Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN nhằm ứng dụng trong y học và thực phẩm

Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN nhằm ứng dụng trong y học và thực phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Công trình được hoàn thành tại: Đại học Bách khoa Hà nội

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TS Nguyễn Đức Chiến

Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Năng Định

Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Hùng

Phản biện 3: PGS.TS Phạm Văn Hội

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp nhà nước họp tại Đại học Bách Khoa Hà nội, vào hồi 8h30 ngày 17 tháng 7 năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:

1 Đại học Bách khoa Hà nội

2 Thư viện Quốc gia

1 Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Trần Quang Huy, Electrochemical ADN sensor for Herpes virus

detection, Journal of Chemistry, 46 (2008), pp.127-132

2 Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Fabrication Interdigitated electrode array for biosensor application,

journal of Communications in Physics, accepted

3 Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, ADN covalent Attachment on Conductometric Biosensor for Modified

Genetic Soybean Detection, Communications in Physics, 17

(2007), pp 234-240

4 Phương Đình Tâm, Nguyễn Hải Bình, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Electrochemical ADN sensor for label – free soybean

transgenic detection, journal of Chemistry, 45 (2007), pp 241-244

5 Tuan M A, Binh N H, Tam P D, and Chien N.D Conductometric biosensor for diabetic diagnosis and ADN

detection in transgenic corn, Communication physics, 15 (2005),

pp 218-222

3 Báo hội nghị quốc tế

1 Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Tom Aarnink, Directly Immobilized ADN Sensor for Label-free

Detection of Herpes Virus, The IEEE of 5th International Conference on Information Technology and Application in Biomedicine, ISBN 978-1-4244-2255-5, May 30-31, 2008, pp

4 Báo hội nghị trong nước

1 Phương Đình Tâm, Mai Anh Tuấn, Nguyễn Đức Chiến, Cố định trực tiếp chuỗi ADN trên bề mặt cảm biến để xác định vi rút,

Tuyển tập báo cáo hội nghị vật lý chất rắn toàn quốc lần thứ 5,

Vũng tàu, 11-14/12/2007, 566-569

GIỚI THIỆU

Vi rút là một thực thể sống chưa có cấu tạo tế bào, kích thước trung bình 10 - 100 nm Các loại vi rút đều gây cho con người cũng như động, thực vật những loại bệnh vô cùng nguy hiểm Điển hình cho các loại bệnh này là bệnh hội chứng suy giảm miễn dịch (sida) do vi rút HIV gây ra, vi rút gây bệnh tả ở người, bệnh viêm loét chân tay miệng Gần đây là bệnh vi rút cúm gia cầm H5N1 đã giết chết hàng trăm người trên thế giới, trong đó có những công dân của Việt Nam

Do vậy, cần phải có những phương pháp phát hiện sớm để nhận biết nhanh các loại vi rút, đưa ra các kế hoạch phòng ngừa, bảo vệ thích hợp, nhằm giảm thiểu những rủi do về con người cũng như về vật chất do các loại vi rút gây lên

Một lĩnh vực khác cũng đang được quan tâm đó là thực phẩm biến đổi gen Theo các nhà nghiên cứu sinh học, cây chuyển gen là một thực vật mang một hoặc nhiều gen được đưa vào nhân tạo thay vì thông qua lai tạo Thông qua quá trình chuyển gen, cây chuyển gen

đã đem lại những lợi ích như: tăng sản lượng, giảm chi phí sản xuất, tăng giá trị dinh dưỡng Mặc dù có nhiều lợi ích như vậy, nhưng cây chuyển gen vẫn có những nguy cơ tiềm ẩn như: việc vô tình đưa những chất dị ứng vào thực phẩm, khả năng phát tán những gen biến nạp trong cây trồng sang họ hàng hoang dại, sâu bệnh có nguy cơ tăng cường sức kháng với các chất độc tiết ra từ cây chuyển gen, nguy cơ những chất độc này tác động tới các sinh vật không phải là sinh vật cần diệt Do đó, cần phải có những kết luận mang tính khoa học để đánh giá tác động của loại thực phẩm này đến đời sống xã hội Trong khi chờ đợi những kết luận cuối cùng thì cây chuyển gen vẫn chưa được cả xã hội chấp nhận sử dụng rộng rãi Việc tìm hiểu các thông tin về thực phẩm chuyển gen là vấn đề thực sự được nhiều quốc gia quan tâm

