Tài liệu Bài thuyết trình cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

Cảm biến sinh học dựa trên kỹ thuật điện tử Spin Nhóm thực hiện: Bùi Duy Khánh 1119494 Nguyễn Thị Thu 1119526 Giới thiệu Ý tưởng tích hợp việc nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng các loại phân tử sinh học thành một thiết bị cầm tay dễ sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích  một hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” được đưa ra - là một thiết bị phát hiện, nhận dạng, và truyền thông tin về một sự thay đổi sinhlý, hay sự có mặt của các chất hóa học khác nhau, hoặc những vật liệu sinh học trong môi trường Cùng với sự phát triển của điện tử học spin, thay vì nhận biết các phân tử sinh 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,... NỘI DUNG TỔNG QUÁT: Các khái niệm: Khái niệm cảm biến sinh học Định nghĩa công nghệ spintronics Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin Nguyên lý hoạt động Ưu điểm Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin 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) 1. Giới thiệu 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 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”. Cấu tạo chung của cảm biến sinh học Đầu thu sinh học • 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. • Phân loại: – – – – – – Đầu thu làm từ enzyme. Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên. Đầu thu làm từ protein. Đầu thu làm từ các axit nucleic. Đầu thu kết hợp. Đầu thu làm từ tế bào Tác nhân cố định • có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế • 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 • Chuyển đổi điện hoá: dựa trên điện thế, dòng điện và độ dẫn điện • Chuyển đổi quang: dựa trên các hiệu ứng hấp thụ ánh sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio-luminiscence; chemi–luminiscence.. • Chuyển đổi nhiệt: dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành hoặc phá vỡ các liên kết hóa học trong các phản ứng của enzyme • Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện: dựa trên nguyên lý tinh thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi • Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ. Mô hình cấu tạo của 1 cảm biến từ: 2. Công nghệ Spintronics • Thế hệ thứ nhất: 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..., vd: các cảm biến, đầu đọc từ điện trở trong các đĩa cứng, MRAM, transitor kim loại, transitor valse spin, công tắc/khoá đóng mở spin, ... • Thế hệ thứ hai: các linh kiện 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. Vd: các mạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được,... • Thế hệ thứ ba: 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), ... II. Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spin Biochip? • Thông thường biochip là một miếng nhỏ hình vuông bằng thuỷ tinh hay nhựa hoặc silicon trên đó có gắn các thụ thể • biochip có thể chứa từ hàng triệu đến hàng chục triệu yếu tố cảm biến (cảm ứng sinh học) biochip sử dụng công nghệ spin • Các đối tượng dò tìm được nhỏ lên trên bề mặt • Các phân tử sinh học có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc sau bước lai hóa • Các hạt từ thường là siêu thuận từ hoặc sắt từ không có từ dư, kích thước nano hoặc mircro, có khả năng gắn kết với các phân tử sinh học. • từ trường  các hạt từ bị từ hóa, từ độ tổng hợp xuất hiện  thay đổi điện trở của cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử  nhận biết được các phân tử sinh học cần phân tích. Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin: - 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. III. Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR Biosensor) Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR là hiện tượng tăng điện trở dưới tác dụng của từ trường (tác dụng của cảm ứng từ B) do lực Lorentz tác dụng lên các hạt tải điện. Nguyên tắc hoạt động AMR Biosensor dựa vào sự tán xạ của điện tử theo hướng momen từ của vật liệu • 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 là một đường tròn khép kín (hình 4.b), dòng điện dễ dàng chạy qua cảm biến  hiệu ứng AMR của vòng sẽ là lớn nhất. • khi có hạt từ với momen từ vuông góc với bề mặt của cảm biến tại tâm của cảm biến  từ độ của vòng sẽ hướng tâm (hình 4.c), vuông góc với dòng điện, cản trở sự di chuyển của các điện tích chạy qua vòng cảm biến  hiệu ứng AMR của vòng là nhỏ nhất. Thiết bị này thích hợp trong việc dò tìm các hạt đơn lẻ Cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR Biosensor) • Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ là sự thay đổi lớn (nhảy vọt) của điện trở ở các vật liệu từ dưới tác dụng của từ trường ngoài. • hình A hai lớp kim loại từ 1&3 có cùng chiều từ hóasố electron có spin cùng chiều với chiều từ hóa  đi qua các lớp dễ dàng và  điện trở nhỏ. • thay đổi chiều từ hóa đối lớp từ 3 (hình B)  các electron có spin ngược chiều với chiều từ hóa  bị khuếch tán nhiều hơn, dòng điện giảm đi  điện trở tăng mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR 3) 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.