ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
PHẠM MINH KHANG
CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT
CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN
Chuyên ngành:
Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Thành phố Hồ Chí Minh – 2014
ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
PTN CÔNG NGHỆ NANO
PHẠM MINH KHANG
CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT
CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN
Chuyên ngành:
Vật liệu và Linh kiện Nanô
(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)
LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỐNG DUY HIỂN
Thành phố Hồ Chí Minh - 2014
2
LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan nội dung đề tài này do chúng tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện.
Kết quả trình bày trung thực chính xác. Đề tài này chƣa đƣợc công bố trên bất kỳ
phƣơng tiện nào.
Kết quả thực nghiệm đo tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện. Mọi bảng biểu,
đồ thị, hình ảnh do có đƣợc do chúng tôi xử lý kết quả thí nghiệm mà có.
Xin cam đoan mọi thông tin là đúng sự thật, nếu có bất kỳ vấn đề gì tôi chịu
hoàn toàn trách nhiệm.
Tp. HCM, ngày 1 tháng 1 năm 2014
Học viên cao học
Cán bộ hƣớng dẫn
Phạm Minh Khang
TS. Tống Duy Hiển
3
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên tôi xin đƣợc gửi tới TS. Tống Duy Hiển lời biết ơn chân thành và
sâu sắc nhất. Thầy là ngƣời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp
đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Văn Bình, anh đã đồng hƣớng dẫn, đã
tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này.
Tôi xin cảm ơn đề tài KC04 đã cấp kinh phí để tôi có thể thực hiện luận văn
này.
Xin cảm ơn giáo viên phản biện đã dành thời gian đọc, góp ý và đánh giá cho đề
tài.
Xin cảm ơn các thầy cô Trƣờng ĐH Công Nghệ ĐHQGHN và thầy Đặng Mậu
Chiến đã hợp tác mở chuyên ngành mà tôi đang theo học này tại Tp HCM.
Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phan Thanh Nhật Khoa, bạn Phạm Xuân
Thanh Tùng, bạn Nguyễn Thị Ngọc Nhiên, các anh chị và các bạn thuộc Phòng Thí
Nghiệm Công Nghệ Nano (LNT) đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt
quá trình thực hiện đề tài này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô đã giảng dạy trong quá trình suốt khóa
học. Và đặc biệt gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Mỹ Lê - phòng đào tạo của LNT
đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian khóa học diễn ra.
Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn ở LNT đã tạo điều kiện
để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn.
Xin cảm ơn tất cả bạn bè anh em gần xa, đặc biệt anh Bùi Hà Quốc Thắng đã
động viên và giúp tôi nhiều trong phần tài liệu, kiến thức, xử lý số liệu.
Cuối cùng tôi xin đƣợc cảm ơn những ngƣời thân yêu trong gia đình, đã luôn
động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình.
4
MỤC LỤC
TRANG BÌA PHỤ ....................................................................... Error! Bookmark not defined.
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................3
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................4
MỤC LỤC............................................................................................................................................5
DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................................7
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .....................................................................................................7
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT....................................................................................... 10
MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 11
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................................................. 14
1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học .............................................................................................. 14
1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học ........................................................................................... 14
1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học ......................................................................... 14
1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học ............................................................................................. 15
1.1.4. Ứng dụng và thị trƣờng cảm biến sinh học ..................................................................... 16
1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................... 17
1.2.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan .................................................................... 17
1.2.2. Các phƣơng pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................................... 18
1.2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến .................................................................................. 19
1.3 Phƣơng pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic ..................................................... 22
1.3.1 Phƣơng pháp Top down ................................................................................................... 22
1.3.2 Phƣơng pháp Bottom up................................................................................................... 26
CHƢƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO ................................................. 28
2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic .............................................. 28
2.1.1 Nguyên vật liệu ................................................................................................................ 28
2.1.2 Qui trình chế tạo ............................................................................................................... 29
2.2 Phƣơng pháp chức năng hóa bề mặt ........................................................................................ 46
2.2.1 Vật liệu, hóa chất cần thiết ............................................................................................... 47
5
2.2.2 Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si ............................................................................. 48
2.2.3 Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng .................................................................................. 52
CHƢƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC .......... 55
3.1 Tính chất hình thái sợi Si tạo thành ......................................................................................... 55
3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si ................................................................ 57
3.2.1 Đặc trƣng I – V................................................................................................................. 58
3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias ...................................................................... 59
3.3 Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic .......................... 62
CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT
HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN ....................................................................... 68
4.1 Chuẩn bị AFP .......................................................................................................................... 68
4.2 Chuẩn bị hệ đo......................................................................................................................... 68
4.3 Tiến hành đo đạc, kiểm tra ...................................................................................................... 69
KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................................ 74
I. Kết luận ...................................................................................................................................... 74
II. Cách khắc phục hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài ........................................................... 75
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 77
6
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tƣơng ứng của ung thƣ gan ......................... 19
Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC .................................. 32
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học.............................................. 14
Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng
trường sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi
Silic kích thước nanomet. Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực
cổng ở đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có
các phần tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương,
cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm. Trong khi
đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên ................................... 20
Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn
một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên có
thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau ................................................................... 21
Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa bề
mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET ...................................... 22
Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn mòn là quá trình khuếch tán, quá trình ăn mòn,
và quá trình thải sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài. ......................................... 23
Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng ............... 24
Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si ........ 28
Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của
công nghệ micro. Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN. Tuy nhiên bước
pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+,
Hà Lan). ......................................................................................................................... 30
Hình 2.3: Máy quay li tâm ............................................................................................. 32
Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt ........................................................................................ 33
Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt .................................... 34
Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt .......................................................................... 35
7
Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI,
làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến sợi nano
Si. ................................................................................................................................... 35
Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601. ................... 35
Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO2 tạo ra trên đế
SOI. ................................................................................................................................ 36
Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy
Ellipsometer ................................................................................................................... 36
Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực ........................................................................... 38
Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si ..................................................................................... 39
Hình 2.13: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có một sợi Si.
Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ..... 40
Hình 2.14: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có ba sợi Si. Sợi
có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 40
Hình 2.15: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có 4 sợi Si. Sợi
có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 41
Hình 2.16: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến, trên đó có 3
vùng chứa sợi. Mỗi vùng có 3 sợi, 4 sợi và 5 sợi. Sợi có chiều ngang khoảng 2um,
chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um .......................................................... 41
Hình 2.17: Các bước tạo backgate từ phía trên của wafer. .......................................... 42
Hình 2.18: Hệ phún xạ UNIVEX 350 tại PTN CNNN được sử dụng để chế tạo điện cực
cho các đơn sợi Si. ......................................................................................................... 43
Hình 2.19: Các bước thực hiện đểchế tạo điện cực điện Pt/Ti cho các sợi Si. Tiếp theo
là tạo lớp cách điện SiO2 cho các điện cực này. Với cấu trúc này, chỉ phần sợi Si là
tiếp xúc với dung dịch trong các bước đo đạc sau này còn lại toàn bộ bề mặt của chip
được phủ bởi lớp cách điện SiO2 ................................................................................... 45
Hình 2.20: Wafer trong đó có chứa các chip sợi Si sau khi kết thúc qui trình chế tạo. 46
Hình 2.21: Sơ đồ khối các bước chức năng hóa bề mặt chip sợi Silic .......................... 48
Hình 2.22: Cơ chế hình thành lớp SAM trên bề mặt Si-OH.......................................... 49
Hình 2.23: Linker 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) ................................... 50
Hình 2.24: Qui trình chức năng hóa bề mặt trên bề mặt Si có phủ lớp Si tự nhiên ...... 50
Hình 2.25: Chip sau khi làm sạch được gắn một vòng epoxy bao quanh vùng làm việc.54
8
Hình 3.1: Kênh dẫn 1 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55
Hình 3.2: Kênh dẫn 4 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55
Hình 3.3: Hình ảnh SEM (scanning electron microscopy) mô tả tổng thể cấu trúc của
một chip loại 10x10mm bao gồm các sợi Si có độ dài 14 µm, đường dẫn và vùng cửa
sổ (sensing area). ........................................................................................................... 56
Hình 3.4: Hình ảnh SEM của một chip chứa kênh dẫn gồm 5 sợi Si. ........................... 56
Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo
sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c)......................................................................... 57
Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi không có
điện thế biasing (Vg= 0). Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa
sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti. ............................................................................... 58
Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi không có
điện thế biasing (Vg= 0). ............................................................................................... 59
Hình 3.8: Sơ đồ khối mô tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của
điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si. ................................................................... 60
Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau. Các
điện thế bias được thay đổi từ -4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến
2V. .................................................................................................................................. 61
Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm
biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si. Các điện thế bias được thay đổi từ 4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến 2V. ....................................... 61
Hình 3.11: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b)
gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ trước khi
đánh siêu âm. ................................................................................................................. 63
Hình 3.12: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b)
gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ sau khi
đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 64
Hình 3.13: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ
(a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút trước khi
đánh siêu âm. ................................................................................................................. 64
9
Hình 3.14: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ
(a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút sau khi
đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 65
Hình 3.15: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1
giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ trước khi đánh siêu âm.65
Hình 3.16: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1
giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ sau khi đánh siêu âm
trong 3 phút. .................................................................................................................. 66
Hình 3.17: Thụ thể F-LCA bám trên thành giếng epoxy ............................................... 67
Hình 3.18: Thụ thể F-LCA có xuất hiện trong vùng làm việc của chip. ....................... 67
Hình 4.1: Hệ giữ chíp và hổ trợ đo phát hiện các chất chỉ thị sinh học ....................... 69
Hình 4.2: Đặc trưng I-V của sợi Si với các giá trị khác nhau của VBG......................... 70
Hình 4.3: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 500 ng/ml...... 71
Hình 4.4: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 100 ng/ml ...... 72
Hình 4.5: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và
trong dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml. .................................................................. 73
Hình 4.6: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và
trong dung dịch AFP ở nồng độ 500 ng/ml. .................................................................. 73
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
HCC
:
Hepatocellular carcinoma
SOI
:
Semiconductor on insulator
DI
:
De-ion (khử ion)
Si NW FET :
Silicon Nanowire Field Effect Transistor
SAM
:
Self assembled monolayer
SEM
:
Scanning electron microscopy
GPTS
:
3-glycidoxypropyltrimethoxysilane
AFP
:
Alpha fetoprotein
F-LCA
:
Fluorescein-Lens culinaris agglutinin
PBS
:
Phosphate buffered saline
10
MỞ ĐẦU
Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã đƣợc nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn đang
thu hút đƣợc nhiều nguồn lực và ngân sách. Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học
đều nhằm phát hiện đƣợc một đối tƣợng sinh học cần phân tích nào đó. Quá trình cảm
biến dựa trên một sự gắn kết đặc biệt hoặc phản ứng của chất cần phân tích với một
phần tử nhận diện đã đƣợc biết trƣớc. Trong các phƣơng pháp phân tích không phá
hủy mẫu, phép phân tích dựa chủ yếu vào sự thay đổi tính chất vật lý của cảm biến khi
có sự bắt cặp giữa chất phân tích và chất thử hoặc có sản phẩm mới tạo thành. Nhu cầu
khoa học ngày nay, không những yêu cầu phải phát hiện một chất phân tích đặc biệt
nào đó mà đòi hỏi phân tích tổng hợp cùng lúc nhiều yếu tố khác nhau. Vì thế yêu cầu
tích hợp một lƣợng lớn các cảm biến trong một quy trình phân tích tối ƣu là một đòi
hỏi thiết thực.
