Đề tài : Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano sinh học để chuẩn đoán và định lượng một số hợp chất sinh học

Đề tài : Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano sinh học để chuẩn đoán và định lượng một số hợp chất sinh học thuộc công trình nghiên cứu khoa học cấp bộ . Nội dung gồm

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG NGHỆ NANO

ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ðỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ðỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN NANO SINH HỌC ðỂ CHẨN ðOÁN VÀ ðỊNH LƯỢNG MỘT SỐ

BỘ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ðẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

ðỀ TÀI KHOA HỌC CÔNG NGHỆ CẤP NHÀ NƯỚC NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ PHÁT TRIỂN CÔNG NGHỆ

BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ðỀ TÀI

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO CẢM BIẾN NANO SINH HỌC ðỂ CHẨN ðOÁN VÀ ðỊNH LƯỢNG MỘT SỐ

HỢP CHẤT SINH HỌC

Mã số: KC.04.12/06-10

Chủ nhiệm ñề tài: Cơ quan chủ trì ñề tài:

TS Tống Duy Hiển PGS.TS ðặng Mậu Chiến

Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ

(ký tên) Văn Phòng các Chương Trình

(ký tên và ñóng dấu khi gửi lưu trữ)

TP Hồ Chí Minh, 11 - 2010

Trước tiên chúng tôi xin chân thành cảm ơn Bộ Khoa học và Công nghệ đã hỗ

trợ và cấp kinh phí thực hiện đề tài này

Nhóm nghiên cứu xin chân thành ghi nhận sự đóng góp hữu hiệu của các đối tác trong nước và nước ngoài:

Và mong muốn được tiếp tục cộng tác trong tương lai

Chúng tôi cũng xin chân thành cảm ơn:

Đã chỉ đạo, tạo điều kiện thuận lợi, và động viên khích lệ chúng tôi hoàn thành đề tài này

TP Hồ Chí Minh, tháng 10-2010 Chủ nhiệm đề tài

TS Tống Duy Hiển

TP HCM, ngày 2 tháng 8 năm 2010

BÁO CÁO THỐNG KÊ KẾT QUẢ THỰC HIỆN ðỀ TÀI

I THƠNG TIN CHUNG

1 Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano sinh học để chẩn đốn và định

Họ và tên: Tống Duy Hiển

Học hàm, học vị: Tiến sỹ

Chức danh khoa học: Nghiên cứu viên; chức vụ: Phĩ Giám đốc

ðiện thoại: Tổ chức: 84-8-37242160 - Ext 4632;

Tên tổ chức chủ trì đề tài: Phịng Thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano (LNT)

ðiện thoại: 84-8-37242160 - Ext 4612/4613 Fax: 84-8-37242163

E-mail: lnt@vnuhcm.edu.vn

ðịa chỉ: Khu Phố 6, Phường Linh Trung, Quận Thủ ðức, TP H

Họ và tên thủ trưởng tổ chức: PGS.TS ðặng Mậu Chiến

Số tài khoản: 931.01.00.00100

Ngân hàng: Kho Bạc Nhà Nước TP Hồ Chí Minh

Tên cơ quan chủ quản ñề tài: Bộ Khoa học và Công Nghệ

II TÌNH HÌNH THỰC HIỆN

1 Thời gian thực hiện ñề tài:

- Theo Hợp ñồng ñã ký kết: từ tháng 03 năm 2008 ñến tháng 10 năm 2010

- Thực tế thực hiện: từ tháng 09 năm 2008 ñến tháng 11 năm 2010

(Tr.ñ) Thời gian Kinh phí (Tr.ñ)

Ghi chú

(Số ñề nghị quyết toán)

3 Các văn bản hành chính trong quá trình thực hiện ñề tài:

(Liệt kê các quyết ñịnh, văn bản của cơ quan quản lý từ công ñoạn xác ñịnh nhiệm vụ, xét chọn, phê duyệt kinh phí, hợp ñồng, ñiều chỉnh (thời gian, nội dung, kinh phí thực hiện nếu có); văn bản của tổ chức chủ trì ñề tài, dự án (ñơn, kiến nghị ñiều chỉnh nếu có)

Số

TT

Số, thời gian ban hành

6 Quyết ñịnh số 370/Qð- -Về việc phê duyệt Kế hoạch ñấu

19/03/2009 thuộc chương trình “Nghiên cứu,

phát triển và ứng dụng công nghệ sinh học” mã số KC.04.12/06-10

4 Tổ chức phối hợp thực hiện ñề tài:

Nội dung tham gia chủ yếu

Sản phẩm chủ yếu ñạt ñược

Ghi chú*

ðHQG TP

HCM

Nghiên cứu chính

- Bộ cảm biến glucose với 1 hệ

ño và 100 chip hoàn chỉnh với thời gian ño 30-60s

- 100 chip sợi nano silic dùng ñể phát hiện DNA lai

Nam Việt Nam lượng glucose

4 Khoa Nội Tiết

- Bệnh viện

Chợ Rẫy TP

HCM

Viện vệ sinh dịch tễ trung ương

nghiên cứu

- Bảng ñánh giá chip Silicon Nano-wire (SNW) dùng

ñể phát hiện DNA ngoại lại (LNT - SiNW)

Thiết bị KHKT Nam Phát

nghiên cứu

- Bảng ñánh giá bộ cảm biến nano sinh học với cấu trúc

5 Cá nhân tham gia thực hiện ñề tài:

(Người tham gia thực hiện ñề tài thuộc tổ chức chủ trì và cơ quan phối hợp, không quá 10 người kể cả chủ nhiệm)

Sản phẩm chủ yếu ñạt ñược

Ghi chú

Chủ nhiệm ñề tài, ñịnh hướng nghiên cứu, ñánh giá kết quả nghiên cứu

Chịu trách nhiệm chuyên môn về công nghệ chế tạo sợi nano kim loại, bán dẫn và cảm biến nano sinh học

