si-NWs .......................................42 KẾT LUẬN ................................................................................................................45 TÀI LIỆU THAM KHẢO..........................................................................................46 v DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT AFM APTES BOX DEA DNA FET HDP IBE LPVCD PNA PTN CNNN PECVD RNA RIE Si – NW SOI TFA UV Automic Force Microscope, kính hiển vi lực nguyên tử AminoPropylTriEthoxySilane Buried oxide lớp oxít bên trong Deposition and Etching under Angles, lắng đọng và ăn mòn theo góc nghiên Deoxyribo Nucleic Acid Field Effect Transistor, Tranzitor hiệu ứng trường High Density Plasma Plasma mật độ cao, áp suất thấp Ion Beam Etching ăn mòn bằng chùm ion Low Pressure Chemical Vapour Deposition, phương pháp lắng đọng hơi hóa học áp suất thấp Peptide Nucleic Acid Phòng Thí Nghiện Công Nghệ NaNo Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition lắng đọng hoá học pha hơi kèm hỗ trợ plasma RiboNucleic Acid Reactive Ion Etching, phản ứng ăn mòn ion Silicon Nano Wire, sợi nano silic Silicon On Insulator, slic trên đế điện môi TriFluoroacetic Acid Utra Violet, tia cực tím vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1: Mô hình cảm biến sinh học đầu tiên ............................................................ 1 Hình 2: Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của bộ kít nano sinh học dựa trên sợi nano ................................................................................................................................... 4 Hình 3: Sử dụng bộ kít sợi nano để phát hiện nhanh ................................................ 6 Hình 4: Sơ đồ khối các bước công nghệ cơ bản của qui trình DEA....................... 10 Hình 5: Mô hình mặt nạ .......................................................................................... 13 Hình 6: Quy trình quang khắc................................................................................. 13 Hình 7: Cách phủ lớp photoresist............................................................................ 15 Hình 8: Các phương pháp chiếu.............................................................................. 16 Hình 9: Cấu tạo hệ ăn mòn ion phản ứng................................................................ 18 Hình 10: Cấu tạo hệ bốc bay chân không cơ bản.................................................... 19 Hình 11: Màng bay hơi trên bậc thang........................................................................ 19 Hình 12: Nguồn bay hơi bằng chùm tia điện tử.......................................................... 21 Hình 13: Sơ đồ hệ ăn mòn phún xạ. ....................................................................... 23 Hình 14: Hình ảnh SEM và AFM của sợi nano silicon chế tạo ra.......................... 27 Hình 15 : Đặc trưng I-V của sợi nano silicon dài 10 micron.................................. 28 Hình 16 : Các chất sử dụng để silane hóa. .............................................................. 31 Hình 17: Cơ chế phản ứng của quá trình silan hoá. ................................................ 31 Hình 18: Ảnh SEM của bề mặt wafer silic sau khi xử lý bằng dung dịch APTES. 32 Hình 19: Sợi silicon trước khi gắn glutaraldehyte .................................................. 32 Hình 20: Ảnh SEM của bề mặt wafer sau khi xử lý bằng dung dịch glutaraldehyde. ................................................................................................................................. 33 Hình 21: Sau khi gắn thụ thể là PNA...................................................................... 33 Hình 22: Cơ chế khử lớp SiO2 trên mặt sợi Si-NWs. ............................................. 35 Hình 23: Sợi silic sau khi gắn 10-N-BOC. ............................................................. 36 vii Hình 24: Loại bỏ các nhóm chức bảo vệ gốc amin................................................. 36 Hình 25: Lớp bề mặt của sợi sau khi xử lý qua TFA và NH4OH ........................... 