Trong nền công nghệ máy vi tính, một thành tựu đột phá là sự chế tạo thành
công mạch tích hợp, gồm các transitor đƣợc chế tạo đồng thời và kết hợp lại với nhau
trong một con chíp duy nhất. Tƣơng tự với mô hình trong công nghệ máy tính, nhiều
cảm biến sinh học khác nhau dựa trên cấu trúc transitor, có khả năng phát hiện đồng
thời nhiều chất cần phân tích khác nhau, đƣợc chế tạo đồng thời với nhiều transitor
tích hợp lại thành một đơn chíp có thể phát hiện đồng thời nhiều thông số mong muốn.
Để thực hiện quá trình cảm biến, các transitor trong một chíp cần có một bộ phận
chuyển đổi tính hiệu từ các quá trình phản ứng sinh hóa, các quá trình bắt cặp đặc biệt
của chất phân tích thành tín hiệu điện có thể ghi nhận đƣợc.
Chính vì có mối liên hệ này đòi hỏi ta phải nghiên cứu sự đáp ứng của chất bán
đẫn, chất chính yếu trong công nghệ máy tính, với môi trƣờng sinh hóa xung quanh
nó. Tại bề mặt của chất bán dẫn, điện tích xuất hiện do thế điện của các phân tử lận
cận gây ra. Điện tích này ảnh hƣởng đến độ dẫn của chất bán dẫn. Sự thay đổi về độ
dẫn điện của chất bán dẫn có thể dễ dàng đo đƣợc bằng cách bố trí hợp lý các hệ đo
điện có độ chính xác cao.
Transitor có cấu tạo gồm ba điện cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng. Bằng
cách thay đổi điện thế cực cổng có thể tăng hoặc giảm điện tích chạy qua cực nguồn và
cực máng. Transitor với tính chất nhƣ thế gọi là transitor hiệu ứng trƣờng (Field Effect
11
Transistor-FET). Dòng điện trong transitor với một hiệu điện thế không đổi có thể
đƣợc điều khiển bằng thay đổi điện áp vào cực cổng, ngoài ra còn có thể bởi các điện
tích của các thành phần hóa học tại bề mặt chất bán dẫn. Những yêu cầu của loại
transitor ứng dụng làm cảm biến sinh học này khác so với loại dùng trong các mạch
logic của máy tính. Chất bán dẫn, làm bộ phận cảm biến của transitor, phải đƣợc để lộ
ra trong môi trƣờng chứa chất phân tích. Bộ phận cảm biến này phải đủ nhỏ và phải có
diện tích bề mặt lớn để làm bộ phận cảm biến thông qua hiệu ứng bề mặt. Vì độ chính
xác phụ thuộc tỉ lệ điện tích bề mặt so với tổng điện tích.
Dựa trên các yêu cầu đó transitor hiệu ứng trƣờng dùng sợi silic là một lựa chọn
tốt nhất, vì chúng là chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm các transitor trong công nghệ máy
tính từ lâu, nên công nghệ chế tạo mạch tích hợp từ các transitor dùng silic là một lợi
thế lớn.