2 PGS TS

ðặng Mậu

Giám ñốc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ

ðịnh hướng nghiên cứu,

tư vấn chuyên môn về

HCM nano và vi linh kiện

3 PGS TS

BS Nguyễn

Thy Khuê

Chủ nhiệm Bộ môn Nội tiết - Trường đại học Y Dược TP

HCM

Tư vấn chuyên môn về quy trình ứng dụng cảm biến nano sinh học ựế ựịnh lượng nồng ựộ glucose trong máu

Tư vấn chuyên môn về quy trình ứng dụng cảm biến nano sinh học ựế chẩn ựoán và ựịnh lượng một số protein, ADN ngoại lai

Thiết kế, chế tạo cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano bán dẫn ựế chẩn ựoán và ựịnh lượng một số protein, ADN ngoại lai đánh giá

và tối ưu hóa các thông số chế tạo Thiết kế, chế tạo các phần cứng và phần mềm phụ trợ ựể tạo thành

Thử nghiệm cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano bán dẫn: gắn kết, thụ ựộng hóa các mồi bắt cặp thắch hợp cho quá trình ựịnh lượng protein và ADN lên sợi nano

Thiết kế, chế tạo cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano kim loại ựế ựịnh lượng nồng

ựộ glucose trong máu

Nhân Ái Phòng Thắ Nghiệm

Công Nghệ Nano - đHQG TP HCM

biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano kim loại ựế ựịnh lượng nồng

ựộ glucose trong máu

đánh giá và tối ưu hóa các thông số chế tạo

Thử nghiệm cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano kim loại: Gắn kết, thụ ựộng hóa các enzym thắch hợp cho quá trình ựịnh lượng glucose lên sợi nano platin

10 Ths Phạm

Văn Bình

Nghiên cứu viên Phòng Thắ Nghiệm Công Nghệ Nano - đHQG TP HCM

Thử nghiệm cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano bán dẫn: gắn kết, thụ ựộng hóa các mồi bắt cặp thắch hợp cho quá trình ựịnh lượng protein và ADN lên sợi nano

Anh Tuấn

Trưởng nhóm sensor sinh học, Viện Quốc

Tế đào Tạo về Khoa

đHBK Hà nội

Thử nghiệm cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano silic

- Lý do thay ựổi (nếu có): Một số cán bộ chuyển công tác và ựược thay thế bằng các CB nghiên cứu khác có chuyên môn phù hợp

6 Tình hình hợp tác quốc tế:

trao ựổi hợp tác, 3 người, 6

ngày

đào tạo cán bộ 03 tháng tại nhóm BIOS Viện Công nghệ

Twent, Hà Lan, 01 người

- Lý do thay ựổi (nếu có): Nhằm học tập và bổ sung kiến thức cho cán bộ tham gia

ựề tài ựể thực hiện nội dung chắnh chế tạo cảm biến glucsose tại nhóm nghiên cứu hàng ựầu về cảm biến của Hà Lan Do vậy, chuyển số lượng cán bộ sang hợp tác 03 người trong thời gian 06 ngày thành ựào tạo cán bộ trong 03 tháng

7 Tình hình tổ chức hội thảo, hội nghị:

nghị Quốc tế IWNA 2009

- Lý do thay ựổi (nếu có):

8 Tóm tắt các nội dung, công việc chủ yếu:

(Nêu tại mục 15 của thuyết minh, không bao gồm: Hội thảo khoa học, ựiều tra khảo sát trong nước và nước ngoài)

1 Chế tạo sợi nano platin trên

màng cách ựiện của ựế silic

11/2008

11/2008

03/2008-2 Chế tạo sợi bán dẫn silicon

enzyme, protein, ADN thắch

hợp lên bề mặt sợi và thiết

lập ựường chuẩn ựể ựịnh

lượng

01-12/2009 01-12/2009

5 đánh giá các ựặc trưng, hiệu

chỉnh và tối ưu hóa các thông

số chế tạo của các cảm biến

01-09/2010 01-09/2010

6 Lập kế hoạch chuyển giao

công nghệ, lên phương án thử

nghiệm công nghiệp và báo

cáo tổng kết

09-10/2010 09-10/2010

- Lý do thay ựổi (nếu có):

III SẢN PHẨM KH&CN CỦA đỀ TÀI

1 Sản phẩm KH&CN ựã tạo ra:

1 Bộ cảm biến glucose: Thiết

bị chế tạo ra phân tắch ựược

nồng ựộ glucose trong máu,

2 Bộ cảm biến sinh học dựa

trên cấu trúc sợi nano silic:

Thiết bị chế tạo thắch hợp

cho việc phân tắch các phần

tử sinh học như protein và

01 hệ ựo hoàn chỉnh +

để phân tích một số protein

(và ADN ngoại lai - nếu

điều kiện cho phép) của cây

trồng và sản phẩm biến đổi

gen

- ðịnh lượng nồng độ sinh

học protein (và ADN ngoại

lai) trong dung dịch

nM

Quy trình cơng nghệ chế tạo

bộ cảm biến nano sinh học

dựa trên cấu trúc sợi nano

platin dùng để chẩn đốn

tiểu đường

Quy trình cơng nghệ chế tạo được trình bày chi tiết, phân tích rõ ràng, cĩ thể sử dụng ở những cơ sở cĩ trang thiết bị phù hợp

01 quy trình chế tạo và sử dụng cảm biến

Quy trình cơng nghệ chế tạo

sợi nano silic, thích hợp để

chế tạo bộ cảm biến nano

sinh học Ứng dụng ban đầu

cho phát hiện và định lượng

một số phân tử sinh học

quan trọng như protein

(và/hoặc ADN ngoại lai)