Hiện nay, trên thế giới có rất nhiều phương pháp được sử dụng để phát hiện ADN của vi rút gây bệnh hay nhận biết ADN của cây trồng chuyển gen như: phương pháp phản ứng chuỗi polyme (PCR), phương pháp nhận biết các kháng nguyên - kháng thể, phương pháp ELISA Đây là các phương pháp cho kết quả sau từ một đến vài giờ, thậm chí đến 24 giờ

Ở Việt nam, các phương pháp phân tích truyền thống như như PCR, ELISA v.v… thường chỉ được sử dụng ở các bệnh viện lớn, các trung tâm nghiên cứu của Trung ương hoặc các thành phố lớn Những phương pháp này thường không hiệu quả về mặt kinh tế, thời

gian phân tích lâu, quá trình phân tích đòi hỏi người sử dụng phải có chuyên môn

Một phương pháp khác có thể bổ sung cho các phương pháp nói trên,

để nhận biết vi rút hay phát hiện chuyển gen là dựa vào sự phát hiện lai hóa đoạn ADN của vi rút hay thực phẩm chuyển gen sử dụng các cảm biến sinh học Đây là loại cảm biến cho độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, dễ dàng sử dụng, và đặc biệt nhờ kích thước nhỏ gọn người ta có thể sử dụng những loại cảm biến này tại những vùng

xa xôi, hẻo lánh Phương pháp phân tích này có thể được coi như một biện pháp phát hiện sớm, bổ sung tích cực cho các phương pháp phân tích truyền thống tại các phòng thí nghiệm và bệnh viện lớn Hiện nay, số lượng cảm biến sinh học được thương mại hóa chưa phải là nhiều, trong khi đó, sử dụng cảm biến sinh học để xác định sự lai hóa các đoạn ADN vẫn còn là điều khá mới mẻ cho những người làm xét nghiệm, do giá thành của loại cảm biến này nhập về Việt Nam khá đắt, trong khi ở nước ta vẫn chưa có cơ sở nghiên cứu nào thực hiện nghiên cứu, chế tạo loại cảm biến này Chính vì vậy, vấn

đề đặt ra cho luận án là phải nghiên cứu khả năng phát triển loại cảm biến ADN có chế độ hoạt động đơn giản, phát hiện nhanh, chính xác,

dễ dàng sử dụng Luận án “Nghiên cứu chế tạo cảm biến ADN nhằm ứng dụng trong y học và thực phẩm” là nghiên cứu mở đầu

về loại cảm biến sinh học này ở Việt nam Với mục tiêu nghiên cứu, chế tạo cảm biến ADN với điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước, luận án đặt ra các nhiệm vụ cần phải giải quyết là: thiết kế cảm biến phù hợp với điều kiện công nghệ trong nước, tiến hành thực nghiệm chế tạo cảm biến, khảo sát các đặc trưng của cảm biến đã chế tạo, đo đạc với mẫu bệnh phẩm thực tế do Viện vệ sinh dịch tễ Trung ương và một số cơ sở khác có liên quan cung cấp Trên cơ sở đó, rút

ra được những kết luận về khả năng chế tạo loại cảm biến này ở trong nước, đưa ra những đề xuất làm cơ sở cho các định hướng nghiên cứu sau này về lĩnh vực cảm biến sinh học ADN Từ những mục tiêu đặt ra của luận án, nội dung chính của luận án sẽ được chia làm 4 chương:

Chương 1: Tổng quan về cảm biến ADN

Chương 2: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và các đặc trưng của cảm biến độ dẫn