Kể từ khi transitor hiệu ứng trƣờng sợi Silic (Si NW FET) đƣợc chế tạo và ứng
dụng
làm
cảm
biến
sinh
học
vào
2001
bởi
Y
Cui
(http://www.stanford.edu/group/cui_group/) và Lieber (http://cmliris.harvard.edu/),
ngoài ra Si NW FET đã thu hút sự nhiều nhóm nghiên và viện nghiên cứu trên thế
giới: Peidong Yang: http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html; Health groupCaltech: http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/Publications.html#; Viện Công Nghệ
Nano MESA http://www.mesaplus.utwente.nl/; Viện nghiên cứu A-star Singapore:
http://www.a-star.edu.sg; Autralia Research Council: http://www.materials.com.au/;
Đại
học
KTH
Thụy
Điển
http://www.kth.se;
Nanosens:
http://www.nanosens.nl/product.htm
Vì cảm biến Si NW FET là một thiết bị hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng
từ quản lý sức khỏe đến nghiên cứu thuốc. Thiết bị đã chứng tỏ khả năng phát hiện
nhiều chất phân tích khác nhau, nhƣ chuỗi DNA, các biomaker của ung thƣ, các thụ
thể lớn hơn nhƣ virus. Chúng cũng đƣợc dùng kiểm soát hoạt tính các enzyme và
nghiên cứu về cơ chế của các phân tử thuốc tiềm năng. Phát hiện các chất phân tích
với độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong một thời gian hợp lý là một lợi thế đang dần
thành hiện thực của Si NW FET.
12
Ung thƣ gan là một trong những loại ung thƣ nhiều nhất trên thế giới, và là ung
thƣ có tỉ lệ tử vong cao nhất ở nam giới. Với số lƣợng bệnh nhân rất lớn đang cần phải
phân tích mẫu phẩm thƣờng xuyên để phục vụ công đoạn điều trị, cộng với khoảng
trên 10000 ca mắc mới mỗi năm, thêm vào đó là số lƣợng khổng lồ trên 10 triệu ngƣời
bị nhiễm siêu vi B và siêu vi C (là những đối tƣợng có khả năng bị ung thƣ gan cao,
cần đƣợc đi khám định kì) đang tạo ra một nhu cầu rất lớn về phân tích kiểm tra các
chỉ thị ung thƣ gan trong máu để chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan. Nhƣng đến
thời điểm này, có thể nói rằng tất cả các cơ sở khám và chữa bệnh trong nƣớc hiện
đang phải sử dụng các thiết bị, máy móc và công nghệ nhập ngoại để thực thi các công
việc này. Việc không làm chủ đƣợc công nghệ nguồn, không chế tạo đƣợc các bộ KÍT
để phân tích định tính và định lƣợng các chỉ thị sinh học của ung thƣ gan đã và đang
hạn chế rất nhiều đến khả năng chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan. Do đó, việc
nghiên cứu, làm chủ công nghệ, chế tạo thành công bộ kít nano sinh học phục vụ cho
việc phát hiện với độ nhạy cao các chỉ thị ung thƣ gan, phục vụ chẩn đoán ung thƣ gan
với độ chính xác cao là hết sức cần thiết, và vì thế đƣợc xác định là đối tƣợng nghiên
cứu chính của đề tài nghiên cứu này.
Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc Si W FET
để phát hiện các chất chỉ thị sinh học của gan. Nhƣng vì đây là một đề tài có liên quan
đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ vật liệu, vật lý, hóa học, sinh học và y học. Đồng
thời trên thế giới nó là lĩnh vực mới nên cũng chƣa có kết quả để đối chiếu. Do đó
nhiệm vụ ban đầu là chế tạo thành công chíp Si W FET, sau đó ứng dụng phát hiện các
chất chỉ thị trong ung thƣ gan trong dung dịch nuôi cấy với nồng độ các chất chỉ thị
sinh học cao để đánh giá tính chất, khả năng phát hiện của chíp chế tạo đƣợc.
13
CHƢƠNG I: TỔNG QUAN
1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học
1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc
hiệu của yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) với bộ chuyển đổi
(transducer) tạo ra tín hiệu tƣơng ứng với nồng độ chất cần phân tích (Hình 1.1). Tín
hiệu này có thể đƣợc sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các
khí nhƣ NH3 hay O2, hoặc do hiện tƣợng phản xạ, hấp thu, phát xạ, tỏa nhiệt, những
thay đổi về khối lƣợng, v.v. Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic
acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô, v.v. Bộ chuyển đổi (transducer) sẽ
chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo đƣợc nhƣ dòng điện, điện thế, sự thay đổi
nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lƣợng bằng phƣơng pháp điện hóa, nhiệt,
quang, hay áp điện. Nhìn chung về nguyên tắc, phân tử nhận diện có thể kết hợp với
bộ chuyển đổi phù hợp để tạo ra cảm biến sinh học có thể hoạt động đƣợc.
Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học
1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học
Trong hơn 50 năm qua, số lƣợng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm
biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị. Nhiều nhà nghiên cứu
thuộc các chuyên ngành khác nhau đều tham gia lĩnh vực này, từ hóa học tới vật lý, vi
sinh vật học, và cả kỹ thuật điện. Khái niệm cảm biến sinh học đã đƣợc đƣa ra cách
đây hơn bốn thập niên. Theo Malhotra (2003), cảm biến sinh học đã trải qua những
mốc lịch sử quan trọng, đánh dấu những bƣớc phát triển rõ rệt.