Quy trình cơng nghệ chế tạo sợi nano silic được trình bày chi tiết, phân tích rõ ràng,

cĩ thể sử dụng ở những cơ sở cĩ trang thiết bị phù hợp

Úng dụng ban đầu trong việc chế tạo cảm biến nano sinh học và thử nghiệm cho phân tích Protein và ADN

01 quy trình chế tạo và sử

biến

Yêu cầu khoa học cần ñạt

Số

kế hoạch

Thực tế ñạt ñược

Số lượng, nơi công bố

(Tạp chí, nhà xuất

bản)

1 Tong Duy Hien, Pham Xuan Thanh

Tung, Tran Phu Duy, Pham Van

Binh,

Le Thi Thanh Tuyen, Cees J.M van

Rijnb, Dang Mau Chien,

measurement pt nanowires at a

wafer-scale and its application in glucose

detection” Proceedings of the 2nd

International Workshop on

Nanotechnology and Application

(IWNA 2009), pp 529-532, 12-14

November 2009

2 Thi Thanh Tuyen Le, Phu Duy Tran,

Xuan Tung Pham, Duy Hien Tong

and Mau Chien Dang “Glucose

oxidase immobilization on different

nanowire for application in glucose

detection” ” Proceedings of the 2nd

International Workshop on

Nanotechnology and Application

(IWNA 2009), 12-14 November 2009

3 Thanh Tung Pham Xuan, Thi Thanh

Tuyen Le, Phu Duy Tran,

Binh Van Pham, Duy Hien Tong and

Mau Chien Dang, “Oxidation of a

platinum microwire surface applied in

glucose detection” Proceedings of the

2nd International Workshop on

Nanotechnology and Application

(IWNA 2009), 12-14 November 2009

Proceedings of the 2nd International Workshop on Nanotechnology and Application (IWNA 2009)

Tung, Dang Ngoc Thuy Duong, Le

Thi Thanh Tuyen, Tran Phu Duy,

Nguyen Thanh Chien, Nguyen Van

Quoc, Dang Mau Chien, Cees JM

van Rijn*, Tong Duy Hien “Detection

Of Dna Of Geneti Cally Modified

Maize By Silicon Nanowire

Field-Effect Transistor” Proceedings of The

Duy Phu Tran, Hien Duy Tong, Tung

Thanh Xuan Pham, Tuyen Thanh Le

Thi, Binh Van Pham, Chien

Nguyen Thanh, Chien Mau Dang, “

Self-assembled cysteamine onto

platinum nanowire arrays to enhance

immobilization of

glucose oxidase on platinum

nanowires for direct glucose detection

in human blood”

Proceedings of The 5th International Workshop on advanced materials science

and nanotechnology (IWAMSN),

6 Tran Nhan Ai, Le Thi Thanh Tuyen,

and Dang Mau Chien, “Glucose

sensing of sputtered pt electrodes”

Advances in Natural Sciences (ANS

Vol 10, No.1 (2009) (45-50)

7 Duy Hien Tong, Phu Duy Tran,

Xuan Thanh Tung Pham, Van Binh

Pham, Thi Thanh Tuyen Le, Mau

Chien Dang and Cees J M Van Rijn,

“The nanofabrication of Pt nanowire

arrays at the wafer-scale and its

application in glucose detection”

Advances in Natural Sciences (ANS 1

(2010) 015011)

8 Thanh Tung Pham Xuan, Thi Thanh

Tuyen Le, Phu Duy Tran,

Advances in Natural Sciences, IOP Publishing

Mau Chien Dang, “Oxidation of a

platinum microwire surface applied in

glucose detection” Adv Nat Sci.:

Nanosci Nanotechnol 1 (2010)

025013

9 Thi Thanh Tuyen Le, Phu Duy Tran,

Xuan Tung Pham, Duy Hien Tong

and Mau Chien Dang “Glucose

oxidase immobilization on different

nanowire for application in glucose

detection” Adv Nat Sci.: Nanosci

Nanotechnol 1 (2010) 035004

10 Tong Duy Hien, Pham Xuan Thanh

Tung, Tran Phu Duy, Pham Van

Binh, Le Thi Thanh Tuyen, Cees

J.M van Rijnb, Dang Mau Chien

measurement pt nanowires at a

wafer-scale and its application in glucose

detection”

Jounal of Experimental Nanoscience

11 Duy Phu Tran, Tung Thanh Xuan

Pham, Chien Thanh Nguyen , Binh

Van Pham, Tuyen Thanh Le Thi,

Khue Thy Nguyen, Hien Le Thi,

Thang Tien Nguyen, Chien Mau

Dang, Tran Van Man, Hien Duy

Tong, “Direct glucose measurement

in diabetic blood samples using

nanowire nanoarrays”

Nature Nanotechnology (Submitted 2010)

12 Pham Van Binh, Pham Xuan Thanh

Tung, Dang Ngoc Thuy Duong, Le

Thi Thanh Tuyen, Tran Phu Duy,

Nguyen Thanh Chien, Nguyen Van

Quoc, Dang Mau Chien, Tong Duy

Hien “Fabrication of wafer –scale

silicon nanowire by DEA technique

and its application of DNA detection”

Nanoletters, (submitted, 2010)

Ghi chú

(Thời gian kết thúc)

1 Lê Thị Thanh Tuyền, “Nghiên cứu

ñịnh lượng glucose trong máu dùng

2 Nguyễn Văn Quốc, “Nghiên cứu,

chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh

học dựa trên cấu trúc nano silicon”

LVTN Thạc sĩ, Trường ðHCN Hà

Nội, 2010.

