Đề tài cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon

Luận án tiến sỹ : Đề tài cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon MỤC LỤCDANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT . 9DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ . 11MỞ ĐẦU . 17CHƢƠNG I. CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 21I.1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLI . 21I.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC 22I.3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON 25I.3.1 Cấu tạo của ống nano carbon 25I.3.2 Tính chất của ống nano carbon . 28I.3.3 Phƣơng pháp chế tạo ống nano carbon . 29I.4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC MOS (MOSFET) 30I.5 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) . 33I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CNTFETs . 33I.5.2 Công nghệ chế tạo CNTFETs . 35I.5.2.1 Transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon cực cổng dƣới . 35I.5.2.2 Transistor hiệu ứng trƣờng ống nano carbon cực cổng trên 37I.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADN . 38I.7 CÁC PHƢƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ỐNG NANO CARBON CHO CẢM BIẾN SINH HỌC. . 40I.7.1 Phƣơng pháp hấp phụ vật lý . 41I.7.2 Phƣơng pháp liên kết cộng hoá trị 43I.8 CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ CNTFETs PHÁT HIỆN LAI HOÁ ADN 46I.9 KẾT LUẬN 47 5CHƢƠNG II. NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH VÀ PHÂN TÁN ỐNG NANO CARBON ĐỊNH HƢỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC VÀ CHẾ TẠO CNTFETs . 49II.1 GIỚI THIỆU . 49II.1.1 Các phƣơng pháp biến tính CNTs . 49II.1.2 Các phƣơng pháp phân tán ống nanno carbon (CNTs) . 51II.2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 53II.2.1 Vật liệu hoá chất 53II.2.2 Quy trình biến tính và phân tán ống nano carbon . 54II.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị phản ứng . 54II.2.2.2 Phƣơng pháp biến tính ống nano carbon (CNTs) . 55II.2.2.3 Phƣơng pháp phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF 56II.2.3 Cố định ADN sử dụng ống nano carbon lên vi điện cực 56II.2.3.1 Thông tin về cảm biến 57II.2.3.2 Phƣơng pháp cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt cảm biến . 57II.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60II.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF . 60II.3.1.1 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF . 60II.3.1.2 Hình thái bề mặt của CNTs phân tán trong dung dịch DMF . 61II.3.1.3 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF . 62II.3.1.4. Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 62II.3.1.5 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF . 63II.3.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân tán của CNTs trong dung dịch DMF. 63II.3.2.1 Ảnh hƣởng của thời gian rung siêu âm đến quá trình phân tán CNTs . 65II.3.2.2 Ảnh hƣởng của giá trị pH đến quá trình phân tán CNTs 67II.3.3 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon . 69II.3.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch ADN 69 6II.3.3.2 Đặc trƣng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 70II.3.4 Đặc trƣng đáp ứng ra của cảm biến . 72II.3.4.1 Thời gian đáp ứng của cảm biến 72II.3.4.2 Đặc trƣng tín hiệu ra của cảm biến . 73II.4 KẾT LUẬN 74CHƢƠNG III. NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) . 75III.1 GIỚI THIỆU . 75III.2 THIẾT KẾ CNTFETs . 76III.2.1 Cấu tạo CNTFETs cực cổng dƣới 76III.2.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETs . 77III.2.3 Thiết kế bản mạch in cho CNTFETs cực cổng dƣới . 80III.3 CHẾ TẠO CNTFETs CỰC CỔNG DƢỚI . 81III.3.1 Vật liệu hoá chất . 81III.3.2 Qui trình chế tạo CNTFETs cực cổng dƣới . 81III.4 HÀN DÂY VÀ ĐÓNG GÓI . 93III.4.1 Hàn dây 93III.4.2 Đóng gói CNTFETs cực cổng dƣới . 94III.5 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TÍNH CNTFETs . 95III.5.1 Hệ đo 95III.5.2 Phƣơng pháp đo đặc tính điện CNTFETs 95III.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 96III.6.1 Hình thái CNTFETs . 96III.6.2 Tính chất tiếp xúc kim loại S/D-CNTs 97III.6.3 Đƣờng đặc tuyến ra ID–VDScủa CNTFETs 99III.6.4 Đặc tuyến truyền đạt ID–VGScủa CNTFETs . 100III.6.5 Các thông số của CNTFETs . 101III.6.6 Ảnh hƣởng của trễ điện đến tín hiệu ra của CNTFETs 105 7III.6.7 Ảnh hƣởng của chiều dài kênh đến các đặc trƣng của CNTFETs . 107III.7 KẾT LUẬN . 108CHƢƠNG IV. PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƢỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) ĐỂ PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUẨN E.COLI . 109IV.I GIỚI THIỆU 109IV.2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP 110IV.2.1 Vật liệu hoá chất 110IV.2.2 Thông tin về cảm biến 110IV.2.3 Phƣơng pháp thực nghiệm . 111IV.2.3.1. Xử lý bề mặt cảm biến trƣớc khi cố định ADN . 111IV.2.3.2 Phƣơng pháp cố định ADN . 111IV.2.4 Đo đặc trƣng nhạy của cảm biến 114IV.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 115IV.3.1 Đặc trƣng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon . 115IV.3.1.1 Ảnh hiển vi điện tử quét 115IV.3.1.2 Đặc trƣng phổ hồng ngoại FTIR . 116IV.3.1.3 Đặc trƣng ảnh hiển vi huỳnh quang 118IV.3.1.4 Đặc trƣng phổ Raman . 119IV.3.2 Đặc trƣng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 120IV.3.2.1 Đặc trƣng tín hiệu cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli . 120IV.3.2.2 Đặc trƣng tín hiệu lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli . 121IV.3.2.3 Thời gian đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs . 123IV.3.2.4 Độ nhạy của cảm biến sinh học CNTFETs 124IV.3.3 Các yếu tố ảnh hƣởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 126IV.3.3.1 Ảnh hƣởng của nồng độ ADN dò . 126IV.3.3.2 Ảnh hƣởng của thời gian cố định ADN dò . 128 8IV.3.3.3 Ảnh hƣởng của giá trị pH . 129IV.3.4 Độ ổn định của cảm biến sinh học CNTFETs .130IV.3.4.1 Ảnh hƣởng của phủ màng BSA 130IV.3.4.2 Ảnh hƣởng của nhiệt độ lai hoá 131IV.3.4.3 Thời gian sống của cảm biến sinh học CNTFETs 132IV.3.4.4 Độ lặp lại của cảm biến sinh học CNTFETs 133IV.4 KẾT LUẬN . 134KẾT LUẬN CHUNG 136DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138TÀI LIỆU THAM KHẢO . 140

1

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan rằng đề tài: “Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” là công trình của tôi Tất cả các

xuất bản được công bố chung với các cán bộ hướng dẫn khoa học và các đồng nghiệp đã được sự đồng ý của các tác giả trước khi đưa vào luận án Các kết quả trong luận án là trung thực, chưa từng được công bố và sử dụng để bảo vệ trong bất

cứ một luận án nào khác

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thủy

đã có thể hoàn thành luận án tiến sĩ:

“Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET)

sử dụng ống nano carbon”

Để có được thành quả này, tôi xin được bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới GS.TS Nguyễn Đức Chiến và TS Mai Anh Tuấn - những người thầy đã nhiệt tình chỉ bảo, định hướng và giúp đỡ về mặt khoa học để tôi có thể hoàn thành đề tài luận án tiến

sĩ

Tôi xin chân thành cảm ơn tới Ban giám đốc, toàn thể cán bộ Viện đào tạo quốc

tế về khoa học vật liệu (ITIMS); Viện Tiên tiến Khoa học và Công nghệ (HAST); Viện đào tạo sau đại học - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, Viện khoa học Việt Nam đã tạo mọi điều kiện về cơ sở vật chất, hỗ trợ về chuyên môn cũng như thủ tục hành chính trong suốt quá trình học tập và thực hiện đề tài

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn tới Ban giám hiệu Trường Đại học điện lực; Khoa điện tử viễn thông - Trường Đại học điện lực đã tạo mọi điều kiện để hỗ trợ tôi trong thời gian đi học và đóng góp những ý kiến quí báu về mặt chuyên môn trong quá trình thực hiện đề tài luận án

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới PGS.TS Nguyễn Văn Hiếu, Tiến sỹ Phương Đình Tâm, Thạc sỹ Nguyễn Văn Toán, Tiến sỹ Trần Quang Huy, Tiến sỹ Chu Thị Xuân, Tiến sỹ Phạm Đức Thành, các anh chị đã chỉ dẫn cho tôi những kiến thức và

kỹ năng thực nghiệm

Xin chân thành cảm ơn nhóm cảm biến sinh học - Viện ITIMS Tất cả các kết quả của luận án đều được thực hiện và giúp đỡ của các anh, chị, em trong nhóm nghiên cứu Tôi xin chúc các anh, chị, em may mắn và thành đạt trên con đường nghiên cứu khoa học trong tương lai

Xin chân thành cảm ơn đến tất cả các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình đã động viên giúp đỡ trong thời gian qua cả về vật chất lẫn tinh thần, sự trợ giúp về chuyên

Xin chân thành cảm ơn!

Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Tác giả luận án

Nguyễn Thị Thủy

4

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT 9

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 11

MỞ ĐẦU 17

CHƯƠNG I CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 21

I.1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLI 21

I.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC 22

I.3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON 25

I.3.1 Cấu tạo của ống nano carbon 25

I.3.2 Tính chất của ống nano carbon 28

I.3.3 Phương pháp chế tạo ống nano carbon 29

I.4 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ CẤU TRÚC MOS (MOSFET) 30

I.5 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 33

I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CNTFETs 33

I.5.2 Công nghệ chế tạo CNTFETs 35

I.5.2.1 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cổng dưới 35

I.5.2.2 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cổng trên 37

I.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADN 38

I.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ỐNG NANO CARBON CHO CẢM BIẾN SINH HỌC 40

I.7.1 Phương pháp hấp phụ vật lý 41

I.7.2 Phương pháp liên kết cộng hoá trị 43

I.8 CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ CNTFETs PHÁT HIỆN LAI HOÁ ADN 46

I.9 KẾT LUẬN 47

5

CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH VÀ PHÂN TÁN ỐNG NANO CARBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC

VÀ CHẾ TẠO CNTFETs 49

II.1 GIỚI THIỆU 49

II.1.1 Các phương pháp biến tính CNTs 49

II.1.2 Các phương pháp phân tán ống nanno carbon (CNTs) 51

II.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 53

II.2.1 Vật liệu hoá chất 53

II.2.2 Quy trình biến tính và phân tán ống nano carbon 54

II.2.2.1 Xây dựng hệ thiết bị phản ứng 54

II.2.2.2 Phương pháp biến tính ống nano carbon (CNTs) 55

II.2.2.3 Phương pháp phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF 56

II.2.3 Cố định ADN sử dụng ống nano carbon lên vi điện cực 56

II.2.3.1 Thông tin về cảm biến 57

II.2.3.2 Phương pháp cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt cảm biến 57

II.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 60

II.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch DMF 60

II.3.1.1 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 60

II.3.1.2 Hình thái bề mặt của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 61

II.3.1.3 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 62

II.3.1.4 Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 62

II.3.1.5 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF 63

II.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tán của CNTs trong dung dịch DMF 63

II.3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến quá trình phân tán CNTs 65

II.3.2.2 Ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình phân tán CNTs 67

II.3.3 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon 69

II.3.3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch ADN 69

6

II.3.3.2 Đặc trưng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 70

II.3.4 Đặc trưng đáp ứng ra của cảm biến 72

II.3.4.1 Thời gian đáp ứng của cảm biến 72

II.3.4.2 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến 73

II.4 KẾT LUẬN 74

CHƯƠNG III NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANSISTOR HIỆU ỨNG

TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 75

III.1 GIỚI THIỆU 75

III.2 THIẾT KẾ CNTFETs 76

III.2.1 Cấu tạo CNTFETs cực cổng dưới 76

III.2.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETs 77

III.2.3 Thiết kế bản mạch in cho CNTFETs cực cổng dưới 80

III.3 CHẾ TẠO CNTFETs CỰC CỔNG DƯỚI 81

III.3.1 Vật liệu hoá chất 81

III.3.2 Qui trình chế tạo CNTFETs cực cổng dưới 81

III.4 HÀN DÂY VÀ ĐÓNG GÓI 93

III.4.1 Hàn dây 93

III.4.2 Đóng gói CNTFETs cực cổng dưới 94

III.5 XÂY DỰNG HỆ ĐO VÀ PHƯƠNG PHÁP ĐO ĐẶC TÍNH CNTFETs 95

III.5.1 Hệ đo 95

III.5.2 Phương pháp đo đặc tính điện CNTFETs 95

III.6 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 96

III.6.1 Hình thái CNTFETs 96

III.6.2 Tính chất tiếp xúc kim loại S/D-CNTs 97

III.6.3 Đường đặc tuyến ra ID –VDS của CNTFETs 99

III.6.4 Đặc tuyến truyền đạt ID –VGS của CNTFETs 100

III.6.5 Các thông số của CNTFETs 101

III.6.6 Ảnh hưởng của trễ điện đến tín hiệu ra của CNTFETs 105

7

III.6.7 Ảnh hưởng của chiều dài kênh đến các đặc trưng của CNTFETs 107

III.7 KẾT LUẬN 108

CHƯƠNG IV PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) ĐỂ PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUẨN E.COLI 109

IV.I GIỚI THIỆU 109

IV.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 110

IV.2.1 Vật liệu hoá chất 110

IV.2.2 Thông tin về cảm biến 110

IV.2.3 Phương pháp thực nghiệm 111

IV.2.3.1 Xử lý bề mặt cảm biến trước khi cố định ADN 111

IV.2.3.2 Phương pháp cố định ADN 111

IV.2.4 Đo đặc trưng nhạy của cảm biến 114

IV.3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 115

IV.3.1 Đặc trưng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 115

IV.3.1.1 Ảnh hiển vi điện tử quét 115

IV.3.1.2 Đặc trưng phổ hồng ngoại FTIR 116

IV.3.1.3 Đặc trưng ảnh hiển vi huỳnh quang 118

IV.3.1.4 Đặc trưng phổ Raman 119

IV.3.2 Đặc trưng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 120

IV.3.2.1 Đặc trưng tín hiệu cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli 120

IV.3.2.2 Đặc trưng tín hiệu lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli 121

IV.3.2.3 Thời gian đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs 123

IV.3.2.4 Độ nhạy của cảm biến sinh học CNTFETs 124

IV.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 126

IV.3.3.1 Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò 126

IV.3.3.2 Ảnh hưởng của thời gian cố định ADN dò 128

8

IV.3.3.3 Ảnh hưởng của giá trị pH 129

IV.3.4 Độ ổn định của cảm biến sinh học CNTFETs……….130

IV.3.4.1 Ảnh hưởng của phủ màng BSA 130

IV.3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lai hoá 131

IV.3.4.3 Thời gian sống của cảm biến sinh học CNTFETs 132

IV.3.4.4 Độ lặp lại của cảm biến sinh học CNTFETs 133

IV.4 KẾT LUẬN 134

KẾT LUẬN CHUNG 136

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 138

TÀI LIỆU THAM KHẢO 140

9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

TT Viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

3 APTS Amino Propyl Triethoxy Silane Chất APTS

6 CVD Chemical vapour deposition Lắng đọng hoá pha hơi

8 CNTFETs Field effect transistor based on

carbon nanotube

Transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon

13 FET Field effect transistor Transistor hiệu ứng

trường

14 FM Fluorescence microscopy Hiển vi huỳnh quang

15 FE-SEM Field Emision Scanning Electron

24 NHS N-hydroxysulfo-succinimide Chất NHS

10

25 ISFET Ion sensitive field effect transistor Transistor hiệu ứng

trường nhạy ion

26 PBS Phosphate buffered saline Muối đệm phốt phát

27 PCR Polymerase chain reaction Phản ứng chuỗi polyme

28 QCM Quartz crystal microbalance Vi cân tinh thể thạch anh

cyclohexane-1-Chất SMCC

32 TEM Transmission electron microscopy Hiển vi điện tử truyền

qua

33 TOAB Tetra-n-octylammonium bromide Chất TOAB

34 UV-Vis Ultraviolet-visible Tử ngoại-khả kiến

11

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli 22

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học 23

Hình 1.3 Cấu tạo của ống nano carbon 26

Hình 1.4 Hình ảnh mô phỏng ống nano carbon đơn tường và đa tường 26

Hình 1.5 Vector chiral miêu tả cấu tạo của CNTs 27

Hình 1.6 Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau được định nghĩa theo giá trị của n, m 27

Hình 1.7 Ống nano carbon bán dẫn và kim loại 28

Hình 1.8 Tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD có sử dụng các hạt xúc tác nano vàng 29

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của MOSFET 30

Hình 1.10 Mô tả mạch điện tương đương của một MOSFET 31

Hình 1.11 Đặc tuyến ID - VDS của MOSFET 33

Hình 1.12 Sơ đồ cấu tạo của CNTFETs 34

Hình 1.13 Đường đặc tuyến truyền đạt ID - VGScủa CNTFETs……… 34

Hình 1.14 Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của CNTFETs cực cổng dưới 35

Hình 1.15 Đường đặc tuyến ra ID - VDS của CNTFETs 36

Hình 1.16 Cấu trúc CNTFETs cực cổng dưới 38

Hình 1.17 Cấu trúc CNTFETs cực cổng trên ……… 39

Hình 1.18 Cấu trúc và sự lai hóa của phân tử ADN 39

Hình 1.19 Các đoạn ADN được hấp phụ trên bề mặt ống nano carbon 41

Hình 1.20 Phương pháp chung để chức năng hoá ống nano carbon 44

Hình 1.21 Cố định ADN lên trên ống nano carbon 45

Hình 1.22 Phép đo độ dẫn theo điện áp cực cổng (G-VGS) 47

Hình 2.1 Biến tính CNTs bằng axit và sau đó thực hiện chuyển hóa tiếp theo để tạo các nhóm chức este và amid 50

Hình 2.2 Biến tính CNTs thông qua các phản ứng thế nhóm florua trên CNTs 50

12

Hình 2.3 Các phản ứng cộng hợp để gắn các nhóm chức lên CNTs 51

Hình 2.4 Sơ đồ hệ thiết bị phản ứng để biến tính CNTs 54

Hình 2.5 Ảnh hệ thiết bị phản ứng biến tính CNTs 54

Hình 2.6 Sơ đồ các bước biến tính CNTs bằng phương pháp ôxi hoá 55

Hình 2.7 Quy trình phân tán CNTs trong dung dịch DMF 56

Hình 2.8 Vi cảm biến có cấu hình 10 µm x10 µm 57

Hình 2.9 Cố định ADN -CNTs lên vi điện cực 58

Hình 2.10 Sơ đồ hệ đo sử dụng bộ khuếch đại Lock-in RS 830 59

Hình 2.11 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau khi biến tính 60