36 Hình 26: Lớp bề mặt của sợi sau khi gắn thụ thể là PNA....................................... 37 Hình 27: Sản phẩm ly trích DNA của bắp chuyển gene. ........................................ 41 Hình 28: Hệ thiết bị để tiến hành ghi lại sự thay đổi của dòng điện chạy qua sợi . 42 Hình 29 : Đặc trưng I-t của chíp sạch (chip chưa biến đổi bề mặt sợi) cho thấy dòng điện qua sợi không thay đổi khi cho dung dịch chứa DNA đi qua................ 43 Hình 29: Đặc trưng I-t của chíp chip chưa biến đổi bề mặt sợi và chíp đã biến đổi bề mặt khi cho dung dịch chứa 1 nM DNA ........................................................... 43 viii PHẦN MỞ ĐẦU Phát hiện và định lượng nhanh các phần tử sinh học như glucose, protein, ADN… ở nồng độ siêu nhỏ là một yêu cầu vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng của các ngành sinh học, y tế, dược phẩm và nông nghiệp… Ví dụ thông qua việc phát hiện các protein đặc trưng (protein markers), ADN đột biến (gen mutation), kháng nguyên và kháng thể (antibodies, antigents), glucose… trong bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, chính xác nhiều bệnh nguy hiểm như ung thư, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đường… 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) như vậy, mở ra những khả năng hoàn toàn mới cho nghiên cứu và ứng dụng trong các ngành khoa học liên quan như sinh học, y học, dược phẩm, nông nghiệp… Có nhiều kĩ thuật và phương pháp đã và đang được sử dụng để phân tích và định lượng các phần tử sinh học trên như kĩ thuật ELISA, Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR), cộng hưởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chưa có phương pháp nào trong các phương pháp truyền thống này có đầy đủ khả năng cho phép phát hiện nhanh, chính xác, đồng thời các phân tử sinh học nói trên. Do đó việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới có khả năng như thế đang được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu. Và một khả năng đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị phân tích hiện nay cần được nghiên cứu, nâng cao đó là độ nhạy. Ví dụ việc phát hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học nói trên ở nồng độ siêu nhỏ (trong khoảng nM-fM), sẽ cho phép chẩn đoán được bệnh trong thời gian tiền nhiễm bệnh. Trong thời gian này, các phương pháp y học (cả truyền thống và hiện đại) đều phát huy rất hiệu quả trong việc chữa trị, thậm chí với những bệnh hiểm nghèo như ung thư. Gần đây, nghiên cứu của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thư tuyến tiền liệt được phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân không cần dùng đến các phương pháp can thiệp của y học hiện đại (tốn kém, nhiều ảnh hưởng phụ). Trong trường hợp này, bệnh nhân chỉ cần uống nhiều nước, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (tress), thì bệnh gần như không phát triển hoặc thậm chí khỏi hẳn. Cảm biến sinh học trên cơ sở sợi nano silicon (Silicon nanowire 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 bó 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 - cảm biến sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có được. Do đó, việc nghiên cứu qui trình công nghệ, chế tạo ra các cảm biến sợi Si-NWs và ứng dụng cảm biến loại này vào phân tích sinh học đã và đang được quan tâm đặc biệt, và được tiến hành ở các nhóm nghiên cứu thuộc các Đại học hàng đầu trên thế giới và trong nước. Mục tiêu của luận văn Thạc sĩ này là: “Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon”. Đề tài được thực hiện, sử dụng các thiết bị chế tạo và đo đạc tại Phòng thí Nghiệm Công Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM. Nội dung nghiên cứu được trình bày trong các phần chính sau: Chương 1 – Tổng quan - Giới thiệu sơ lược về cảm biến sinh học. - Giới thiệu về cảm biến sinh học Chương 2 – Qui trình DEA và các kĩ thuật dùng để chế tạo sợi nano silicon - Qui trình chế tạo deposition and etching under angle (DEA) - Các kĩ thuật và công nghệ cơ bản của DEA để chế tạo sợi nano silicon Chương 3 – Chế tạo sợi nano bằng phương pháp DEA và kết quả chế tạo - Chi tiết các bước chế tạo sợi nano silicon bằng phương pháp DEA - Kêt quả chế tạo Chương 4 – Khảo sát khả năng phát hiện DNA của cảm biến - Biến đổi bề mặt sợi silicon thích hợp cho việc gắn thụ thể - Đo đạc, phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen. Kết luận Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon 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. Giáo sư Leyland D.