2010

3 Trần Phú Duy, “Nghiên cứu cố

ñịnh enzyme glucose oxidase trên

cảm biến nano sinh học ñể kiểm tra

và ñịnh lượng glucose” LVTN ñại

học Trường ðH Nông Lâm TP

Sáng chế

1 Phương pháp chế tạo sợi nano

platin sử dụng kỹ thuật lắng ñọng

và ăn mòn dưới góc nghiêng

(deposition and etching under

angles - dea)

cấp

a) Hiệu quả về khoa học và cơng nghệ:

(Nêu rõ danh mục cơng nghệ và mức độ nắm vững, làm chủ, so sánh với trình độ cơng nghệ so với khu vực và thế giới…)

nước, chế tạo thành cơng sợi nano Pt va Si Các sợi chế tạo ra cĩ kích thước

và tính chất thích hợp để chế tạo cảm biến sợi nano

ứng dụng để chế tạo thành cơng cảm biến gluocse dựa trên cấu trúc sợi nano

Pt Cảm biến được sử dụng để định lượng thành cơng hàm lượng glucose trong máu bệnh nhân tiểu đường với nồng độ từ 1- 16.5 mM, thích hợp để ứng dụng trong chẩn đốn tiểu đường Thiết bị chế tạo ra cĩ kích thước nhỏ, thích hợp cho mục đích trang bị cho các bệnh viện, phịng khám

tiếp theo

cán bộ thực tập nghiên cứu ở nước ngồi nên trình độ cơng nghệ chế tạo cảm biến nano sinh học của nhĩm nghiên cứu là tương đương với các phịng thí nghiệm trên thế giới

nghiên cứu “Nanobiosensor’’ gồm 9 cán bộ , cùng với sự hợp tác với các nhĩm nghiên cứu trong nước và quốc tế Tạo cơ sở vững chắc cho việc tiếp tục phát triển hướng nghiên cứu ứng dụng cảm biến nano sinh học trong lãnh vực phân tích, chẩn đốn bệnh, ví dụ, sử dụng cảm biến nano để phát hiện các chỉ thị sinh học ở nồng độ siêu nhỏ để chẩn đốn ung thư ở giai đoạn sớm

b) Hiệu quả về kinh tế xã hội:

(Nêu rõ hiệu quả làm lợi tính bằng tiền dự kiến do đề tài, dự án tạo ra so với các sản phẩm cùng loại trên thị trường…)

tạo sợi nano của các vật liệu khác cho nhiều áp dụng khác nhau

gọn, giá thành hợp lý, cĩ thể cạnh tranh với các sản phẩm trên thị trường, đặc biệt thích hợp cho việc trang bị cho các bệnh viện và phịng khám ở tuyến huyện và xã

ñăng ký

II Kiểm tra ñịnh kỳ

lần 1

17/07/2009 - Về cơ bản ñề tài hoàn thành khối

lượng công việc như ñăng ký trong thuyết minh

- Cần tập trung giải ngân kinh phí

Kiểm tra ñịnh kỳ

lần 2

26/03/2010 - ðề tài hoàn thành khối lượng công

việc như ñăng ký trong thuyết minh

- Chủ nhiệm ñề tài và cơ quan chủ trì ñảm bảo nghiệm thu ñúng thời hạn III Nghiệm thu cơ sở 11/2010

1.2 đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lãnh vực của ựề tài 14 1.3 Các cảm biến sợi nano ựược nghiên cứu và chế tạo trong ựề tài 24

CÁCH đIỆN CỦA đẾ SILIC VÀ KẾT QUẢ CHẾ

2.1 Tổng quan về công nghệ chế tạo cảm biến sợi nano 26 2.2 Quy trình công nghệ chế tạo sợi nano platin: Lắng đọng và Ăn Mòn Dưới Góc Nghiêng (Deposition and Etching under Angles-DEA) 31 2.3 Các kĩ thuật cơ bản và thông số dùng trong quy trình DEA chế tạo

2.3.7.Tẩy lớp PECVD trong dung dịch HF 58

2.4 Kiểm tra kích thước, tính chất ñiện và bề mặt của sợi nano Pt 69

3.2 Kiểm tra kích thước và bề mặt của sợi nano Si 89

3.4 Kết luận về quy trình chế tạo và tính chất sợi nano Si 97

4.1 Các kĩ thuật phụ trợ cơ bản cho dịnh lượng glucose bằng cảm biến

4.1.3.Thiết bị ño ñiện hóa PGSTAT302N (Metrohm Autolab B.V.) 105

4.3 Kết quả tạo hệ ño ñiện tử cho cảm biến sợi nano Pt 138

5.1 Phát hiện DNA của cây bắp chuyển gen bằng cảm biến sợi nano Si 141

5.3 Nguyên lý phát hiện cây bắp và sản phẩm của bắp chuyển gene 147

7.1 Thực hiện thành công các quy trình công nghệ chế tạo sợi nano Pt

7.2 định lượng glucose và DNA của cây bắp chuyển gen 162 7.3 Chế tạo thành công thiết bị ựo glucose thương mại 165 7.4 đăng ký thành công Sở hữu Trắ tuệ cho các sản phẩm nghiên cứu 165

7.6 đào tạo cán bộ chuyên sâu và Học viên Cao học - Sinh viên đại học 166

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

Phân tử gen DNA Bốc bay vật liệu dùng chùm ñiện tử Transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor) Enzyme oxi hóa glucose (glucose oxidase enzyme)

Kính hiển vi ñiện tử quét ñộ phân giải cao

Nhiễu xạ tia X ñộ phân giải cao (High-resolution X-ray Diffraction)

Khắc chùm ion ( Ion Beam Etching) Khắc plasma cao tần cảm ứng (Inductively Coupled Plasma) Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (Laboratory of Nanotechnology) – ðại học Quốc gia TP HCM

Institute for Nanotechnology), ðHTH Twente- Hà lan Sợi nano ( nanowire)

Sợi nano platin (platinum nanowire) Khắc ion (reactive ion etching) SEM

SiNW

Kính hiển vi ñiện tử quét (Scanning Electron Microscope) Sợi nano silic (Si nanowire)