Hình 2.12 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau khi biến tính 61

Hình 2.13 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau khi biến tính 62

Hình 2.14 Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau khi biến tính 63

Hình 2.15 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau khi biến tính 64

Hình 2.16 Hình ảnh của CNTs đã biến tính phân tán trong dung dịch DMF với các thời gian rung siêu âm khác nhau 65

Hình 2.17 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với các thời gian rung siêu âm khác nhau 66

Hình 2.18 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch DMF phủ trên đế silíc với thời gian rung siêu âm 67

Hình 2.19 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị pH khác nhau 67

Hình 2.20 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị pH khác nhau 68

Hình 2.21 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch có chứa chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli 69

13

Hình 2.22 Ảnh FE -SEM và ảnh TEM của CNTs phân tán trong dung dịch có chứa

chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli 70

Hình 2.23 Phổ FTIR của CNTs , chuỗi ADN đơn, CNTs được cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli 71

Hình 2.24 Đáp ứng của cảm biến, nồng độ ADN dò 10 μM, nhiệt độ 300C 72

Hình 2.25 Đặc trưng lai hóa của chuỗi ADN đích của vi khuẩn E.Coli với nồng độ chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli 10 μM, tại nhiệt độ 300 C 73

Hình 3.1 Cấu tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon cực cổng dưới 77

Hình 3.2 Hình dạng các mask được thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng dưới 78

Hình 3.3 Hình dạng phóng to các mask được thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng dưới 78

Hình 3.4 Các thông số của CNTFETs cực cổng dưới 79

Hình 3.5 Các thông số chiều dài kênh khác nhau của CNTFETs 80

Hình 3.6 Hình các mask đã được chế tạo 80

Hình 3.7 Mạch in thiết kế cho CNTFETs cực cổng dưới 81

Hình 3.8 Quy trình chế tạo CNTFETs cực cổng dưới 83

Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo hệ ôxi hóa nhiệt khô 85

Hình 3.10 Lò ôxi hóa nhiệt khô 85

Hình 3.11 Tạo nhóm OH lên bề mặt phiến 86

Hình 3.12 Quá trình xử lý nhiệt bề mặt phiến 86

Hình 3.13 Cấu trúc phân tử APTS 87

Hình 3.14 Hệ quang khắc 89

Hình 3.15 Phiến CNTFETs cực cổng dưới chế tạo với cùng độ rộng kênh W = 700 m, độ dài kênh khác nhau 5, 10, 15 m 92

Hình 3.16 Bản mạch in với cấu hình phù hợp linh kiện CNTFETs từ khâu thiết kế đến cắt phiến để đóng vỏ 93

Hình 3.17 Máy hàn dây 7400C, Westbond Inc., USA 93

Hình 3.18 CNTFETs cực cổng dưới sau khi đóng gói 94

14

Hình 3.19 Hình ảnh hệ đo của máy HP 4155C để đo đặc trưng ID - VGS và ID - VDS

của CNTFETs 95

Hình 3.20 Sơ đồ phân cực cho CNTFETs 96

Hình 3.21 Màn hình giao diện để cài đặt các thông số trong quá trình đo đường đặc trưng ID -VDS và ID -VGS 96

Hình 3.22 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTFETs cho cả 3 kênh 97

Hình 3.23 Đường đặc trưng ID -VDS của CNTFETs trong miền tuyến tính 99

Hình 3.24 Đường đặc tuyến ra ID -VDS của CNTFETs trong miền bão hoà………99

Hình 3.25 Đường đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của CNTFETs với VGS từ 10 V đến -10 V bước 0.1 V, VDS từ -0.5 V đến -1.5 V bước -0.5 V cho cả 3 mẫu 100

Hình 3.26 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS thang tuyến tính của CNTFETs 101

Hình 3.27 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS thang lôgarit của CNTFETs………102

Hình 3.28 Đường đặc tuyến gm-VGS tại VDS = - 0.5 V của CNTFETs………… 103

Hình 3.29 Đặc tuyến gd – VDS của CNTFETs……….104

Hình 3.30 Hiện tượng trễ điện của CNTFETs 106

Hình 3.31 Các đặc trưng phụ thuộc chiều dài kênh của CNTFETs 107

Hình 4.1 Transistor hiệu ứng trường sử dụng mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn, có kích thước chiều dài kênh là 15 µm, chiều rộng kênh 700 µm 111

Hình 4.2 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon của CNTFETs 113

Hình 4.3 Sơ đồ mô tả chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli hấp phụ lên bề mặt ống nano carbon……….113

Hình 4.4 Hệ đo sử dụng thiết bị phân tích tham số bán dẫn HP 4155C 114

Hình 4.5 Màn hình giao diện để cài đặt các thông số trong quá trình đo đường đặc tính điện ID -VGS của cảm biến CNTFETs 115

Hình 4.6 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs và ADN /CNTs 116

Hình 4.7 Phổ FTIR ống nano carbon, ống nano carbon được cố định ADN 117

Hình 4.8 Ảnh hiển vi huỳnh quang của CNTs và ADN /CNTs 118

15

Hình 4.9 Phổ Raman ống nano carbon được cố định ADN và ống nano carbon không được cố định ADN 119 Hình 4.10 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs trước và sau khi cố định ADN 121 Hình 4.11 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs trước và sau khi lai hóa ADN 122 Hình 4.12 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs khi chưa cố định ADN dò, khi được cố định chuỗi ADN dò lên trên bề mặt ống nano carbon và sau khi lai hóa ADN 122 Hình 4.13 Đáp ứng của cảm biến CNTFETs với nồng độ ADN đích khác nhau, nồng độ ADN dò của vi khuẩn E.Coli là 10 μM, nhiệt độ 300C 123 Hình 4.14 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs khi lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli ở các nồng độ khác nhau 125 Hình 4.15 Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò của vi khuẩn E.Coli đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 127 Hình 4.16 Ảnh hưởng của thời gian cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 128 Hình 4.17 Ảnh hưởng của giá trị pH đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 129 Hình 4.18 Ảnh hưởng của màng BSA đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 130 Hình 4.19 Ảnh hưởng của nhiệt độ lai hoá tới tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs 131 Hình 4.20 Đặc trưng ID-VGS của cảm biến sinh học CNTFETs thay đổi theo thời gian, ADN dò = 10 M, ADN đích = 1 pM, T = 300C 133 Hình 4.21 Tín hiệu ra của cảm biến sau hai lần lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli 134

16

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Trình tự ADN đặc hiệu của vi khuẩn E.Coli sử dụng trong luận án…….53

Bảng 3.1 Các thông số của CNTFETs cực cổng dưới 79

Bảng 3.2 Tóm tắt quy trình xử lý bề mặt 84

Bảng 3.3 Các thông số của quá trình ôxi hóa khô 85

Bảng 3.4 Các thông số quang khắc……… 89

Bảng 3.5 Các thông số của quá trình phún xạ Cr 90

Bảng 3.6 Các thông số của quá trình phún xạ Pt 90

Bảng 3.7 Thông số ủ phiến 91

Bảng 3.8 Các thông số của quá trình bốc bay nhôm 92

Bảng 3.9 Các thông số hàn dây 94

Bảng 3.10 Điện áp ngưỡng của các CNTFETs 102

Bảng 3.11 Giá trị dòng điện mở, dòng điện dò, tỷ số dòng điện bật - tắt của các CNTFETs………103

Bảng 3.12 Độ hỗ dẫn cực đại của các CNTFETs 104

Bảng 3.13 Độ dẫn cực đại và điện trở của các CNTFETs ở trạng thái bật 105

Bảng 3.14 Độ linh động lỗ trống trong CNTs của các CNTFETs 105

Bảng 4.1 Trình tự ADN đặc hiệu của vi khuẩn E.coli sử dụng trong luận án 110

Bảng 4.2 So sánh kết quả phát hiện lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli gây bệnh của một số loại cảm biến sinh học 126

17

MỞ ĐẦU

Ngày nay, cùng với sự phát triển về kinh tế, gia tăng dân số, hội nhập toàn cầu

là sự phát sinh các dịch bệnh nguy hiểm như: viêm đường hô hấp cấp tính (SARS), cúm A/H5N1, sốt phát ban, sốt xuất huyết Dengue, viêm não Nhật Bản, tiêu chảy

cấp đe dọa đến sức khoẻ cộng đồng [14] Phát hiện, khống chế và ngăn chặn kịp

thời các tác nhân gây bệnh truyền nhiễm là yêu cầu cấp thiết nhằm giảm thiểu nguy