Giáo sƣ Clark là cha đẻ của khái niệm cảm biến sinh học khi công bố nghiên
cứu về điện cực oxy (oxygen electrode) vào năm 1956. Năm 1962, tại hội nghị diễn ra
14
ở New York, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase
(GOX) đƣợc “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy. Khi nồng
độ glucose trong môi trƣờng giảm, nồng độ oxy trên bề mặt điện cực cũng giảm tƣơng
ứng. Tuy nhiên mối quan tâm về cảm biến sinh học chỉ thực sự gia tăng kể từ khi
Updike và Hicks (1967) dùng thuật ngữ “điện cực enzyme” để mô tả một thiết bị
tƣơng tự, trong đó enzyme GOX đƣợc giữ trong một lớp gel polyacrylamide gắn trên
bề mặt điện cực oxy để phát hiện và định lƣợng nhanh glucose. Thí nghiệm này đánh
dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực
công nghệ sinh học và môi trƣờng. Guilbault và Montalvo (1969) sử dụng điện cực
thủy tinh kết hợp với enzyme để đo nồng độ urea bằng phƣơng pháp đo điện thế. Hầu
hết các nghiên cứu về các cảm biến sinh học enzyme lúc bấy giờ đều tập trung vào
cảm biến theo dõi glucose trong máu dựa vào phƣơng pháp đo dòng. Các cảm biến
sinh học đo dòng đƣợc chia làm ba thế hệ. Thế hệ cảm biến đầu tiên đƣợc đề nghị bởi
Clark và Lyons và đƣợc Updike và Hicks bổ sung khi sử dụng thuật ngữ “điện cực
enzyme”. Rechnitz và cộng sự (1971) đã phát triển một cảm biến kết hợp điện cực
chọn lọc ion (Ion Selective Electrode - ISE) với betaglucosidase để tạo ra
benzaldehyde và cyanide. Roche (1976) giới thiệu thiết bị phân tích lactate LA 640 sử
dụng hexacyanoferrate (Fe(CN)6 3-/4+) làm chất trung gian cho vận chuyển electron từ
enzyme lactate dehydrogenase tới điện cực để phát hiện lactate. Đây là “cảm biến
enzyme thế hệ thứ hai”. Thế hệ cảm biến enzyme thứ ba đƣợc đánh dấu bằng việc sử
dụng chất trung gian vận chuyển electron (O2 hay chất nhân tạo).
Enzyme và chất trung gian cùng đƣợc cố định trên bề mặt điện cực. Năm 1986,
Di Gleria và cộng sự chế tạo cảm biến sinh học hoạt động theo nguyên tắc điện hóa
gián tiếp sử dụng ferrocene thay cho O2 để làm giảm các chất gây nhiễu nhƣ uric acid
và ascorbic acid.
1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học
Cảm biến sinh học có thể đƣợc phân loại theo các yếu tố nhận diện sinh học
(biorecognition element) hay theo phƣơng thức chuyển đổi tín hiệu (signal
transduction) (Malhotra, 2003; Rodriguez – Mozar, 2004).
1.1.3.1. Phân biệt dựa vào yếu tố nhận diện sinh học
Dựa vào các yếu tố nhận diện sinh học, cảm biến sinh học đƣợc phân chia thành
các nhóm sau:
Cảm biến sinh học xúc tác (catalytic biosensors): còn gọi là cảm biến sinh học
enzyme, sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện sinh học đƣợc cố định trên bộ
chuyển đổi tín hiệu nhƣ điện cực, sợi phát quang, hiệu ứng trƣờng điện từ (field
effect transistor - FET). Sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện rất phổ biến
trong thế hệ cảm biến thứ nhất nhờ khả năng thƣơng mại hóa và dễ dàng phân
tách và tinh sạch từ nhiều nguồn khác nhau (Rogers và Mascini, 1998).
15
Cảm biến sinh học ái lực (bioaffinity sensors): là thiết bị phân tích sử dụng yếu
tố nhận diện sinh học kháng thể, protein, vật liệu mô phỏng sinh học, hay DNA
đƣợc tích hợp với một bộ chuyển đổi tín hiệu (Rogers và Mascini, 1998).
Cảm biến sinh học dựa trên tế bào sống (cell - based biosensors): sử dụng vi
sinh vật sống còn nguyên vẹn, hoặc mô làm yếu tố nhận diện sinh học. Tế bào
đƣợc chia thành hai nhóm dựa vào cơ chế cảm biến, khả năng biểu hiện đặc
hiệu đối với chất hóa học hay tình trạng “stress”, đƣợc sử dụng để khảo sát môi
trƣờng, khí quyển (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005) và phát hiện tác nhân
gây “stress”, bao gồm dioxin, các chất gây rối loạn nội tiết và sự bức xạ ion
hóa.
1.1.3.2. Phân biệt dựa vào tính năng của bộ chuyển đổi
Dựa vào bản chất hoạt động của bộ chuyển đổi, cảm biến sinh học đƣợc phân
biệt thành các nhóm sau:
Bộ chuyển đổi điện hóa (electrochemical transducer):
Kỹ thuật đo thế (potentiometric): đo điện thế giữa điện cực so sánh và
điện cực hoạt động trong điều kiện dòng điện bằng 0. Điện thế đo đƣợc
tỷ lệ thuận với logarit của độ hoạt động của ion trong dung dịch.