Chương 3: Nghiên cứu cố định ADN

Chương 4: Nghiên cứu ứng dụng cảm biến ADN trong y học và thực phẩm

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẢM BIẾN ADN 1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là loại cảm biến bao gồm phần cảm nhận sinh học kết hợp với bộ chuyển đổi tín hiệu như được mô tả trong hình 1.1 Thành phần cảm nhận sinh học

là loại vật liệu sinh học được

liên kết với bộ chuyển đổi, nó

có thể liên kết hoặc phản ứng

với cơ chất (chất cần phân tích)

sinh ra sản phẩm làm thay đổi

tín hiệu sinh hoá trong quá trình

phân tích Hiện nay, thành phần

cảm nhận sinh học được sử dụng chủ yếu là các loại enzym, đoạn ADN, ARN, các kháng thể và các vật liệu sinh học khác

Trong cảm biến sinh học, bên cạnh thành phần cảm nhận sinh học còn có một bộ phận rất quan trọng khác, đó là bộ chuyển đổi hay còn được gọi là cảm biến Đây là thành phần chuyển đổi các tín hiệu không điện do các phản ứng sinh học tạo ra thành các tín hiệu điện, quang, cơ hoặc nhiệt

1.2 Cảm biến sinh học trên cơ sở ADN

Cảm biến ADN là một loại thuộc họ cảm biến sinh học, thay vì sử dụng phần cảm nhận sinh học thông thường là enzym, kháng thể v.v… thì cảm biến sinh học ADN sử dụng phần cảm nhận sinh học là các đoạn ADN Quá trình nhận biết ADN cần phân tích dựa trên sự lai hóa của đoạn ADN dò được gắn trên bề mặt bộ chuyển đổi (cảm biến) và ADN đích (ADN cần phát hiện)

Cảm biến ADN đã được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: phát hiện vi rút, vi khuẩn gây bệnh, phát hiện chuyển gen của cây trồng, xác định các ion kim loại nặng trong lĩnh vực bảo vệ môi trường

1.3 Các bộ chuyển đổi sử dụng trong cảm biến ADN

1.3.1 Cảm biến ADN dựa trên bộ chuyển đổi quang

Cảm biến sợi quang

Cảm biến trên cơ sở sợi quang kết hợp với các mô đun điện tử đã được nghiên cứu khá kỹ trong hơn một thập kỷ qua Trong phép đo quang, người ta phải sử dụng những vật liệu có khả năng phát hoặc

Hình 1.1 Cấu tạo của cảm biến sinh học

hấp phụ quang học, những vật liệu này thường được gắn lên các phần tử cảm nhận sinh học (ADN), về điều này cảm biến sinh học sử dụng bộ chuyển đổi quang thường được gọi là phương pháp đánh dấu Chất đánh dấu thường được sử dụng là brôm ethidium (3.8 – diamino – 6 – phenyl – 5 – ethy – phenanthridium), picogreen, và một số chất khác

Cảm biến cộng hưởng plasmon bề mặt

Một loại cảm biến ADN khác cũng dựa trên bộ chuyển đổi quang học là hệ thống cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR) Đây là cảm biến không đòi hỏi phải đánh dấu đoạn ADN, kết quả của phép đo có thể được hiển thị ngay trong quá trình đo Hệ thống này dựa trên sự thay đổi góc cộng hưởng của ánh sáng phản xạ ở bề mặt cảm biến, khi có

sự lai hóa của đoạn ADN dò và ADN đích Sự thay đổi này sẽ tương ứng với sự thay đổi khối lượng phân tử tồn tại ở bề mặt cảm biến

1.3.2 Cảm biến ADN dựa trên bộ chuyển đổi cơ học

Cảm biến ADN trên cơ sở vi cân tinh thể thạch anh (QCM)

Cảm biến QCM được chế tạo trên phiến tinh thể thạch anh mỏng bằng cách lắng đọng lên đó một lớp kim loại (thông thường là vàng)