Danh mục các bảng

Bảng 2.2 : Thông số của quá trình quang khắc và chất lượng tương

Bảng 2.4 : ðiện trở sợi nano Pt, chiều ngang sợi 50 nm, chiều dài sợi

5-1000 µm, chiều dày 30 nm ðiện thế ño -1 - + 1 V, bước quét

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

Hình 1.1 : Nguyên lí hoạt động và cấu trúc của cảm biến sinh học sợi

nano: sợi bán dẫn nano silic loại P cĩ chứa các hạt dẫn mang điện dương, hai đầu sợi cĩ các tiếp xúc điện (khơng mơ tả trong hình vẽ) để cho dịng điện chạy qua Trên bề mặt sợi được thụ động hĩa các mồi sinh học (bioreceptor) để bắt cặp với các biomarkers cần phát hiện (a) Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi diễn ra khi dung dịch cĩ chứa các biomarkers được cho chảy qua sợi nano (b) Các biomarkers cĩ điện tích âm sẽ dẫn đến sự tích tụ các hạt dẫn của sợi lên trên bề mặt, làm tăng dịng điện chạy qua sợi, các biomarkers cĩ điện tích âm sẽ làm giảm dịng điện chạy qua sợi (c).(d) Cảm biến gồm nhiều sợi nano dùng phát hiện cùng lúc nhiều biomarkers khác nhau, để nâng cao độ chính

Hình 1.2 : Sử dụng cảm biến sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy

biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đốn ung thư tiền liệt tuyến [5-7] Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dịng điện chạy qua sợi, trong khi dịng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi

Sự kết hợp của hai sợi cĩ tín hiệu ngược nhau trên cùng một cảm biến như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép

Hình 2.1 : Các loại sợi nano chế tạo bởi nhiều phương pháp khác nhau

(a) Phương pháp VLS [1-9] (b) Phương pháp siêu mạng

[10-14] (c) Sợi nano với 2 điện cực nối ra mạch điều khiển bên ngồi, đây là cấu trúc cần thiết để cĩ thể sử dụng sợi làm cảm

Hình 2.2 : Sơ đồ khối các bước cơng nghệ cơ bản, chỉ sử dụng các kĩ

thuật cơ bản của cơng nghệ micro mà PTN CNNN hiện cĩ, để chế tạo sợi nano Pt trên đế silic Chíp chế tạo ra cĩ các đơn sợi nano Pt, mỗi đơn sợi đều cĩ điện cực nối ra mạch điều khiển mạch ngồi, thích hợp cho việc đo đạc, khảo sát và ứng dụng làm cảm biến định lượng glucose sau này [40,50,53,55,57] 34

Hình 2.4 : Thiết bị FilmTek dùng xác định các thơng số của màng SiO 2 40

Hình 2.6 : Thiết bị PECVD Plasmalab 80Plus tại PTN CNNN 44 Hình 2.7 : Nguyên lí làm việc của kĩ thuật quang khắc ñể tạo cửa sổ

(cấu trúc) trên lớp cảm quang, ñược phủ trên ñế Si trước ñó Cấu trúc ñược thiết kế trên mặt nạ (mask) sẽ ñược in lên trên lớp cảm quang với ñúng kính thước và hình dạng [67,68] 46 Hình 2.8 : Các cấu trúc ñược tạo ra trên lớp cảm quang sau quá trình

quang khắc Các thông số như chế ñộ quay phủ (tốc ñộ), thời gian chiếu sáng, ủ nhiệt, hiện hình ñều có ảnh hưởng ñến chất lượng của cấu trúc tạo ra (a) Cấu trúc có chất lượng tốt (thẳng, cạnh mịn) (b) không ñạt yêu cầu do thời gian chiếu sáng và hiện hình

Hình 2.9 : (a) Sơ ñồ cấu tạo chung của một hệ ăn mòn ion (b) Thiết bị

Hình 2.10 : Một vài hình ảnh SEM ñặc trưng của các bậc nano SiO 2 tạo

ra trên ñế Si trong các ñiều kiện thực nghiệm khác nhau (a)

Ăn mòn với ñiều kiện SF 6 /O 2 = 25 sccm: 5 sccm; pressure 25 mTorr, công suất 150 W (b) Ăn mòn với ñiều kiện SF 6 / O 2 =

20 sccm: 10 sccm; pressure 20 mTorr, công suất 100 W 51

Hình 2.12 : Hình SEM ñộ phân giải cao bề mặt các màng Pt tạo ra (a)

Màng có kích thước hạt nhỏ cỡ 10 nm tạo ra với tốc ñộ bốc bay khoảng 3-4 nm/phút, thích hợp ñể chế tạo sợi nano tiếp theo (b) Màng có kích thước hạt lớn cỡ 30 nm, không thích

Hình 2.13 : Qui trình các bước thực nghiệm xác ñịnh tốc ñộ ăn mòn Pt

Hình 2.15 : Hệ cắt wafer Normal Dicing Saw M/C, Mode: NDS-150 60

Hình 2.18 : Các chip có kích thước 5*5 mm ñược cắt từ wafer 62

b Thiết bị oxi hóa ñế silic là lò oxi hóa / ủ wafer (Oxydation / Annealing

furnace), hãng SX: ATV - Technologie GmbH, model:

Hình 2.19 : (a) Hình ảnh chíp thiết kế loại I trong ñó các ñơn sợi nano Pt

ñược chế tạo cùng với ñiện cực riêng biệt nối ra mạch ñiều khiển ngoài (mạch ñiện tử, hệ ño) (b) Thiết kế loại II chứa một dãy các sợi nano Pt với diện tích làm việc lớn, thích hợp