Kỹ thuật đo dòng (amperometric): đo dòng điện sinh ra do quá trình oxi
hóa – khử của chất cần phân tích xảy ra ở điện cực hoạt động. Nồng độ
của chất cần phân tích tỷ lệ thuận với dòng điện sinh ra.
Kỹ thuật đo độ dẫn điện (conductometric): đo sự thay đổi tính dẫn điện
của dung dịch khi nồng độ ion thay đổi.
Bộ chuyển đổi quang học (optical transducer): đây là loại cảm biến ra đời
sớm nhất, hoạt động dựa vào đặc tính nhƣ hấp thụ ánh sáng (absorption), phát
huỳnh quang (fluorescence), hóa phát quang (chemiluminescence), hệ số khúc
xạ (refractive index).
Bộ chuyển đổi áp điện (piezoelectric transducer): hiện tƣợng áp điện là thuộc
tính của tinh thể bất đẳng hƣớng (nhƣ tinh thể thạch anh). Khi tinh thể bị tác
động, nó sẽ gây ra một điện trƣờng. Loại cảm biến này hoạt động dựa vào sự
tạo ra dòng điện từ tinh thể dao động. Tần số dao động phụ thuộc tuyến tính vào
sự thay đổi khối lƣợng của vật liệu hấp thụ tại bề mặt tinh thể. Điển hình là
phƣơng pháp cân vi lƣợng tinh thể thạch anh (quart crystal microbalance QCM).
1.1.4. Ứng dụng và thị trƣờng cảm biến sinh học
16
Cảm biến sinh học đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhƣ phân tích
thực phẩm (Prodromidis và Karayannis, 2002), khủng bố sinh học (Burkle, 2003), môi
trƣờng (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005), và trong lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán
sức khỏe con ngƣời (Vikas, 2007).
Cảm biến sinh học lý tƣởng phải đƣợc thiết kế để phát hiện những phân tử có ý
nghĩa, mầm bệnh và độc tố, cung cấp thông tin mang tính thăm dò đối với chất phân
tích một cách chính xác, đáng tin cậy và nhanh chóng. Hằng năm, chi phí đầu tƣ cho
chƣơng trình nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học ƣớc tính lên tới 300 triệu đôla
Mỹ (Luong và cộng sự, 2008). Trong khoảng thời gian từ năm 1984 đến năm 1990 có
khoảng 3000 bài báo khoa học và 200 bằng sáng chế về lĩnh vực cảm biến sinh học.
Từ năm 1998 đến năm 2004, hơn 6000 bài báo và 1100 phát minh liên quan tới lĩnh
vực cảm biến sinh học đƣợc công bố. Đáng chú ý hơn cả, ngoài các cảm biến đo hàm
lƣợng glucose và lactate trong máu (chiếm 85% thị trƣờng cảm biến sinh học) và các
thiết bị cầm tay khác, rất ít cảm biến sinh học đƣợc thƣơng mại hóa thành công do giá
thành để triển khai còn tƣơng đối cao hay do trở ngại về mặt kỹ thuật.
1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan
1.2.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan
Theo WHO thống kê và công bố năm 2007 ung thƣ gan là một trong năm loại
ung thƣ gây tử vong cao nhất trên toàn thế giới với hơn 653.000 ca tử vong mỗi năm.
Tỷ lệ phát bệnh cao ở vùng Châu Á và Châu Phi, tuổi trung niên và nam giới thƣờng
mắc bệnh cao hơn. Ở châu Á, nơi có tỉ lệ mắc viêm gan B khá cao, ung thƣ gan đặc
biệt phổ biến. Việt Nam đƣợc coi là một trong các quốc gia có tỷ lệ mắc ung thƣ gan
cao nhất thế giới, với trên 10000 ca mắc mới mỗi năm. Hiện nay, ung thƣ gan đƣợc
chia làm 2 loại dựa vào nơi xuất hiện ung thƣ đầu tiên của cơ thể: ung thƣ gan thứ phát
hay ung thƣ tế bào gan nguyên phát.
Ung thƣ gan thứ phát: Là ung thƣ xuất phát từ tế bào của các phần khác của
cơ thể lan đến gan. Ung thƣ gan thứ phát có thể từ: ung thƣ đƣờng tiêu hóa, vú,
phổi, ung thƣ tủy… Tùy theo cơ quan nào di căn đến gan mà gọi tên, ví dụ từ
ung thƣ phổi thì gọi là ung thƣ gan thứ phát do di căn từ ung thƣ phổi.
Ung thƣ tế bào gan nguyên phát (hepatocellular carcinoma - HCC): Trên 80%
ung thƣ gan là ung thƣ tế bào gan nguyên phát. Ung thƣ tế bào gan nguyên phát
là ung thƣ xuất phát từ gan. Nó còn đƣợc gọi là ung thƣ gan nguyên phát hoặc
ung thƣ gan. Gan đƣợc cấu tạo từ nhiều loại tế bào khác nhau (ví dụ tế bào ống
mật, mạch máu và những tế bào dự trữ mỡ). Tuy nhiên, 80 % mô gan là do tế
bào gan tạo nên. Vì vậy, ung thƣ gan nguyên phát chủ yếu (>90 – 95%) xuất
phát từ tế bào gan và đƣợc gọi là ung thƣ tế bào gan hoặc carcinoma. Ung thƣ
này xảy ra ở nam gấp đôi nữ và thƣờng gặp ở tuổi trên 50. Hiện nay khoa học
chƣa biết chính xác nguyên nhân HCC nhƣng viêm gan do siêu vi mãn tính và
xơ gan là yếu tố nguy cơ HCC, trong đó xơ gan chiếm 80% trƣờng hợp HCC.