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 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 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. II. 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 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 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. ii. 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. iii. 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. iv. 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 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. Với nhiều ưu việt như khả năng phát hiện nhanh, siêu nhạy các chỉ thị ung thư và các chất sinh học quan trọng khác như DNA, proteins, virut… bộ kít sợi nano đã và đang được các nhóm nghiên cứu và công ty đa quốc gia đầu tư, nghiên cứu, để thương mại hóa trong một vài năm tới [ref]. Do đó mục tiêu của luận văn Thạc sỹ này là: “Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng của cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc nano silicon”. Công việc được thực hiện tại PTN CNNN, ĐHQG Tp.HCM. 6 Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon CHƯƠNG 2 QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON I. Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon Với rất nhiều tính chất ưu việt như tính dẫn điện, tính chất quang, và tính siêu nhạy khi sử dụng làm cảm biến mà thiết bị và linh kiện truyền thống không có được, linh kiện và cảm biến xây dựng trên cấu trúc sợi nano đã và đang được quan tâm nghiên cứu tại các Phòng Thí Nghiệm và các đơn vị nghiên cứu hàng đầu trên thế giới (Lieber group tại Đại học Harvard; http://cmliris.harvard.edu/. Health group tại Đại học Caltech ; http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/ Yang group tại Đại học California; http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html. Viện Công Nghệ Nano MESA+, Hà lan; http://www.mesaplus.utwente.nl/). Viện nghiên cứu A-star Singapore; http://www.a-star.edu.sg/ v.v… Các kết quả nghiên cứu về sợi nano nói chung và cảm biến sợi nano nói riêng đã và đang được công bố trên hơn 5000 nghìn bài báo, tại các tạp chí khoa học uy tín lớn nhất trên thế giới như Science và Nature. Vì những lí do trên, có thể nói rằng đến ngày hôm nay, các nhóm nghiên cứu đã phát minh, sáng tạo ra rất nhiều phương pháp để chế tạo sợi nano kim loại và bán dẫn, với kích thước và tính chất đa dạng, phù hợp cho các mục đích nghiên cứu và ứng dụng khác nhau ( Hình 2). Tuy các nhóm nghiên cứu đã gần như làm chủ được công nghệ chế tạo sợi nano, nhưng việc chế tạo được linh kiện nano (hình 2d) với các đường dẫn kết nối ra mạch điều khiển bên ngoài vẫn còn là một vấn đề vô cùng khó khăn. Để đi đến linh kiện như hình 2d, các nhà khoa học phải thực hiện rất nhiều bước thực nghiệm như chọn lọc đơn sợi, rồi chế tạo điện cực cho đơn sợi đó. Các công việc này là rất khó khăn và đòi hỏi nhiều thời gian vì cấu trúc siêu nhỏ của sợi. Việc này cần đến các thiết bị chuyên dụng, đắt tiền. Ngoài ra, độ lặp lại của linh kiện cũng không cao do việc chế tạo thủ công, đơn chiếc. Việc sử dụng các thiết bị quang khắc nano chuyên dụng nhu E-Beam nanolithography, Focused Ion Beam, AFM để chế tạo các đơn sợi ở các vị trí định sẵn sẽ loại bỏ được việc chọn lọc sợi và dễ dàng hơn trong việc tạo điện cực kết nối mạch 7 Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon ngoài. Tuy thế các thiết bị quang khắc nano nói trên đều rất đắt tiền, đi kèm với năng suất thấp, dẫn đến giá thành chế tạo linh kiện quá cao, hạn chế khả năng nghiên cứu cũng như ứng dụng rộng rãi của linh kiện sợi nano nói chung và cảm biến sợi nano nói riêng. Hiện nay các nhóm nghiên cứu trên thế giới đang tập trung nghiên cứu, tìm kiếm các phương pháp chế tạo mới, cho phép chế tạo đồng