Hình 2.20 : ðơn sợi nano cùng các ñiện cực riêng biệt ở hai ñầu ñể kết

Hình 2.21 : Ảnh SEM của sợi nano chế tạo ra: (a) sợi nano 100 nm; (b)

sợi nano có chiều rộng khoảng 50 nm, chụp với ñộ phóng ñại

Hình 2.22 : Ảnh SEM với ñộ phóng ñại cao 722.000 lần, cho phép quan

sát ñược các cấu trúc hạt siêu mịn cỡ vài nm của các hạt nano

Pt (Ảnh chụp trên thiết bị SEM chuyên dụng cho quan sát cấu

Hình 2.23 : Ảnh SEM của sợi nano Pt, tham khảo từ các kết quả công bố

bởi các nhóm nghiên cứu khác; các sợi nano kim loại (Pt, Au)

có kích thước lớn hơn, chất lượng bề mặt kém hơn hẳn so với

Hình 2.24 : ðặc trưng tính chất ñiện I-V của sợi nano Pt có chiều rộng

50 nm, ñộ dày 25 nm, và chiều dài từ 5 - 500 µm ðiện thế một chiều ñược quét trong giá trị từ -1 volt ñến + 1 volt, bước quét

Hình 2.25 : Cấu trúc 4 ñiện cực dùng xác ñịnh ñiện trở tiếp xúc của sợi nano 78 Hình 3.1 : Sơ ñồ khối các bước công nghệ cơ bản, phần lớn chỉ sử dụng

các kĩ thuật cơ bản của công nghệ micro mà PTN CNNN, ñể

Hình 3.2 : Hình ảnh SEM và AFM của sợi nano Si chế tạo ra (a-c) (d)

ðơn sợi nano Si với các ñiện cực ñể kết nối mạch ngoài 91 Hình 3.3 : Hệ thiết bị khảo sát tính chất ñiện Agilent – Probe Station 93 Hình 3.4 : Hệ thiết bị probe station dùng trong ño ñạc cho sợi nano Si 93 Hình 3.5 : Chip ñược gắn lên hệ probe station ñể thực hiện các phép ño 94

Hình 3.7 : (a) Kênh dẫn chất lỏng với lớp polymer dính ở viền ngoài (b)

Hình 3.8 : ðặc trưng I-V của sợi nano Si dài 10 micron, cho thấy sợi có

ñiện trở gần giống với giá trị tính toán ðặc trưng tuyến tính

IV cho thấy ñiện trở tiếp xúc giữa sợi Si và kim loại làm

Hình 4.1 : Một số phương pháp cố ñịnh enzyme trên ñiện cực sợi Pt 99 Hình 4.2 : ðồ thị quét thế theo thời gian trong phép ño CV 102 Hình 4.3 : Quan hệ dòng - ñiện thế trong phép ño quét thế vòng thuận

Hình 4.5 : Hệ ño Autolab ñược sử dụng ñể khảo sát khả năng phát hiện

glucose của sợi nano platin chế tạo ñược tại PTN CNNN 105 Hình 4.6 : Cấu trúc thiết kế chung của hệ ño ñiện hóa mini 107 Hình 4.7 : Thiết kế bộ nguồn cho hệ thống ño mini (a) Hình ảnh của

bộ nguồn chế tạo ra (b) Sử dụng ñầu nối USB ñể cung cấp

Hình 4.8 : (a) Mạch thiết kế (b) Hình ảnh máy ño tiểu ñường loại mini

với kích thước 15 cm×25 cm×5 cm, thích hợp cho sử dụng tại

Hình 4.14 : Quá trình kết tủa ñiện hóa Fe trên bề mặt sợi nano Pt với

ñiện cực RE: Ag/AgCl, CE: Pt, khoảng thế -1 ñến +1V, tốc ñộ

Hình 4.15 : (a) Kết quả ño nồng ñộ glucose theo nồng ñộ Từ dưới lên

trên các nồng ñộ glucose lần lượt là 0.03 -0.06 – 0.12 – 0.24 –

0.48 – 0.96 – 2 -16 mM (b) ðường chuẩn thể hiện mối tương quan giữa nồng ñộ glucose và cường ñộ dòng ño ñược 118 Hình 4.16 : Mô hình cơ chế hoạt ñộng của thế hệ cảm biến thứ 3 120 Hình 4.17 : (a) Quét chíp trong dung dịch H 2 SO 4 với nồng ñộ tăng từ

0.0003 M ñến 0.0012 M (b) ðo trong dung dịch H 2 SO 4 với nhiều lần quét lặp lại Khi quét lặp lại, peak oxi hóa của Pt giảm dần do tạo thành lớp oxít bao phủ bề mặt ngăn cản quá

Hình 4.18 : Sự gắn kết giữa các liên kết trong phương pháp SAMs 124 Hình 4.19 : Quy trình rửa, làm sạch bề mặt chíp sợi nano Pt 125 Hình 4.20 : (a) ðồ thị CV của chíp Pt ñã tạo lớp cysteamine monolayer

trong dung dịch K 3 FeCN 6 0.25 M (từ trên xuống dưới)

0-5-10-20-30-40 giờ ở 200 mV.s -1 (b) Cường ñộ dòng oxi hóa ño ở

Hình 4.21 : Các bước cơ bản của quá trình thụ ñộng enzyme trên bề mặt

sợi nano Pt qua cầu nối ñơn lớp cysteamine SAM [40,57] 128 Hình 4.22 : (a) ðặc trưng CV của quá trình quét thế vòng tuần hoàn

trong máu bệnh nhân tiểu ñường, các ñường CV từ dưới lên trên tương ứng với các nồng ñộ glucose từ 1-16.48 mM tại thế -0.72 V, sử dụng ñiện cực so sánh Ag/AgCl (b) ðặc trưng

Hình 4.23 : Mô hình hóa quá trình phản ứng của enzyme và quá trình

Hình 4.24 : ðường chuẩn về mối tương quan giữa cường ñộ dòng oxi

hóa và nồng ñộ glucose trong các dung dịch và máu bệnh nhân tiểu ñường ðường chuẩn này là kết quả quan trọng nhất, cho phép xác ñịnh ñược nồng ñộ glucose trong dung