cơ tác hại đến sức khoẻ và những thiệt hại về mặt kinh tế, xã hội Chính vì vậy, phát hiện nhanh, nhạy và sàng lọc mầm bệnh truyền nhiễm là mấu chốt để ngăn chặn quá trình lây lan của tác nhân gây bệnh bằng biện pháp cách ly hay điều trị kịp thời [50] Hiện nay chúng ta đã có một số phương pháp phát hiện vi rút, vi khuẩn gây bệnh như: phương pháp phản ứng chuỗi polyme  PCR (Polymerase Chain Reaction) [27, 42, 132], phương pháp  ELISA (Enzyme  Linked ImmunoSorbent Assay) [61], phương pháp nuôi cấy tế bào [5] Phương pháp PCR là một phương pháp đã được sử dụng thường xuyên trong y sinh học và công nghệ thực phẩm Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là dựa vào sự thay đổi nhiệt độ bắt cặp của chuỗi ADN để xác định lai hóa Phương pháp ELISA là phương pháp dựa trên phản ứng sự miễn dịch có sử dụng kháng thể gắn enzyme chuyển hóa các cơ chất không màu thành có màu, sau đó, máy quang phổ kế được sử dụng để đo mức độ phản ứng thông qua quá trình đo mức độ hấp phụ ánh sáng đơn sắc của dịch màu Phương pháp nuôi cấy tế bào có kết quả thu được trong vòng từ 2 ngày đến 10 ngày Những phương pháp này thường có độ nhạy cao, có thể phát hiện ADN ngay ở khối lượng rất nhỏ, rất đặc hiệu, kết quả phân tích định lượng Tuy nhiên, tất cả các phương pháp này đều có một đặc điểm thời gian phân tích dài từ vài giờ đến vài ngày để biết kết quả, chỉ tập trung ở các thành phố lớn Hơn nữa, những kỹ thuật này còn đòi hỏi trang thiết bị, sinh phẩm và hóa chất đắt tiền, người thao tác phải được đào tạo chuyên nghiệp và xét nghiệm phải được thực hiện tại các phòng thí nghiệm chẩn đoán đạt tiêu chuẩn an toàn sinh học, không kiểm tra được ngoài thực địa, dẫn đến những hạn chế trong ứng dụng Một phương pháp khác có thể bổ sung cho các phương pháp nói trên, để nhận biết vi rút, vi khuẩn là dựa vào sự phát hiện lai hóa chuỗi ADN của vi rút, vi khuẩn đó là sử dụng các cảm biến sinh học Đây là loại cảm biến cho độ nhạy cao, thời gian phân tích nhanh, quy trình chế tạo đơn giản, 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, phục vụ cho việc ngăn ngừa dịch bệnh bảo vệ sức khỏe cộng đồng Cấu tạo của cảm biến sinh học gồm hai phần,

18

phần cảm nhận sinh học (Biological sensing element/ Bio-receptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (Transducer) [75] Các phân tử sinh học có thể là các enzyme, ADN, kháng nguyên- kháng thể Bộ chuyển đổi có nhiệm vụ chuyển các phản ứng sinh hóa thành các tính hiệu điện có thể đo đạc được Hoạt động của cảm biến dựa trên

sự tương tác của các thành phần sinh học được cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi các tín hiệu sinh hóa ở lân cận bề mặt chuyển đổi Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu điện và được hiển thị bằng các tín hiệu điện, quang, cơ ở đầu ra của cảm biến Hiện nay trên thế giới việc nghiên cứu chế tạo, sử dụng cảm biến sinh học để phát hiện vi khuẩn gây bệnh trong môi trường đã có những thành công trên một số đối tượng vi khuẩn thường gặp ví dụ như: Cảm biến sinh học dựa trên cơ

chế của phản ứng miễn dịch để phát hiện vi khuẩn Samonella với độ nhạy cao, thời

gian đáp ứng nhanh với nồng độ phát hiện là 100 CFU.mL-1

[114] Một nghiên cứu khác của cảm biến miễn dịch có thể phát hiện vi khuẩn Candida albicans với nồng

độ phát hiện là 50 CFU.mL-1

chỉ trong vòng 60 phút [115] Ngoài ra còn một số loại cảm biến khác như cảm biến ADN nhằm phát hiện vi khuẩn Escherichia coli O157 dựa trên sự lai hoá giữa các chuỗi ADN với giới hạn phát hiện nồng độ chuỗi ADN

bổ sung là 1pg.L-1 [127] Ở Việt Nam hướng nghiên cứu cảm biến sinh học nói chung và cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano cacbon là hướng mới rất quan trọng và cần thiết, mới được tiếp cận ở nước ta trong thời gian gần đây Một vài công trình nghiên cứu của nhóm Biosensor tại Viện ITIMS trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã triển khai các nghiên cứu như: Chế tạo cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng nhạy ion (ISFET) phát hiện thuốc trừ sâu trong nước [105], cảm biến ADN trên cơ sở vi điện cực để phát hiện vi rút

H5N1 [6], phát hiện biến đổi gen của đậu tương [101], cảm biến miễn dịch để phát hiện vi rút viêm não Nhật Bản [7] Để góp phần phát triển các cảm biến sinh học ở Việt Nam nhằm phát hiện nhanh, trực tiếp vi khuẩn gây bệnh, đề tài nghiên cứu với

tiêu đề: “Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” đã được đề xuất cho luận án tiến sĩ Đây là nghiên cứu đầu

tiên ở Việt Nam về sự kết hợp ống nano carbon với thành phần sinh học để chế tạo transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs) như một cảm biến sinh học

Đề tài được thực hiện với 02 mục tiêu chính: (1) nghiên cứu chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon; (2) ứng dụng của transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon trong cảm biến sinh học để phát hiện vi khuẩn E.Coli Đối tượng nghiên cứu gồm: Công nghệ biến tính và phân tán ống nano carbon, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon,

19

cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon Nội dung nghiên cứu được chia thành ba phần: (1) nghiên cứu công nghệ biến tính và phân

CNTFETs; (2) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon; (3) phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon để phát hiện vi khuẩn E.Coli Đề tài được thực hiện tại Viện đào tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS), Trường Đại học Bách khoa Hà Nội và Viện Vệ sinh Dịch tễ Trung ương và một số cơ sở khác có liên quan Thành công của đề tài sẽ mở ra một hướng nghiên cứu mới nhằm phát triển cảm biến sinh học dựa trên các vật liệu nano có chế độ hoạt động đơn giản, phát hiện nhanh, chính xác, thân thiện với người sử dụng

Kết quả nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm được trình bày trong 4 chương của luận án:

Chương 1: Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano

học trên cơ sở CNTFETs Trên cơ sở đó lựa chọn công nghệ chế tạo transistor hiệu

ứng trường ống nano carbon thích hợp với yêu cầu đặt ra, phù hợp với điều kiện công nghệ hiện có ở trong nước

Chương 2: Nghiên cứu công nghệ biến tính và phân tán ống nano carbon định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học và chế tạo CNTFETs

Chương 2 trình bày công nghệ biến tính ống nano carbon và những kết quả nghiên cứu phân tán ống nano carbon trong dung dịch Dimethylformamide (DMF) Thông qua các phép phân tích phổ hấp thụ UV-Vis, hiển vi điện tử quét, phổ Raman, phổ hồng ngoại FITR nhằm tìm ra các thông số phù hợp nhất cho mục đích chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon từ đó có thể mở ra các ứng dụng trong cảm biến sinh học

Chương 3: N ghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon (CNTFETs)

20

Chương 3 trình bày những kết quả nghiên cứu chế tạo transistor hiệu ứng trường sử dụng mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn từ việc thiết kế mặt nạ, nghiên cứu công nghệ, chế tạo CNTFETs đến hàn dây và đóng gói linh kiện Chương này nghiên cứu thử nghiệm ba loại CNTFETs với kích thước kênh dẫn khác nhau Cụ thể với ba chiều dài kênh khác nhau là 5 m, 10 m, 15 m cùng chiều rộng 700 m Trên cơ sở đó tác giả lựa chọn cảm biến phù hợp với điều kiện nghiên cứu trong nước và phù hợp với đối tượng nghiên cứu

Chương 4: Phát triển c ảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon để phát hiện lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli

Chương 4 trình bày những kết quả nghiên cứu phát triển cảm biến sinh học trên

cơ sở sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon sử dụng chuỗi ADN của vi khuẩn E.Coli làm phần tử dò Các yếu tố của quá trình cố định ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến như: thời gian cố định, nồng độ ADN dò và giá trị pH của dung dịch cố định, ảnh hưởng nhiệt độ lai hoá được bàn luận ở đây Ngoài ra, độ ổn định và khả năng tái sử dụng cảm biến cũng đã được nghiên cứu

Cuối cùng là phần kết luận chung của toàn bộ luận án

21

CHƯƠNG I CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG

ỐNG NANO CARBON (CNTFETs)

Trong những năm gần đây, cảm biến sinh học đã và đang thu được được sự quan tâm chú ý của các nhà khoa học cũng như các hãng sản xuất thuộc lĩnh vực điện tử y sinh Trong lĩnh vực kiểm tra môi trường, cảm biến sinh học được sử dụng

để xác định nồng độ thuốc trừ sâu trong nước [153]; ứng dụng trong ngành y sinh học như xác định nồng độ glucose trong máu [74], nồng độ urê trong nước tiểu [90] Trong ngành công nghệ thực phẩm, loại cảm biến này được sử dụng để phát hiện sự biến đổi gen trong cây trồng [6] Sở dĩ cảm biến sinh học được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực là nhờ có nhiều tính năng nổi bật như: 1) đặc hiệu ở mức độ phân tử; 2) có độ chọn lọc cao; 3) có cấu trúc đơn giản; 4) tiết kiệm thời gian; 5) yếu tố cảm biến sinh học có thể tái sử dụng cho các chất phân tích khác nhau