17
Dạng khác của ung thƣ gan là ung thƣ đƣờng mật. Đây là ung thƣ xuất phát từ
ống dẫn mật và nguyên nhân là do viêm xơ chai đƣờng mật nguyên phát. Ung
thƣ đƣờng mật có thể do nhiễm ký sinh trùng, chẳng hạn nhƣ sán lá nhỏ. Ung
thƣ này phát triển theo đƣờng dẫn mật, rất khó thấy trên phim X quang.
Nguyên nhân chính gây ung thư gan: Cho đến nay “nguyên nhân chính gây ra
ung thƣ gan” vẫn còn là câu hỏi chƣa đƣợc trả lời rõ ràng và nhiều nghiên cứu đang
đƣợc tiến hành nhằm tìm ra câu trả lời chính xác trong thời gian tới. Hiện nay các nhà
khoa học chỉ có thể xác định một số nguy cơ sau đây có thể dẫn đến HCC là: viêm gan
siêu vi B, viêm gan siêu vi C, uống rƣợu kéo dài dẫn tới xơ gan (sau đó là HCC), do
Aflatoxin B1, thuốc và hóa chất, bệnh ứ sắt và xơ gan v.v… Tỷ lệ nhiễm HBV (siêu vi
B) trên thế giới là 2 tỷ ngƣời (WHO, 2008) trong đó 350 triệu ngƣời mắc bệnh mãn
tính và 25% trong số ngƣời mắc bệnh mãn tính ngay từ nhỏ sẽ chết vì ung thƣ gan hay
xơ gan. Việt Nam có tỷ lệ ngƣời nhiễm HBV cao thứ 2 trên thế giới. Theo các nghiên
cứu của Bộ Y Tế, ƣớc tính tỷ lệ ngƣời mang HBsAg mãn tính vào khoảng 15% - 20%
dân số (12 - 16 triệu ngƣời).
Trong khi đó ƣớc tính 3% dân số toàn thế giới nhiễm HCV (siêu vi C). Tại Việt
Nam, tỷ lệ ngƣời nhiễm HCV vào khoảng 1,8 – 4% dân số, khoảng 193.100 ngƣời đã
chết do siêu vi C trong 10 năm gần đây, trong đó có 165.900 ngƣời chết do viêm gan
mãn tính, và các biến chứng của viêm gan, và 27.000 ngƣời chết do ung thƣ gan.
1.2.2. Các phƣơng pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan
Mặc dù có nhiều tiến bộ của y học và kĩ thuật phân tích nhƣng cho đến nay
chƣa có 1 kỹ thuật nào hoàn hảo để có thể chẩn đoán đƣợc sớm và đúng của 1 trƣờng
hợp u gan, hay ung thƣ tế bào gan. Đôi khi phải vận dụng uyển chuyển, kết hợp nhiều
kỹ thuật vào từng tình huống cụ thể mới có thể chẩn đoán đƣợc. Các kỹ thuật riêng lẻ
càng có độ nhạy và đặc hiệu càng cao sẽ giúp cho việc phối hợp chẩn đoán ngày càng
hiệu quả.
Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp để chẩn đoán 1 trƣờng hợp ung thƣ gan và có
thể chia thành 2 nhóm:
Nhóm 1: Nhóm chẩn đoán hình ảnh nhƣ: siêu âm, CT, MRI, giải phẫu bệnh…
Nhóm 2: Nhóm các xét nghiệm để chẩn đoán 1 u gan nhƣ: nhóm xét nghiệm
chức năng gan, nhóm xét nghiệm nguyên nhân gây bệnh gan và nhóm xét
nghiệm máu để tìm dấu ấn ung thƣ (cancer biomarkers). Trong đó, nhóm xét
nghiệm tìm các dấu ấn ung thƣ trong máu đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu
trong thời gian gần đây vì trong phƣơng pháp này không cần đến thiết bị
chuyên dụng, đắt tiền nhƣ CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ
thuật giải phẫu bệnh.
Hiện nay, có trên 60 biomarker đƣợc dùng cho việc phát hiện ung thƣ gan. Các
marker này đƣợc chia làm 4 nhóm chính: markers đối với mô (Tissue markers),
markers đối với huyết thanh (Serum markers), markers đối với tế bào ung bƣớu
18
(Tumor cell markers) và markers đối với những yếu tố do di truyền (Genetic markers).