Hình 4.25 : Biểu ñồ so sánh ñộ chính xác của từng loại cảm biến Kết

quả thu ñược sau khi tiến hành hơn 400 phân tích, ñịnh lượng, trong ñó có gần 100 phân tích tiến hành trên 38 mẫu

Hình 4.26 : Hệ ño ñiện tử xách tay (20 ×15 × 40 cm) cùng các thiết bị

phụ trợ cần thiết ñể thực hiện một phép ñịnh lượng glucose 138

Hình 4.27 : Minicell chỉ có dung tích 0.5-1.5 ml, cho phép tiết kiệm và

Hình 5.1 : Cơ chế khử lớp SiO 2 trên mặt sợi Si [19,35-39] 143

Hình 5.7 : ðặc trưng I-t của chíp sạch (chip chưa biến ñổi bề mặt sợi)

thể hiện dòng ñiện qua sợi không thay ñổi khi cho dung dịch

Hình 5.8 : ðặc trưng I-t của chíp chip chưa biến ñổi bề mặt sợi (ñường

bên trên) và chíp ñã biến ñổi bề mặt khi cho dung dịch DNA với nồng ñộ 1 nM (ñường I-t bên dưới ñi qua bề mặt chíp 153 Hình 5.9 : Phát hiện DNA ở nồng ñộ 100pM – trong dung dịch SSC

Hình 5.10 : Mối tương quan giữa nồng ñộ DNA và sự thay ñổi của dòng

CHƯƠNG 1: Mở đầu 1.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

ðề tài “Nghiên cứu chế tạo cảm biến nano sinh học đế chẩn đốn và định

lượng một số hợp chất sinh học”, mã số KC.04.12/06-10, được thực hiện từ tháng 03/2008 - 10/ 2010 (32 tháng) tại Phịng Thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano (PTN CNNN), ðại Học Quốc Gia Thành Phố Hồ Chí Minh (ðHQG TP HCM) Mục tiêu chính của đề tài là nghiên cứu cơng nghệ chế tạo cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano kim loại platin và bán dẫn silic, dùng chẩn đốn và định lượng một số hợp chất sinh học quan trọng như glucose, protein, và DNA ngoại lai Các mục cụ thể của đề tài bao gồm:

- Xây dựng qui trình cơng nghệ chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, để chế tạo sợi nano platin (Pt) với kích thước và tính chất thích hợp cho việc chế tạo cảm biến nano sinh học glucose

- ðưa ra được qui trình thiết kế, chế tạo các phần cứng và phần mềm phụ trợ

để tạo hệ cảm biến sinh học hồn chỉnh dựa trên cấu trúc sợi nano platin, dùng để xác định nhanh nhạy, chính xác nồng độ glucose trong máu, từ kết

quả này cho phép chẩn đốn bệnh tiểu đường ðây là sản phẩm chính của đề

tài

- Dựa trên các kết quả, kiến thức từ việc chế tạo sợi nano platin, tiếp tục nghiên cứu phát triển để xây dựng qui trình cơng nghệ chế tạo, phù hợp với điều kiện của Việt Nam, chế tạo sợi nano silic với kích thước và tính chất

thích hợp cho việc chế tạo cảm biến nano sinh học Thử nghiệm bước đầu

việc sử dụng cảm biến dựa trên cấu trúc sợi nano silic để phát hiện và định lượng protein hoặc phân tử DNA ngoại lai trong cây trồng hay sản phẩm của cây trồng chuyển gen

- đưa ra ựược qui trình sử dụng, ứng dụng và ựánh giá chất lượng của các cảm biến chế tạo trong việc phân tắch và ựịnh lượng glucose, protein và DNA ngoại lai của cây trồng

- đào tạo các kiến thức về công nghệ chế tạo linh kiện nano (Nanofabrication), ựặc biệt chú trọng kiến thức về ứng dụng công nghệ nano trong nghiên cứu y sinh học cho cán bộ nghiên cứu

1.2 đánh giá tổng quan tình hình nghiên cứu thuộc lãnh vực của ựề tài

Có nhiều kĩ thuật và phương pháp ựã và ựang ựược sử dụng ựể phân tắch và ựịnh lượng các phân tử sinh học trên như kĩ thuật ELISA, Polymerase Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR), cộng hưởng từ, phân tắch hóa học [39-41] Tuy thế, chưa có phương pháp nào trong các phương pháp truyền thống này có ựầy ựủ khả năng cho phép phát hiện nhanh,

chính xác, đồng thời các phân tử sinh học nĩi trên Do đĩ việc nghiên cứu, chế tạo ra một thế hệ cảm biến mới cĩ khả năng như thế đang được đặc biệt quan tâm và đầu tư nghiên cứu

Và một khả năng đặc biệt quan trọng đối với các thiết bị phân tích hiện nay cần được nghiên cứu, nâng cao đĩ là độ nhạy Ví dụ việc phát hiện nhanh các chất đánh dấu sinh học nĩi trên ở nồng độ siêu nhỏ (trong khoảng nM-

fM), sẽ cho phép chẩn đốn được bệnh trong thời gian tiền nhiễm bệnh [4-14, 19-27] Trong thời gian này, các phương pháp y học (cả truyền thống và hiện

đại) đều phát huy rất hiệu quả trong việc chữa trị, thậm chí với những bệnh hiểm nghèo như ung thư Gần đây, nghiên cứu của các nhà y học Anh cho thấy, nếu bệnh ung thư tuyến tiền liệt được phát hiện trong giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), thì bệnh nhân khơng cần dùng đến các phương pháp can thiệp của y học hiện đại (tốn kém, nhiều ảnh hưởng phụ) Trong trường hợp này, bệnh nhân chỉ cần uống nhiều nước, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (stress), thì bệnh gần như khơng phát triển hoặc thậm chí khỏi hẳn