ở hai mặt phiến tạo thành một cặp điện cực Để phát hiện lai hóa các đoạn ADN, trên bề mặt lớp kim loại phải được gắn đoạn ADN dò Quá trình phát hiện lai hoá dựa vào sự thay đổi khối lượng trên bề mặt cảm biến khi có bắt cặp bổ sung của đoạn ADN dò và đoạn ADN đích trong dung dịch phân tích để hình thành nên đoạn xoắn kép Sự thay đổi về khối lượng sẽ làm thay đổi tần số Δf của linh kiện

Cảm biến sóng âm bề mặt (SAW)

Nguyên tắc của cảm biến này là dựa trên cơ sở nhận biết sóng âm bề mặt thông qua sự thay đổi khối lượng trên bề mặt cảm biến, sẽ làm thay đổi vận tốc truyền sóng, dẫn đến sự thay đổi tần số cộng hưởng của tinh thể khi có liên kết của đoạn ADN đích với đoạn ADN dò

Cảm biến ADN kiểu thanh dầm

Đây là loại cảm biến dựa vào sự thay đổi ứng suất bề mặt của một thanh dầm làm việc so với một thanh dầm chuẩn khi có sự bắt cặp của đoạn ADN dò và đoạn ADN bổ sung hình thành đoạn xoắn kép trên bề mặt cảm biến

1.3.3 Cảm biến ADN dựa trên bộ chuyển đổi điện hoá

Cảm biến ADN sử dụng các phương pháp đánh dấu đoạn ADN

Cảm biến ADN trên cơ sở chất chỉ thị hoạt động điện

Đây là phương pháp nhận biết lai hoá dựa vào sự khử của chất chỉ thị điện hoạt hoá được gắn vào đoạn ADN đích Đoạn ADN dò được cố định trên bề mặt cảm biến bằng nhiều phương pháp khác nhau Khi

có sự kết cặp của đoạn dò và đích sẽ hình thành đoạn xoắn kép, dẫn đến nồng độ của chất chỉ thị sẽ tăng ở bề mặt cảm biến, làm thay đổi tín hiệu điện hóa trong quá trình đo Kết quả này có thể được nhận biết bằng các phương pháp xung, thế tuần hoàn hoặc bằng phương pháp quét thế không đổi Những chất chỉ thị thường được sử dụng là Co(bpy)33+, Ru(bpy)32+, Co(phen)33+ hoặc các chất hữu cơ có thể liên kết theo những cách khác nhau đối với đoạn ADN

Cảm biến ADN sử dụng hạt nano

Có hai phương pháp phổ biến sử dụng hạt nano để nhận biết ADN là điện hóa học hạt nano kim loại ở điện cực được cố định AND dò khi

có sự bắt cặp của đoạn ADN bổ sung, hoặc sau khi lai, hóa hạt nano được hòa tan trong dung dịch axít sau đó đo tính chất điện hóa Một đặc điểm khi sử dụng hạt nano kim loại để nhận biết lai hóa là khả năng phát hiện nhiều ADN đích cùng một lúc Các đoạn ADN đích khác nhau có thể được mã hóa với nhiều hạt nano kim loại khác nhau Tín hiệu của quá trình lai hóa có thể nhận được bằng việc phân tích tín hiệu điện hóa lượng kim loại khi hòa tan trong dung dịch axít Tuy nhiên, đây là phương pháp tương đối phức tạp, tín hiệu của cảm biến là không ổn định, mẫu phân tích sẽ bị phá hủy khi bị hòa tan trong dung dịch

Cảm biến điện hoá ADN không đánh dấu

Cảm biến ADN dựa vào sự ôxi hóa của các bazơ trong đoạn ADN

Đây là loại cảm biến dựa vào việc kiểm tra dòng ôxi hóa của các bazơ purine, adenine và đặc biệt là sự ôxi hóa mạnh của bazơ guanine làm cơ sở phân tích Để khuếch đại tín hiệu điện hóa, Ru(bpy)32+đã được sử dụng làm xúc tác của cho quá trình ôxi hóa các bazơ