Tuy nhiên, cách phân nhóm này chỉ mang tính tƣơng đối vì một vài marker có thể
thuộc nhiều nhóm khác nhau [9]. Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các biomarkers là
một hƣớng đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong
phƣơng pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền nhƣ CT và MRI, và
cũng không phải thực hiện các kĩ thuật phức tạp của giải phẫu bệnh, nhƣng vẫn cho
kết quả chẩn đoán với độ chính xác cao. Do đó nhóm tác giả sẽ sử dụng hai bộ kít
nano chế tạo ra để phát hiện các biomarkers trong huyết thanh, phục vụ chẩn đoán ung
thƣ trong đề tài này.
Ung thƣ thƣờng có tính di căn, nên khi mắc bệnh ung thƣ ở các giai đoạn sau
thƣờng là ung thƣ của nhiều cơ quan (vú, phổi, gan,…) do sự di căn gây ra. Do đó, có
một vài biomarker là marker thông dụng, chỉ định cho nhiều loại ung thƣ. Đồng thời,
chƣa có một marker nào là hoàn toàn đặc trƣng cho 1 loại ung thƣ. Do đó, việc sử
dụng nhiều marker để phát hiện một loại ung thƣ là cần thiết. Đối với ung thƣ gan,
marker đặc trƣng và thông dụng nhất là AFP, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho
thấy những marker nhƣ AFP-L3, DCP, GP73, có ƣu thế hơn bởi độ nhạy và tính
chuyên biệt cao. Do đó sau khi đã trao đổi với các chuyên gia trong nƣớc và quốc tế về
lĩnh vực này, trong đề tài KC04 nhóm tác giả sẽ sử dụng bộ kít nano sinh học để phát
hiện đồng thời 04 biomarker là AFP, AFP-L3, DCP, GP73 (Bảng 1.1), ứng dụng kết
quả thu đƣợc vào việc phát hiện sớm ung thƣ gan. Tuy nhiên với giới hạn về thời gian,
chúng tôi chỉ phát hiện chỉ thị AFP trong luận văn cao học này.
Đặc điểm chung của các biomarker đƣợc chọn nói trên là chúng đều là các
protein (kháng thể đơn dòng). Do các protein đều có nhóm chức NH 2 , yếu tố này cho
phép thực hiện các kĩ thuật xử lí bề mặt để tạo các nhóm hóa học chức năng
(functional groups) trên bề mặt của sợi và thanh nano. Các nhóm hóa học chức năng
này sẽ liên kết với nhóm chức NH2 để giữ các các receptor này ở trên bề mặt sợi nano
và thanh nano.
Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tương ứng của ung thư gan
Biomarker
AFP*
AFP-L3
DCP
GP73
Receptor
tương ứng
Hsp72
LCA
kháng thể đơn
dòng của DCP
kháng thể đơn
dòng của GP73
*Biomarker sẽ được nghiên cứu và phát hiện trong luận văn cao học này.
1.2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến
Bộ kít sinh học sợi nano (nanowire): sợi nano đƣợc định nghĩa là vật liệu ở
19
dạng sợi với đƣờng kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Nhƣ thế, chúng ta phải bó ít nhất
1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thƣớc ngang bằng sợi tóc ngƣời
với đƣờng 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 trƣờng bên ngoài. Tính chất
này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tƣởng 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 đƣợc minh họa
trong Hình 1.2 dƣới đây [10-28].
Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu
ứng trường sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn
sợi Silic kích thước nanomet. Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào
cực cổng ở đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P
khi có các phần tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích
dương, cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm.
Trong khi đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên
Một FET cảm biến có cấu trúc là một transitor có ba điện cực, trong đó cực
nguồn và máng nối vối nhau qua một kênh chất bán dẫn và cực cổng nhằm điều khiển
sự dẫn điện của kênh này. Một FET cảm biến nano, kênh dẫn đƣợc làm từ vật liệu
nano Silic. Để phát hiện một đối tƣợng sinh học nào đó, ta cần gắn các chất nhận biết
nó lên trên bề mặt sợi Silic để khi có phản ứng xảy ra, hoặc quá trình bắt cặp của
chúng xảy ra sẽ làm ảnh hƣởng đến độ dẫn điện của sợi Si, kênh dẫn của transitor.
Chất này đƣợc chọn tiên quyết để có thể bắt đƣợc phân tử mục tiêu (chất cần phân
tích) với tính chuyên biệt duy nhất và ái lực càng mạnh càng tốt.
Nếu sợi Silic là chất bán dẫn loại P thì khi có phần tử tích điện âm bị bắt lại trên
bề mặt sợi sẽ làm tăng dòng điện chạy qua sợi, ngƣợc lại nếu chất cần phân tích mang
điện tích dƣơng, khi bị bắt lại sợi Silic loại P sẽ làm giảm dòng điện chạy trong sợi
Silic. Tƣơng tự, với sợi Silic là bán dẫn loại N, thì khi phần tử mang điện tích âm bị
bắt lại trên bề mặt sẽ làm giảm dòng điện qua sợi và trƣờng hợp phần tử mang điện
dƣơng bị bắt sẽ làm tăng cƣờng độ dòng điện qua sợi. Biên độ thay đổi tín hiệu điện
giúp ta định lƣợng các chất cần phân tích.
20
- Xem thêm -
.PDF 
79 
435 
52 