I.1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLI

Vi khuẩn E.coli thuộc họ Enterobacteriaceae là túc chủ bình thường ở trong ruột, chiếm 80% các vi khuẩn hiếm khí đường ruột của người lớn, còn tìm thấy ở nhiều niêm mạc khác nữa Từ ruột, E.coli theo phân ra đất, nước E.coli là một hình que thẳng, hai đầu tròn, kích thước dài ngắn khác nhau từ 2 m đến 3 m, đường kính cắt ngang rộng 0.5 m E coli phần lớn rất di động, không sinh nha bào, có thể

có vỏ (hình 1.1) E coli có một số týp kháng nguyên là nguyên nhân gây ra viêm dạ dày ruột và gây nhiễm trùng độc cấp tính ở đường tiêu hóa, dẫn đến bệnh tiêu chảy cấp và lan truyền chủ yếu qua nước uống và thức ăn Bệnh tả có thể lan truyền thành dịch lớn Trong vòng 200 năm qua đã có 7 lần dịch tả bùng phát và lây lan thành đại dịch ở một số nước và châu lục, trong thời gian vài tháng đã làm tử vong hàng chục ngàn người ở các thành phố lớn như Pari (1832), London (1854) Tại Việt Nam, dịch tả trong các năm 1937-1938 đã làm chết gần 15 nghìn người Trong năm 2008 dịch tả đã bùng phát tại một số tỉnh phía Bắc, nhưng nhờ các biện pháp phòng chống được Bộ Y tế triển khai kịp thời nên dịch nhanh chóng bị dập tắt mà không gây tổn thất về người Hiện nay chưa có vắc xin phòng bệnh

22

Hình 1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli

[ E.coli, Viện dịch tễ trung ương ]

Một số phương pháp chẩn đoán trong phòng xét nghiệm thường được sử dụng

để xác định vi khuẩn như: phân lập, phát hiện thông qua phản ứng chuỗi polyme (PCR), kỹ thuật ELISA Tuy nhiên, các phương pháp này từ vài giờ đến hàng tuần

để biết được kết quả Hơn nữa, hầu hết các xét nghiệm phải thực hiện trong các phòng thí nghiệm an toàn sinh học bậc cao, cần đến sinh phẩm và hóa chất đắt tiền, giá thành thiết bị cao Do vậy, việc nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học có những tính năng ưu việt, có khả năng cho kết quả nhanh và chính xác vi khuẩn E.Coli cũng rất cần thiết

I.2 GIỚI THIỆU CẢM BIẾN SINH HỌC

Theo Hiệp hội quốc tế về hoá học ứng dụng - IUPAC năm 1999 đã định nghĩa:

cảm biến sinh học là một thiết bị tích hợp độc lập, nhỏ gọn, có khả năng cung cấp

những thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượng, gồm 02 thành phần chính: Phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer) [134, 125] Phần tử nhận biết thực chất là các lượng chất sinh học hoặc các thực thể sinh học, hoạt động như một yếu tố nhận biết, được liên kết với bộ chuyển đổi một cách trực tiếp hoặc gián tiếp Phần tử sinh học được sử dụng chủ yếu là enzyme, ADN, ARN, kháng thể [6] Phần tử chuyển đổi có khả năng chuyển tín hiệu không điện từ các tương tác sinh hoá thành tín hiệu điện Tuỳ thuộc vào phương pháp chuyển đổi tín hiệu mà người ta có thể chuyển thành các tín hiệu như quang [34, 63, 79], cơ [33, 58], điện [31, 64, 130] Hoạt động của cảm biến sinh học (hình 1.2) dựa trên sự tương tác của các thành phần sinh học được cố định trên bề mặt bộ chuyển đổi (cảm biến) với thành phần sinh học cần phân tích sẽ làm thay đổi các tín hiệu sinh hoá ở lân cận bề mặt chuyển đổi Sự thay đổi các tín hiệu này sẽ

23

được nhận biết bằng bộ chuyển đổi tín hiệu và được hiển thị bằng tín hiệu điện, quang, cơ hoặc nhiệt ở đầu ra của cảm biến [20] Mỗi phần tử nhận biết sinh học khác nhau chỉ cho phép nhận biết được một loại đối tượng phân tích theo nguyên tắc khóa - chìa Nếu không có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm nhận sinh học thì không có sự thay đổi tín hiệu điện ở đầu ra của cảm biến hoặc chỉ đơn thuần là đóng góp các ồn trong quá trình đo Chính vì vậy mà cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao [35]

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học

Việc phân loại cảm biến sinh học dựa trên một vài nguyên tắc nhất định Dựa trên thành phần cảm nhận sinh học có thể chia thành ba loại cơ bản: cảm biến Enzyme, cảm biến ADN và cảm biến miễn dịch Nếu dựa trên bộ phận chuyển đổi thì có thể chia cảm biến sinh học thành những loại như sau: cảm biến điện hoá dựa trên cơ sở các phép đo dòng, thế, hoặc độ dẫn của dung dịch, cảm biến quang trên

cơ sở phép đo huỳnh quang [34], cảm biến cơ dựa trên sự thay đổi khối lượng ở bề mặt cảm biến sẽ làm thay đổi tần số trong vi cân tinh thể thạch anh [119], cảm biến trên cơ sở transistor hiệu ứng trường thường sử dụng điện trường để điều khiển độ dẫn của kênh dẫn giữa hai điện cực nguồn, máng Điều này có thể đạt được bởi sự thay đổi điện áp trên ở điện cực cổng [102] Cùng với sự phát triển của các loại cảm biến sinh học nói chung, cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs) đang ngày càng được đầu tư nghiên cứu Trong những nghiên cứu về transistor hiệu ứng trường ống nano carbon ứng dụng làm cảm biến sinh học phải kể đến công bố của các nhóm nghiên cứu: G.J.Lee đã nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở enzyme – CNTFETs để phát hiện Glutamate với độ nhạy cao, thời gian đáp ứng nhanh [38] Để chế tạo loại cảm biến này, nhóm của Lee đã

cố định enzyme L-glutamate oxidase (GLOD) lên trên bề mặt ống nano carbon sử

24

phương pháp liên kết không cộng hoá trị, tính chất điện của CNTFETs sau đó được đặc trưng bởi dòng điện chạy ở cực nguồn và cực máng của cảm biến Nhóm của Star đã sử dụng CNTFETs để phát hiện đột biến gen dựa trên sự đánh dấu quang đoạn ADN, với giới hạn phát hiện nồng độ chuỗi đột biến gen ở mức pM đến M [10] Nghiên cứu cơ chế phát hiện lai hoá đoạn ADN sử dụng CNTFETs đã được nghiên cứu bởi nhóm Tang [149] Trong báo cáo này, các tác giả đã đề xuất ra cơ chế phát hiện sự lai hoá của cảm biến dựa vào sự ức chế lai hoá khi đoạn ADN hấp phụ trực tiếp trên vách ống nano carbon Gần đây, Maria và cộng sự đã nghiên cứu transistor hiệu ứng trường ống nano carbon đa tường để phát hiện lai hoá đoạn ADN Đây là loại cảm biến được chế tạo dựa trên sự hấp phụ đoạn ADN dò lên ống nano carbon đã được pha tạp với polymer dẫn Tín hiệu lai hoá quan sát được dựa trên sự thay đổi tính chất điện của CNTFETs [92] Oh [68] đã nghiên cứu chế tạo cảm biến miễn dịch trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon để phát hiện vi rút hepatitis B, với sự có mặt của kháng nguyên hepatitis B được xác định bằng phép đo độ dẫn điện phụ thuộc vào thời gian nhận biết và đạt giá trị bão hoà ở khoảng thời gian 10 phút Như vậy có thể nói rằng, các nhóm nghiên cứu mà tác giả

đề cập ở trên là các nhóm nghiên cứu mạnh, điển hình về cảm biến sinh học trên cơ

sở CNTFETs đã có nhiều công trình có giá trị Các công trình của các nhóm này chủ yếu đăng tải trên các tạp chí uy tín như: Nano Letters, Physical Review Letters, Applied Physics Letters, Sensors and Actuators B, có chỉ số “impact factor” và chỉ

số trích dẫn rất cao

Ở Việt Nam, việc nghiên cứu cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu

trường ống nano carbon phát hiện lai hóa ADN còn rất mới mẻ Hiện nay chủ yếu

nghiên cứu về ứng dụng ống nano carbon với các nhóm nghiên cứu như: nhóm nghiên cứu của GS Phan Hồng Khôi [24, 53, 139], PGS Phan Ngọc Minh [139, 140] - Viện khoa học Vật liệu và gần đây có nhóm nghiên cứu của PGS Nguyễn Văn Hiếu [54-57], PGS.TS Nguyễn Hữu Lâm [89] - Trường Đại học Bách Khoa

Hà nội Các nhóm này chủ yếu nghiên cứu phương pháp chế tạo ống nano carbon, nghiên cứu tính chất quang, điện, hình thái bề mặt của ống nano carbon và ứng dụng trong cảm biến khí, các linh kiện điện tử công suất Gần đây có nhiều nhóm nghiên cứu về vật liệu và công nghệ nano (vật liệu và cảm biến) ứng dụng trong sinh học có nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Hữu Đức [29] – Đại học công nghệ, nhóm nghiên cứu của GS Nguyễn Xuân Phúc [85,86,107], PGS Trần Đại Lâm [30, 86-88] – Viện khoa học Vật liệu Nhóm nghiên cứu của PGS Nguyễn Hoàng Hải [138] nghiên cứu vật liệu nano ứng dụng trong sinh học Ngoài ra, có các nghiên

25

cứu về cảm biến sinh học dựa trên các vật liệu bán dẫn (PGS Đặng Mậu Chiến [16, 136], TS Tống Duy Hiển [136, 137]), nghiên cứu về cảm biến sinh học dựa trên hiệu ứng từ (GS Nguyễn Hữu Đức [29]) Về nghiên cứu phát triển bộ cảm biến sinh học trên cơ sở CNTFETs để phát hiện lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli, vẫn chưa có nghiên cứu nào được công bố tính tới thời điểm tập thể hướng dẫn đề xuất