Cảm biến ADN dựa trên transistor hiệu ứng trường ISFET

Cảm biến ADN dựa trên bộ chuyển đổi transistor hiệu ứng trường nhạy ion (ISFET) là loại cảm biến có kích thước nhỏ, độ nhạy cao, quá trình phát hiện không cần đánh dấu đoạn ADN

Quá trình nhận biết lai hóa dựa vào sự bắt cặp của ADN dò và đích trên bề mặt ISFET dẫn đến sự tăng mật độ điện tích ở sát bề mặt cảm biến Điều này sẽ làm thay đổi điện áp trong kênh dẫn, làm cho tín hiệu ra của cảm biến thay đổi

Cảm biến ADN trên cơ sở vi điện cực độ dẫn

Cảm biến vi điện cực đã được sử dụng phổ biến do có những ưu điểm như: giá thành thấp, cấu trúc đơn giản, độ ổn định cao, đáng tin cậy, không cần điện cực chuẩn, quy trình công nghệ chế tạo đơn giản, phân tích nhanh và dễ dàng Đây là loại cảm biến dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện ở lân cận bề mặt cảm biến khi có sự thay đổi về tính chất vật lý, hoá học hoặc sinh học trong dung dịch phân tích

Khi đó, sẽ làm thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến Hiện nay, vi điện cực được sử dụng nhiều nhất để ứng dụng cho cảm biến nói chung và cảm biến sinh học nói riêng là vi điện cực có dạng hình tròn và đặc biệt là các vi điện cực planar có cấu trúc các thanh kim loại kích thước micromet đan xen (intedigitated array (IDA)) Các vi cảm biến này được chế tạo lên trên một đế cách điện bằng cách lắng đọng các kim loại quý như Au hoặc Pt trên các khuôn định dạng

Cũng như các loại cảm biến ADN khác, để xác định lai hoá đoạn ADN, trên bề mặt cảm biến phải được cố định đoạn ADN dò Quá trình xác định lai hóa đoạn ADN dựa trên sự bắt cặp của đoạn ADN

dò và ADN bổ sung hình thành đoạn xoắn kép (hình 1.2) Khi đó, sẽ

có sự thay đổi độ dẫn ở lân cận bề mặt cảm biến Sự thay đổi độ dẫn này được nhận biết bởi cảm biến và được chuyển thành tín hiệu điện

ở đầu ra

CHƯƠNG 2 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ CÁC ĐẶC

TRƯNG CỦA CẢM BIẾN ĐỘ DẪN

2.1 Thiết kế cảm biến

Thiết kế mặt nạ (MASK) cho vi cảm biến

Hình 1.2 Cảm biến ADN vi điện cực độ dẫn

Trong công nghệ vi điện tử, mặt nạ (Mask) có vai trò truyền tải các

chi tiết của hệ thống được thiết kế lên phiến silíc Mask còn được

hiểu như là các khuôn ánh sáng trong quá trình quang khắc (photo

lithography) Khi chiếu ánh sáng tử ngoại qua Mask lên lớp cảm

quang phủ trên bề mặt phiến silíc, ánh sáng tử ngoại sẽ làm biến đổi

tính hoà tan của cảm quang tại khu vực được chiếu sáng, tạo ra hình

ảnh giống như hình ảnh của Mask lên lớp cảm quang Nhờ vậy, sẽ

tạo ra hình ảnh thực của linh kiện cần

chế tạo lên bề mặt phiến silíc

Các loại Mask được thiết kế trong

luận án dựa trên 2 phần mềm là

Coreldraw và Clewin Ở giai đoạn

nghiên cứu thử nghiệm, nhằm khảo sát

các kích thước thực, phù hợp với các

điều kiện công nghệ hiện có, mẫu thiết

kế được thay đổi nhiều lần, nên việc

chế tạo Mask theo quy chuẩn là rất tốn

kém và phức tạp Do vậy, các Mask

được thiết kế trên CorelDraw có độ

chính xác của các chi tiết cỡ 1 μm

Sau đó, Mask được in laze trực tiếp từ máy tính lên phim nhựa đen

trắng bằng máy in chuyên dụng, có độ phân giải cao, tỷ lệ 1:1 Hình

2.1 mô tả một số loại mask sau khi được chế tạo

Với cấu hình vi cảm biến có các chi tiết nhỏ hơn 10 μm, để đảm bảo

độ chính xác về kích thước của cảm biến, Mask đã được thiết kế trên

Clewin sau đó được in trên thủy tinh hữu cơ (hình 2.2)