loạt, nhằm hạ giá thành, tiến tới việc thương mại hóa rộng rãi linh kiện loại này trong vòng 3-5 năm tới. Khi đó, với nhiều ưu việt vượt trội, linh kiện và thiết bị dựa trên cấu trúc sợi nano được kì vọng sẽ góp phần thay đổi bản chất nhiều nghiên cứu và ứng dụng truyền thống trong nhiều lĩnh vực, từ quang học, đến điện học, y tế … Với những lí do nêu trên, việc nghiên cứu để đưa ra công nghệ chế tạo được các sợi nano, và sau đó là linh kiện nano, trong điều kiện còn hạn chế nhiều về cơ sở vật chất, kiến thức chuyên ngành của Việt nam là một nhiệm vụ tuy khó khăn, nhưng cấp thiết và mang nhiều ý nghĩa và ích lợi quan trọng. Để giải quyết được nhiệm vụ này, nhóm tác giả đã chọn các phương pháp nghiên cứu sau: • Nghiên cứu, phân tích các tài liệu, bài báo chuyên ngành (> 100 bài báo, tạp chí), về chế tạo nano nói chung và chế tạo sợi nano nói riêng. Từ mỗi bài báo, tìm cách học hỏi các điểm mạnh, cũng như chỉ ra các điểm hạn chế của mỗi phương pháp chế tạo, đúc rút ra phương pháp khả thi để chế tạo sợi nano Silicon. • Trao đổi kiến thức với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo nano và sợi nano (MINATEC của Pháp, Nanosens của Hà lan, Nhóm nghiên cứu Biosensors ĐH Tổng hợp Twente, Hà lan …). • Tìm hiểu khả năng chế tạo của các thiết bị và cơ sở vật chất hiện có của PTN CNNN, ĐHQG TP.HCM. Từ các thông tin và phân tích nói trên, nhóm tác đã đưa ra một qui trình chế tạo mới, phù hợp với điều kiện cơ sở của PTN Công Nghệ Nano, ĐHQG TP.HCM, để 8 Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon SiO2 Si Si3N4 SiO2 Đế Si B Quang khắc, ăn mòn Si3N4 A Lắng Si3N4 đọng SiO2/ Ăn mòn tạo nên 1 kênh lW=3 µm B Nhìn từ trên C Ăn mòn ướt SiO2 lắng đọng theo góc nghiên 45o -45o E Ăn mòn lớp mạ bằng chùm ion (Ion Beam Etching) D Lắng đọng tạo lớp mạ Crom 9 Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon Mặt nạ Mặt nạ sợi nano Cr F Nhìn từ trên F Tách lớp Si3N4 Vùng gắn điện cực G Tách lớp SiO2 G Nhìn từ trên điện cực Si- NW Sợi Si-NW G Nhìn từ trên H Ăn mòn lớp Si Hình 4: Sơ đồ khối các bước công nghệ cơ bản của qui trình DEA, phần lớn chỉ sử dụng các kĩ thuật cơ bản của công nghệ micro mà PTN CNNN hiện có, để chế tạo sợi nano Silicon trên đế silicon. Chíp chế tạo ra có các đơn sợi nano silicon, mỗi đơn sợi đều có điện cực nối ra mạch điều khiển mạch ngoài, thích hợp cho việc đo đạc, khảo sát và ứng dụng làm cảm biến đinh lượng sinh học sau này. chế tạo được linh kiện sợi nano silicon (Si), có kích thước và tính chất phù cho 10 Nghiên cứu, chế tạo, ứng dụng cảm biến sinh học sợi nano silicon việc sử dụng làm cảm biến sinh học tiếp theo (Hình 4). Qui trình công nghệ để chế tạo sợi nano nói trên gồm các bước cơ bản sau:  Chế tạo lớp cách điện SiO2 trên đế silicon loại đặc biệt SOI (semiconductor on insulator - SoiTec), với lớp silicon trên cùng có độ dày 30 nm, hạt dẫn loại P với nồng độ hạt tải 5. 10 18 hạt tải /cm3, lớp cách điện SiO2 có độ dày 150 nm, đế silic có độ dày 500-700 micron  Quang khắc để tạo cửa sổ ăn mòn  Ăn mòn khô để tạo bậc nano trên lớp SiO2  Bốc bay tạo màng Cr trên bậc nano SiO2  Ăn mòn dưới góc nghiêng để loại bớt màng Cr, tuy thế do cấu trúc ăn mòn, một phần màng Cr được che chắn bởi bậc nano SiO2, tạo lên sợi nano Cr nằm dọc theo bậc SiO2. (Bước này được thực hiện trên thiết bị Ion Beam Etching (IBE) của Viện nghiên cứu MESA+, Hà lan, do PTN CNNN hiện chưa có thiết bị IBE.  Ăn mòn thẳng đứng Silicon, dùng Cr làm lớp bảo vệ, để có được các sợi nano silic nằm bên dưới sợi nano Cr.  Ăn mòn ướt với độ chọn lọc cao, loại bỏ lớp Cr, để có được các sợi nano silic.  Bốc bay đường dẫn (Pt/Ni) cho các sợi nano silicon.  Ủ nhiệt để tạo tiếp xúc Ohmic cho sợi silicon (Ni dùng làm vật liệu bám dính và giúp tạo tiếp xúc Ohmic.  Bốc bay tạo lớp cách điện cho điện cực Pt/Ni (vì trong khi đo đạc trong dung dịch, chỉ sợi Silic là được tiếp xúc với dung dịch đo, trong khi các điện cực cần được cách điện hoàn toàn với dung dịch để tranh dòng điện rò giữa hai điện cực kim loại. Kĩ thuật và thông số chi tiết của các bước công nghệ cơ bản trên sẽ được nghiên cứu, khảo sát và trình bày chi tiết trong chương 3. 11