đề cương nghiên cứu năm 2008

I.3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON

Ống nano carbon có cấu trúc nano là một trong số các vật liệu mới hết sức hấp dẫn được phát hiện, nghiên cứu và chế tạo trong thập niên cuối cùng của thế kỷ XX Đây là vật liệu rất đa dạng về cấu trúc và hình dạng, khác nhau về tính chất: cơ, lý, hoá Nhưng chúng đều có một điểm giống nhau là đều được cấu tạo chỉ từ một nguyên tố duy nhất, đó là nguyên tố C Ống nano carbon là vật liệu đầy hứa hẹn cho ứng dụng công nghệ cao và hứa hẹn một số ứng dụng mới trong nhiều lĩnh vực khác nhau như trong các thiết bị điện tử có kích thước nano [113], transistor và bộ nhớ [43, 111, 120], trong các thiết bị cơ điện tử [65], chế tạo các đầu đo AFM/STM [45] Tóm lại, ống nano carbon đã có được một số ứng dụng thành công trong nhiều lĩnh vực khác nhau Trong số những ứng dụng này, transistor hiệu ứng trường trên

cơ sở ống nano carbon đã và đang được quan tâm nhiều nhất bởi các nhà khoa học, các công ty thương mại, do chúng có những tính năng vượt trội so với loại transistor hiệu ứng trường trên cơ sở MOS như có độ dẫn truyền tốt và tỷ số ION/IOFF lớn

I.3.1 Cấu tạo của ống nano carbon

Ống nano carbon là một vật liệu mới của nghành công nghệ nano, có tên tiếng anh là “Carbon Nanotubes”, tên viết tắt là CNTs Ống nano carbon là một dạng thù hình của carbon, có dạng hình trụ tròn, có kết tinh gần như một chiều được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Iijima [59]

Ống nano carbon (CNTs) có cấu tạo hình trụ có kích thước đường kính vài nanomet, chiều dài có thể tới vài chục micromet Vách của ống nano carbon bao gồm những hình lục giác của các nguyên tử carbon tạo nên mạng graphit Có thể tưởng tượng ống nano carbon là một lá graphit cắt thành dải sau đó được gắn kín tạo thành ống bằng bán cầu fullerence có cùng đường kính (hình 1.3)

26

Hình 1.3 Cấu tạo của ống nano carbon [49]

Do đặc tính đơn tầng hay đa tầng của dải graphit mà ta có thể tạo ra được ống nano carbon là đơn tường (Single wall Carbon nanotubes - SWCNTs) hay đa tường (Mullti wall Carbon nanotubes - MWCNTs) (hình 1.4)

Hình 1.4 a) Hình ảnh mô phỏng ống nano carbon đơn tường; b) đa tường [49]

Ống nano carbon đa tường được tạo bởi hai hay nhiều ống đơn tường được ghép đồng trục với khoảng cách giữa các lớp vỏ chừng 0,34 - 0,36 nm (tương đương khoảng cách giữa các mạng graphit) MWCNTs có đường kính lên tới 100

nm, trong khi SWCNTs chỉ có đường kính từ 0,4 đến 3 nm Cấu trúc của ống nano carbon có thể được xác định thông qua vector chiral R = ma

1 + na

2 = (m,n) Độ xoắn của ống được đặc trưng bằng góc xoắn , là góc hợp bởi véc tơ R và a

1 (hình 1.5)

27

Hình 1.5 Vector chiral miêu tả cấu tạo của CNTs [143]

Có thể phân loại ống nano carbon theo kiểu cấu trúc ghế bành (armchair) khi n

= m, θ = 300 hoặc (zigzag): khi m = 0 hoặc n = 0, θ = 0 cấu trúc hình chữ chi (zigzag); hoặc n  m, 0< θ < 300 cấu trúc khác (chiral) Hai tham số chính, đường kính d của ống với góc  có mối quan hệ với (m, n) qua công thức:

Trong đó ac-c (= 0,142 nm) là giá trị chiều dài cạnh hình lục giác của ô đơn vị

trên dải graphit (hay là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon gần nhất) (hình 1.6) [46]

Hình 1.6 Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau

được định nghĩa theo giá trị của n, m [49]

28

I.3.2 Tính chất của ống nano carbon

Các tính chất của ống nanno carbon (CNTs): Khả năng phản ứng hoá học: Ống nano carbon khác với mạng graphit ở cấu trúc cong bề mặt của nó Các phản ứng xảy ra thường liên quan đến tính không đối xứng của obitan π gây bởi độ cong tăng lên Do đó chắc chắn có sự khác biệt giữa đoạn đầu của ống và đoạn thành ống Tuy nhiên, thực tế cho thấy CNTs vẫn tương đối trơ về mặt hóa học, do đó để tăng hoạt tính hóa học của CNTs cần tạo ra các khuyết tật trên bề mặt của ống, gắn kết với các phân tử hoạt động khác Các nghiên cứu cũng chỉ ra rằng, CNTs có đường kính càng nhỏ thì hoạt động hóa học càng mạnh, song hiện tượng tụ đám càng nhiều Đó là ảnh hưởng của hiệu ứng kích thước và hiệu ứng bề mặt xảy ra với các vật liệu nano Sự tụ đám này làm giảm khả năng hoạt động hóa học của các ống CNTs Vì vậy, vấn đề quan trọng là tách bó CNTs thành các ống riêng rẽ bằng cách

xử lý, lý, hóa phù hợp [47]

Tính dẫn điện của CNTs phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc của ống Tùy thuộc vào đường kính ống và chỉ số của véctơ chiral mà độ dẫn của CNTs có thể là bán dẫn hay kim loại Cơ học lượng tử chỉ ra độ dẫn của mạng graphene là nằm giữa bán dẫn và kim loại Tuy nhiên, khi được cuộn lại thành ống, các liên kết C-C vuông góc với trục ống được hình thành, dẫn đến cấu trúc điện tử của một số loại ống CNTs giống như của các kim loại dẫn điện tốt như Cu, Au Các cách cuộn khác nhau của mạng graphene tạo ra ống với khe năng lượng nhỏ hoặc bằng 0 Do đó, độ dẫn của CNTs tương ứng là bán dẫn hoặc kim loại Trở kháng của ống được xác định bởi đặc tính cơ lượng tử và được chứng minh là độc lập với chiều dài ống [117]

Hình 1.7 Ống nano carbon bán dẫn và kim loại [49]

Kim loại

Bán dẫn

Linh kiện điện tử

I.3.3 Phương pháp chế tạo ống nano carbon

Có nhiều phương pháp khác nhau để chế tạo ống nano carbon như phương pháp phóng điện hồ quang, phương pháp phóng điện hồ quang có coban, phương pháp dùng tia laze, phương pháp ngọn lửa, phương pháp CVD, phương pháp nghiền bi [152] Trong đó phương pháp CVD là phương pháp phổ biến nhất và đã được áp dụng thành công ở Việt Nam [23, 53, 97, 141, 143], sử dụng nguồn khí có chứa carbon để lắng đọng trên xúc tác để tạo ra sản phẩm ống nano carbon

Hình 1.8 Tổng hợp CNTs bằng phương pháp CVD

có sử dụng các hạt xúc tác nano vàng [143]

Phương pháp bay hơi lắng đọng hóa học CVD là tạo ra một lớp màng mỏng nhờ liên kết dưới dạng khuếch tán, là kết quả của phản ứng giữa các pha khí với bề mặt được nung nóng Sản phẩm cuối cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và chịu mài mòn có liên kết rất mạnh với vật liệu nền

Cho tới nay, những nghiên cứu và công nghệ chế tạo MOSFET đã có những cải tiến vượt bậc Đã có nhiều hệ bán dẫn dựa trên cấu trúc này Trong số đó, CNTFETs là loại transistor hiệu ứng trường dựa trên việc cải tiến của MOSFET Hình 1.9 mô tả cấu trúc của một MOSFET kênh n

Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của MOSFET [105]

Cấu trúc bao gồm một đế silíc loại p, người ta pha tạp chất bằng phương pháp công nghệ đặc biệt (khuếch tán hoặc cấy ion) để tạo ra 2 vùng bán dẫn loại n+ và hai điện cực là cực máng (D) và cực nguồn (S) Hai vùng này được nối thông với nhau nhờ 1 kênh dẫn điện loại n Phía trên kênh dẫn người ta tạo điện cực thứ 3 là cực cổng (G) sau khi đã phủ lên bề mặt kênh 1 lớp cách điện mỏng SiO2

Cực máng Cực nguồn

Cực cổng

31

Trong sơ đồ phân cực của MOSFET (hình 1.10) VGS là điện áp giữa cực cổng và cực nguồn, VDS là điện áp giữa cực máng và cực nguồn, ID là dòng máng và là dòng qua kênh dẫn Thông thường cực nguồn và đế Si được nối đất

Hình 1.10 Mô tả mạch điện tương đương của một MOSFET [105]

Khi đặt điện áp VGS > 0 lên cực cổng, lúc đầu các lỗ trống trong phiến đế silíc loại p sẽ bị đẩy xa khỏi bề mặt ngay dưới cực cổng, tạo thành vùng nghèo hạt tải Điện áp VGS càng tăng thì chiều rộng vùng nghèo càng lớn

Nếu VGS đủ lớn (lớn hơn điện áp ngưỡng VT) sẽ xuất hiện một vùng đảo trên bề mặt silíc ngay dưới cực cổng, hình thành một kênh dẫn, điện tử từ cực nguồn (S) sang cực máng (D)