2.2 Chế tạo cảm biến

Chế tạo cảm biến có kích thước các thanh kim loại làm điện cực lớn

hơn 20μm

Hình 2.3a biểu diễn sơ đồ quy trình chế tạo của cảm biến có kích

thước các thanh kim loại làm điện cực lớn hơn 20 μm Đầu tiên,

Hình 2.2 Cấu hình cảm biến được thiết kế bằng Clewin

phiến silíc được làm sạch bề mặt bằng các phương pháp khác nhau, sau đó, được ô xi hóa tạo lớp ôxít có chiều dầy thích hợp Tiếp theo, phiến silíc được sử dụng để tạo hình linh kiện bằng quá trình quang khắc

Sau quang khắc là quá trình phún xạ Cr/Pt để tạo điện cực kim loại trên bề mặt phiến Si Cuối cùng là tẩy lớp cảm quang (lift-off) để thu được các cảm biến Sau quá trình này là các công đoạn cắt phiến, hàn dây, và đóng gói cảm biến

Chế tạo cảm biến có kích thước các thanh kim loại làm điện cực nhỏ hơn 10 μm

Việc chế tạo cảm biến có kích thước nhỏ hơn 10 μm là khó hơn do giới hạn độ phân giải của máy quang khắc, điều kiện công nghệ hiện

có trong nước Vì vậy, để đảm bảo được chất lượng linh kiện, với các cảm biến có kích thước nhỏ hơn 10 μm, quy trình công nghệ chế tạo được mô tả theo sơ đồ hình 2.3b Theo sơ đồ này, ngoài các quá trình làm sạch, ôxi hóa và quang khắc còn có thêm bước lắng đọng nhôm

để làm lớp màng hy sinh trong quá trình chế tạo cảm biến Lớp nhôm thu được trên bề mặt phiến silíc được thực hiện bằng phương pháp bốc bay, đóng vai trò tạo hình linh kiện sau quá trình quang khắc Sau khi bốc bay nhôm, phiến được quang khắc và hiện hình Sau đó, tiến hành ăn mòn nhôm để tạo hình linh kiện Tiếp theo, phiến silíc được phún xạ Cr/Pt và cuối cùng là ăn mòn phần kim loại không cần thiết để hình thành các vi cảm biến

2.3 Các đặc trưng của cảm biến

Ảnh hưởng của khoảng cách thanh kim loại làm điện cực đến tín hiệu ra của cảm biến

Các thông số kích thước có ảnh hưởng rất lớn đến giá trị điện dung của cảm biến – một thông số liên quan đến tín hiệu ra của cảm biến

(a) (b)

Hình 2.3 Quy trình chế tạo cảm biến có kích thước chiều rộng và khoảng cách các

Cảm biến có khoảng cách các thanh kim loại làm điện cực càng lớn thì điện dung càng giảm và ngược lại Theo các nghiên cứu của các

tác giả trước, khi đó, hằng số hệ đo K sẽ tăng, dẫn đến tín hiệu ra của cảm biến giảm, hay nói cách khác, tín hiệu ra của cảm biến giảm khi điện dung giảm Trong luận án này, các thế hệ cảm biến được chế tạo tại Đại học Bách khoa Hà Nội Với khoảng cách giữa các thanh kim loại làm điện cực được thay đổi từ 2.5 μm đến

60 μm, chiều rộng được giữ cố định ở 10

μm Hình 2.5 mô tả sự phụ thuộc tín hiệu

ra của cảm biến tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các thanh kim loại làm điện cực Với cảm biến có khoảng cách giữa các thanh kim loại càng lớn thì tín hiệu ra càng nhỏ Khi tăng khoảng cách giữa các thanh kim loại từ 2.5 μm đến 60 μm, tín hiệu ra của cảm biến giảm

ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến

như được mô tả trong hình 2.6 Ở đây,

chiều rộng các thanh kim loại làm điện

cực được thay đổi theo thứ tự 80 µm, 70

µm, 20 µm, 10 µm, 5 µm, 2.5 µm

Khoảng cách giữa các thanh kim loại

được cố định ở 10 µm Từ hình 2.6 có thể

thấy rằng, tín hiệu ra của cảm biến phụ

thuộc vào chiều rộng các thanh kim loại

làm điện cực sẽ tăng tuyến tính bậc nhất

theo hàm y = 0.033X + 0.8 Ở cảm biến có giá trị chiều rộng thanh kim loại làm điện cực là 80 µm thì tín hiệu ra của cảm biến cao nhất

ở xấp xỉ 3.5 mV

Ảnh hưởng của số lượng thanh kim loại làm điện cực đến tín hiệu ra của cảm biến

Trong luận án này, trên một đơn vị diện tích đã được xác định (1.2

mm x 1.5 mm) số lượng các thanh kim loại làm điện cực đã được thay đổi lần lượt là 280, 140, 70, 35 tương ứng với sự thay đổi kích

Hình 2.6 Tín hiệu ra của cảm biến phụ thuộc vào chiều rộng các thanh kim loại

Hình 2.5 Tín hiệu ra của cảm

biến phụ thuộc vào khoảng

cách giữa các thanh kim loại

thước về khoảng cách và chiều rộng thanh kim loại làm điện cực là 2,5 µm; 5 µm; 10 µm; 20 µm Như biểu diễn ở hình 2.7, số lượng các thanh kim loại tăng, sẽ làm tăng độ phân giải của các thanh kim loại trên bề mặt cảm biến, làm cho sự di chuyển các điện tích giữa các thanh kim loại làm điện cực nhanh hơn, do đó, làm tăng tín hiệu ra của cảm biến Giá trị này tăng tuyến tính theo hàm y = 0.01x + 0.13

Đặc trưng tần số − điện áp của cảm biến

Để xác định đặc trưng tần số − điện áp, cảm biến đã được đo trên máy lock − in RS − 830 của Stanford Các phép đo được thực hiện ở nhiệt độ phòng (25 0C) trong dung dịch KCl có nồng độ 1 mM Hình 2.8 mô tả tín hiệu ra của cảm biến phụ thuộc vào tần số dòng điện được lấy trung bình trong 5 lần đo khác nhau Có thể thấy rằng, khi tăng tần số, điện áp nối ra giảm dần Ở một tần số xác định, tín hiệu

ra của các cảm biến là khác nhau do phụ thuộc vào số lượng các các thanh kim loại làm điện cực có trên cảm biến, khoảng cách, độ rộng giữa chúng

Xác định độ dẫn của cảm biến sử dụng phổ tổng trở

Vi cảm biến có kích thước về chiều rộng và khoảng cách các thanh

kim loại làm điện cực là 10 μm x 10

μm đã được sử dụng để xác định độ dẫn của dung dịch KCl ở các nồng độ khác nhau Đặc trưng độ dẫn của dung dịch được mô tả bằng đường Nyquist của phổ tổng trở, nơi biểu diễn mối quan hệ giữa điện trở phần thực và điện trở phần ảo của dung dịch như được mô tả trong hình 2.9 Từ hình 2.9 chúng ta thấy rằng, ứng với mỗi

Hình 2.7 Tín hiệu ra của cảm biến

phụ thuộc vào số lượng các thanh

kim loại làm điện cực

của cảm biến có kích thước các thanh kim loại làm điện cực khác nhau

Hình 2.9 Đường cong Nyquist của

cảm biến trong dung dịch KCl,

nồng độ 0.05 mM, 0.1 mM, 1 mM