Đối với bán dẫn có đế silíc loại n, điện áp VGS có dấu ngược so với trong trường hợp bán dẫn có đế silíc loại p để tạo ra hiện tượng như trên

Điện áp ngưỡng được xác định qua công thức [118]:

ox

f it ox

B S M T

C

Q Q C

Q

V       2. (1.2) Trong đó:M,S: Công thoát của kim loại và bán dẫn

F : Thế Fecmi

Q B : Điện tích vùng nghèo của silic

Q it : Mật độ trạng thái trên bề mặt silic

Q f : Điện tích trong lớp ôxit SiO2

ID

32

Rõ ràng, khi không có điện áp đặt trên cực cổng của MOSFET kênh n thì không có dòng giữa nguồn và máng Loại MOSFET này gọi là MOSFET kênh n kiểu tăng cường (thường đóng) và có điện áp ngưỡng dương

Nếu trong MOSFET kênh n đã tồn tại sẵn trên cực cổng, để MOSFET không dẫn điện, ta phải dùng một điện áp âm để triệt tiêu kênh dẫn MOSFET lúc này gọi

là MOSFET kênh n kiểu nghèo (thường mở), có điện áp ngưỡng âm

Xét trường hợp tồn tại kênh dẫn khi VGS > VT: Nếu VDS < VGS - VT thì các điện

tử có thể chạy từ nguồn về máng theo kênh dẫn Do vậy kênh này hoạt động như một phần tử điện trở, sụt thế trên kênh bằng không tại cực nguồn và bằng VDS tại cực máng Vùng này gọi là vùng tuyến tính Dòng ID phụ thuộc vào VDS theo công thức:

biểu thức (1.3), còn vùng bên phải của đồ thị là vùng bão hòa, dòng ID không còn phụ thuộc vào VDS, và có biểu thức (1.4) Tuy nhiên, có thể nhận thấy rằng dòng IDvẫn tăng nhẹ do chiều dài kênh dẫn giảm dần, L‟<L

33

Hình 1.11 Đặc tuyến I D – V DS của MOSFET [105]

I.5 TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO

CARBON (CNTFETs)

I.5.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CNTFETs

Transistor hiệu trường trên cơ sở ống nano carbon lần đầu tiên được giới thiệu

vào năm 1998 bởi Stans và các cộng sự dựa trên cấu trúc của MOSFET [120] Những linh kiện này được chế tạo bằng phương pháp cắt laze để làm lắng đọng các ống nano-carbon đơn tường (single-wall) ở dạng lỏng lên trên lớp silíc đã bị ôxi hóa được gắn các điện cực bằng vàng hoặc bạch kim Các điện cực này đóng vai trò như cực nguồn (source) và cực máng (drain), kết nối qua kênh dẫn cấu tạo bởi một hoặc nhiều ống nano carbon bán dẫn Điện cực thứ 3 gọi là cực cổng (gate – ký hiệu là G) hoàn toàn cách điện với 2 điện cực còn lại và được tích hợp trên linh kiện Sơ đồ cấu tạo và hình ảnh lực nguyên tử hiển vi của CNTFETs được mô tả ở hình 1.12 Như vậy, về cấu tạo CNTFETs rất giống MOSFET đều gồm có 3 cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng cách điện với cực còn lại Tuy nhiên điểm khác biệt giữa hai loại này đó là kênh dẫn của MOSFET là các khối vật liệu được vùi sâu trong khối và nằm dưới cực cổng Còn đối với CNTFETs thì kênh dẫn là các ống nano carbon có độ dẫn điện rất tốt dọc theo chiều dài của ống ở nhiệt độ thường (quá trình dẫn điện do các điện tử di chuyển theo một phương nhất định không bị vướng mắc và không va chạm với các nguyên tử của vật liệu) và tiếp xúc trực tiếp với môi trường.Với những đặc tính độc nhất này, CNTFETs có khả năng sẽ trở thành sự thay thế hoàn hảo cho MOSFET trong điện tử nano

ID

Vùng tuyến tính

Vùng bão hòa

VDS

VGS

VGS < VT

34

Hình 1.12 a) Sơ đồ cấu tạo của CNTFETs; b) Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của

CNTFETs [111]

Nguyên tắc hoạt động của CNTFETs giống hệt MOSFET đều dựa trên nguyên

lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện bằng điện trường ngoài, dòng điện do một loại hạt dẫn tạo ra

Khi điện áp VGS = 0 V trong kênh dẫn đã xuất hiện một dòng điện tử nối giữa cực nguồn và cực máng, trong mạch ngoài có dòng điện cực máng ID rất nhỏ

Khi đặt lên cực cổng một điện áp, nó làm thay đổi trường điện từ và xuyên qua lớp cách điện SiO2, làm cho mật độ hạt dẫn linh động trong CNTs bán dẫn bị thay đổi Hệ quả là độ dẫn điện của CNTFETs bị thay đổi CNTFETs ở trạng thái đóng với điện áp VGS > 0 V, do đó khi VGS dương tăng làm giảm dòng điện cực máng ID CNTFETs ở trạng thái mở với điện áp VGS < 0 V, do đó khi tăng VGS âm làm tăngdòng điện cực máng ID

Hình 1.13 a) Đường đặc tuyến ra (I D - V SD ) với V GS = -6, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 V; b) Đường

đặc tuyến truyền đạt (I D – V GS ) của CNTFETs,V SD = 10 -100 mV bước 10 mV [111]

Trong hình 1.13a chỉ ra đường đặc tuyến ra ID – VSD của CNTFETs sử dụng ống

(b) (a)

9 CNTs

9

35

nano carbon đơn tường có đường kính 1.6 nm với các giá trị điện áp cực cổng đặt vào khác nhau Khi điện áp VGS = 0 V đường ID – VSD tuyến tính với điện trở R= 2.9 M Ở điện áp VGS  0 V các đường ID – VSD vẫn còn tuyến tính, cho đến khi chúng càng ngày trở lên phi tuyến ở điện áp VGS  0 V Hình 1.13b chỉ ra đuờng đặc tuyến truyền đạt ID – VGS của CNTFET với các giá trị điện áp VSD khác nhau Kết quả đạt được của đường đặc tuyến truyền đạt tương tự như đường đặc tuyến truyền đạt của MOSFET [118] Dòng điện ID tăng mạnh với sự tăng của điện áp cực cổng, điều này cho thấy rằng CNTFETs hoạt động như một transistor hiệu ứng trường với kênh dẫn là ống nano carbon loại p hạt tải chính là các lỗ trống

I.5.2 Công nghệ chế tạo CNTFETs

Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon có hai loại: CNTFETs cực cổng dưới và CNTFETs cực cổng trên

I.5.2.1 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cổng dưới

Transistor hiệu ứng trường đầu tiên được xây dựng từ ống nano carbon là kiểu cực cổng dưới Stans và các cộng sự [120] đã phát triển transistor này với ống nano carbon đơn tường bán dẫn Trước đó đã có transistor tương tự sử dụng ống nano carbon đơn tường kim loại hoạt động ở nhiệt độ rất thấp [111] Mặt khác, những transistor với ống nano carbon đơn tường bán dẫn hiện tại có thể hoạt động ở nhiệt

độ phòng và do đó có thể được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực Transistor này có một kênh dẫn là ống nano đơn tường bán dẫn nối giữa cực nguồn và cực máng làm bằng Pt Điện cực thứ 3 “cực cổng dưới” là mặt sau của phiến silíc Hình 1.14 cho thấy hình ảnh hiển vi lực nguyên tử và sơ đồ cấu tạo của linh kiện

Hình 1.14 a) Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của CNTFETs; b) Sơ đồ cấu tạo của

CNTFETs cực cổng dưới [120]

CNTFETs được đề cập ở trên có điện trở tiếp xúc cao (≥ 1 MΩ), kéo theo độ hỗ dẫn gm (= dI/dVG) thấp, vào khoảng 10-9 A/V Để làm giảm điện trở tiếp xúc và nâng cao đặc tính điện của các CNTFETs, Martel đã đưa ra một dạng CNTFETs cực cổng dướikhác Trong đó SWCNTs bán dẫn được phân tán trên lớp màng SiO2

Cực cổng sau

36

của phiến silíc, sau đó các điện cực nguồn và cực máng làm từ những kim loại tương thích với công nghệ silíc, như Ti hoặc Co, được đặt lên trên SWCNTs [110, 112] Công đoạn tiếp theo là quá trình ủ nhiệt độ ở 400 oC (Co) hoặc 820 oC (Ti) để làm tăng sự tiếp xúc giữa kim loại và ống nano carbon Sản phẩm thu được sẽ là tiếp xúc Co hoặc TiC với điện trở thấp ở điện cực nguồn và cực máng Hình 1.15 miêu tả đặc tuyến I-V của CNTFETs cực cổng dướiloại P với tiếp xúc kim loại Co hoặc TiC

Hình 1.15 a) Đường đặc tuyến ra (I D - V DS ) của CNTFETs loại P với tiếp xúc kim loại Co

Hình chèn bên trong là sơ đồ cấu tạo của linh kiện; b) Đường đặc tuyến truyền đạt

(I D - V GS ) của CNTFETs loại P với tiếp xúc kim loại Co và TiC [110, 112]

Như vậy, các CNTFETs mới này đã cải thiện đáng kể về điện trở và độ hỗ dẫn

Cụ thể, linh kiện với tiếp xúc Co có điện trở tiếp xúc khoảng 30 kΩ và độ hỗ dẫn khoảng 3.4 x 10-7 A/V Gần đây, nhóm của Bachtold đã tìm ra một cấu trúc CNTFETs với cực cổng dưới hoàn thiện hơn với độ dày cách điện với cực cổng rất mỏng (~ 2-5 nm) và khả năng mở thông CNTFETs độc lập (hình 1.16) [9] Những

37

CNTFETs này hoạt động với điện áp điều khiển cực cổng thấp và có khả năng chuyển mạch độc lập.

Hình 1.16 Cấu trúc CNTFETs cực cổng dưới với độ dày cách điện rất mỏng ~ 2-5 nm [9]

Tóm lại, việc phát triển CNTFETs với cực cổng dưới cho phép mẫu tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kênh Điều này vô cùng thuận lợi khi thực hiện các phép phân tích trong dung dịch Mặt khác cực cổng dưới cũng làm cải thiện một số đặc tuyến của linh kiện như độ hỗ dẫn, điện trở giúp làm tăng độ nhạy của linh kiện Trong luận án này, đối tượng cần phân tích là vi khuẩn E.coli trong dung dịch Do đó, cấu trúc linh kiện CNTFETs có cực cổng dưới được lựa chọn làm bộ chuyển đổi trong cảm biến sinh học

I.5.2.2 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cổng trên

Các CNTFETs được đề cập ở trên sử dụng cực đế dẫn điện làm cực cổng dưới, thường có độ dày cách điện với cực cổng là rất đáng kể (~100 nm hoặc hơn thế) Chính vì lẽ đó chúng phải được đặt một điện áp cực cổng ở mức cao thì linh kiện mới hoạt động được Để có được hiệu suất làm việc tốt hơn Wind và các cộng sự đã đưa ra cấu trúc của CNTFETs với cực cổng trên vào năm 2003 (hình 1.17) [146] Đầu tiên, ống nano carbon được phân tán đều trên lớp SiO2 với độ dày 15 nm và lớp silíc được pha tạp mạnh P++ Sau đó phiến được đem đi để tạo hình linh kiện bằng công nghệ quang khắc phún xạ Ti tạo điện cực nguồn và cực máng Bước cuối cùng tạo cực cổng được đặt trên ống nano carbon và cách điện với hai cực nguồn, cực máng

CNTs

đã được biết Điện áp ngưỡng là – 0.5 V và nghịch đảo độ dốc dưới ngưỡng là ~130 mV/decade

Tóm lại, cấu trúc CNTFETs với cực cổng trên có ưu điểm là chỉ cần điều khiển một điện áp cực cổng nhỏ là linh kiện có thể hoạt động được và cho tín hiệu dòng điện ra rất lớn Tuy nhiên, với cấu hình này công nghệ chế tạo rất phức tạp đòi hỏi

cơ sở vật chất thật tốt đồng bộ Quan trọng hơn, kênh dẫn bị vùi xuống dưới cực cổng nên không thể gắn trực tiếp các đối tượng sinh học lên đó Vì vậy, không thích hợp cho ứng dụng nhạy sinh học

I.6 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ADN

Axít nucleic gồm hai loại là deoxyribonucleic (ADN) và ribonucleic (RNA) là những đại phân tử mang thông tin di truyền của tổ chức sống [2] Đơn vị cấu tạo cơ bản của phân tử ADN là các nucleotide Mỗi nucleotide bao gồm ba thành phần: một gốc axít phốtphoríc (H3PO4), một phân tử đường 5‟ Deoxyriboza (C5H10O4) và các bazơ nitơ Bazơ nitơ ở ADN mang thông tin di truyền có hai loại: Purine gồm Adenine (A) và Guanine (G); Pyrimidine gồm Cytosine (C) và Thymine (T) Đặc điểm cấu trúc và tính chất của ADN: Phân tử ADN là một chuỗi xoắn kép gồm hai mạch đơn, mỗi mạch đơn là một chuỗi nucleotit Mỗi nucleotide gồm một nhóm

Phiến Silic SiO2

Ống nano carbon

Ôxít cực cổng

Cực cổng

Cực nguồn

Cực máng

39

phốt phát, đường Deoxyribose và các bazơ (A, C, G hoặc T) Hai mạch đơn cùng liên kết bổ sung với nhau nhờ các liên kết hyđrô hình thành giữa các bazơ bổ sung nằm trên hai mạch và xoắn quanh một trục theo chiều từ trái sang phải (hình 1.18) Đường kính vòng xoắn là 20A0 , chiều dài mỗi vòng xoắn là 34

0

A, các bazơ cách nhau trung bình 3,4

0

A Bazơ A liên kết với T bằng hai liên kết hyđrô (A = T) và bazơ C liên kết với G bằng ba liên kết hyđrô (G  C) tạo nên cấu trúc không gian ổn định và bền vững Mỗi mạch đơn là một trình tự có định hướng với một đầu là 5‟ phốt phát tự do, đầu kia là 3‟ - hydroxit tự do (hướng qui ước là 5‟→ 3‟) Hướng của hai mạch đơn trong chuỗi xoắn kép ngược nhau, người ta gọi chúng là mạch đối song song (hình 1.18) Như vậy hai mạch đơn liên kết với nhau bởi một quan hệ bổ sung Chính quan hệ này giải thích được cấu trúc chặt chẽ của phân tử ADN và đặc

biệt là phương cách tự sao chép để tạo ra hai phân tử con từ một phân tử mẹ Nhờ

mô hình này mà Watson, Crick và Wilkins đã nhận được giải thưởng Nobel vào năm 1962 Phân tử ADN bị biến tính khi nhiệt độ tăng hoặc bị tác động của các tác nhân hoá học (dung dịch kiềm, urea…) Nhiệt độ làm cho hai mạch đơn của ADN tách nhau ra gọi là nhiệt độ biến tính Tm [93]

Công thức tính Tm ở điều kiện chuẩn:

Tm = 69,3 + 0,41(G +C) (1.5)

Hình 1.18 Cấu trúc và sự lai hóa của phân tử ADN [48]

Theo công thức (1.5) Tm phụ thuộc vào số lượng cặp G – C Nếu trong phân tử ADN có lượng cặp G - C cao thì Tm cao và ngược lại Khi nhiệt độ giảm dần đến

40

một mức độ nhất định hai mạch đơn tách rời nhau sẽ được liên kết lại theo nguyên

lý Chargaff tạo nên chuỗi xoắn kép, nghĩa là các ADN có sự hồi tính [93]

Nguyên lý lai hóa ADN dựa vào sự biến tính và hồi tính của ADN Sau khi hai mạch đơn của phân tử ADN tách rời nhau ở nhiệt độ Tm, sự bắt cặp trở lại sẽ không xẩy ra nếu nhiệt độ phản ứng hạ xuống đột ngột, lúc đó phân tử ADN sẽ tồn tại trong môi trường ở dạng mạch đơn dưới một cấu hình không gian vô trật tự Ngược lại, nếu sau khi hai mạch tách rời, nhiệt độ được giảm từ từ cộng với điều kiện thí nghiệm thích hợp hai mạch sẽ bắt cặp trở lại Hiện tượng này gọi là sự lai phân tử [1] Ví dụ, ADN loại A được biến tính để thành mạch đơn, sau đó trộn lẫn với ADN loại B cũng được biến tính thành mạch đơn trong một dung dịch chất lỏng Dung dịch trên nếu được hạ nhiệt độ một cách từ từ sẽ xẩy ra quá trình hồi tính trong đó sợi A kết với sợi A; sợi B kết với sợi B đồng thời có sợi A kết với sợi B tạo thành phân tử lai [4] Như vậy các yếu tố ảnh hưởng đến sự lai hoá chuỗi ADN bao gồm: nồng độ ADN trong môi trường, nhiệt độ và thời gian phản ứng, kích thước các trình tự lai, lực ion của môi trường

Để phát hiện được ADN trong mẫu phân tích bằng cảm biến sinh học, ADN phải được tách chiết ra khỏi các thành phần liên kết khác như: loại bỏ màng tế bào, loại protein, tủa axit nucleic Do ADN thường là những phân tử có kích thước lớn,

dễ bị phân huỷ hoặc bị gẫy bởi các tác nhân lý, hoá, vì thế quá trình tách triết thường được thực hiện tại các phòng thí nghiệm chuẩn thức và trong điều kiện nhiệt

độ thấp để ức chế hoạt động của các enzyme nội bào gây phân hủy axit nucleic [2]

I.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP CỐ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ỐNG NANO CARBON CHO CẢM BIẾN SINH HỌC

Cảm biến ADN là một cảm biến sinh học trong đó thành phần cảm nhận sinh học là các chuỗi ADN đơn Trong luận án này ADN cần được cố định lên trên các sợi CNTs dùng làm kênh dẫn trong CNTFETs Khi sợi ADN bổ xung có trong mẫu phân tích kết hợp với sợi ADN dò trên linh kiện sẽ dẫn tới sự thay đổi mật độ điện tích trên bề mặt ống nano carbon của cảm biến Sự thay đổi này sau đó được phát hiện bởi cảm biến Độ nhạy, thời gian sống của cảm biến phụ thuộc rất lớn vào khả năng gắn kết, số lượng và sự định hướng của chuỗi ADN dò trên bề mặt ống nano carbon của cảm biến Do vậy việc tối ưu hóa quá trình cố định chuỗi ADN dò lên bề mặt ống nano carbon của cảm biến đóng vai trò hết sức quan trọng trong nghiên cứu tạo bộ cảm biến sinh học để phát hiện vi khuẩn E.Coli