Cơng nghệ nano với những khả năng mới: Cơng nghệ nano là ngành khoa học về nghiên cứu, chế tạo, điều khiển và ứng dụng các vật liệu và linh kiện

thước và cấu trúc siêu nhỏ dẫn đến các thay đổi lớn về bản chất và tính chất của vật liệu và linh kiện Những thay đổi và tính chất mới này khi được khai thác và sử dụng thích hợp (thường) mang lại những ứng dụng mới, với khả năng ưu việt mà vật liệu và linh kiện truyền thống khơng cĩ được Ví dụ màng nano đơn lỗ với kích thước lỗ từ 2-3 nm (single nanopore membrane),

sẽ chỉ cho 1 phân tử DNA (cĩ đường kính 2.3 nm) chạy qua trong một thời điểm, tính chất này tạo ra khả năng chế tạo hệ giải mã DNA mới, cĩ tốc độ nhanh hơn thiết bị hiện tại vài nghìn lần với chi phí thấp Trong khi đĩ, các cấu trúc nano như thanh (cantilevers), dầm (beams), tạo ra các linh kiện dao

ñộng ở tần số siêu cao tần (GHz), mở ra các ứng dụng mới trong viễn thông

Và vật liệu ở dạng hạt nano (nanoparticles) [22-24] ngoài việc ñang ñược nghiên cứu làm hạt dẫn thuốc chữa bệnh, còn ñược hòa trộn vào các vật liệu khác, giúp tạo nên các siêu vật liệu về cơ tính, lý tính và hóa tính Ví dụ như

khuẩn mà sơn truyền thống không có ñược Cuối cùng chúng tôi muốn nhắc ñến các tính chất và ứng dụng mới của vật liệu ở dạng sợi (nanowires) [1-21,26-40,49-59] Ở những dạng này, hệ số giữa diện tích bề mặt và thể tích của vật liệu lớn hơn rất nhiều khi ở dạng khối, dẫn tới nhiều thay ñổi về tính chất ñiện, cơ, quang… Trong ñó các ưu việt về tính chất ñiện của sợi nano ñược khai thác ñể chế tạo cảm biến nano sinh học với những khả năng mới -

nội dung nghiên cứu của ñề tài này - sẽ ñược ñề cập chi tiết ở phần dưới ñây [26-40, 49-59]

Về mặt tổng quan, với những tính chất và ứng dụng mới, ưu việt trong tất cả các lĩnh vực quan trọng nhất của ñời sống con người, hứa hẹn thay ñổi thế giới trong thời gian tới, ngành công nghệ nano ñược coi là công nghệ của thế kỉ 21, ñang thúc ñẩy cuộc cách mạng công nghệ mới và dự báo công nghệ này sẽ ñem lại 1.000 tỷ USD cho nhân loại vào cuối thập kỷ này Trên toàn cầu, hơn 3.000 bằng phát minh về công nghệ nano ñã ñược bảo hộ bản quyền hàng năm Chính vì thế, vật liệu và công nghệ nano ñã và ñang ñược các nước trên thế giới quan tâm, ñầu tư rất lớn ñể nghiên cứu, phát triển trong những năm gần ñây Ví dụ, lĩnh vực này của Mỹ ñược ñầu tư khoảng 3 tỉ USD/năm (1.5 tỉ $ từ chính phủ Mỹ, 1.5 tỉ $ từ các nguồn của tư nhân) Số tiền này gần ngang bằng 75% tổng số tiền ñầu tư hàng năm của châu Âu, Nhật và Hàn Quốc cho công nghệ nano Các nước châu Âu cũng ñang ñầu tư rất lớn vào nghiên cứu và ứng dụng công nghệ nano Ví dụ Chương Trình Nghiên Cứu Chung của các nước EU (FP7 program) dành khoảng 6 tỉ Euros cho nghiên

cứu và ứng dụng của công nghệ nano trong các lĩnh vực như công nghệ thông tin và y tế… Ngoài ra, chính phủ các nước châu Âu cũng tự ñầu tư thêm rất nhiều cho lĩnh vực này Ví dụ Hà Lan là nước nhỏ với 16 triệu dân, nhưng tổng số tiền ñầu tư cho công nghệ nano là 490 triệu Euros (153 € triệu từ Chính Phủ, 337 triệu € từ các nguồn khác) trong năm 2008 [42-44]

Các nước xung quanh Việt Nam như Thái Lan, Singapore, Malaysia… cũng ñang ñầu tư lớn ñể phát triển công nghệ này Ví dụ, Chính Phủ Singapore ñã và ñang ñầu tư trên 1 tỉ USD ñể xây dựng Viện nghiên cứu A Star của họ, trong ñó các lĩnh vực của công nghệ nano như vật liệu nano, tính toán nano, ñặc biệt là nano sinh học ñược ưu tiên ñầu tư hàng ñầu về cơ sở vật chất, thu hút chuyên gia tầm cỡ thế giới về làm việc ñể ñưa Singapore thành trung tâm nano trong khu vực và Châu Á Gần ñây Chính Phủ Thái Lan cũng ñầu tư 340 triệu USD cho công nghệ nano nhằm ñưa các thành quả mới nhất của công nghệ nano vào phục vụ sản xuất nông nghiệp, hải sản và hàng tiêu dùng

Cảm biến nano sinh học chế tạo dựa trên cấu trúc sợi nano: Sợi nano ñược ñịnh nghĩa là vật liệu ở dạng sợi với ñường kính sợi trong khoảng 1-100 nm Như thế, chúng ta phải bó ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau ñể có một vật thể có kích thước ngang bằng sợi tóc người với ñường 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 ñến các tính chất của sợi, ñặc biệt là ñiện trở

của sợi, rất nhạy với các thay ñổi của môi trường bên ngoài Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tưởng ñể 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 ñược minh họa trong hình 1.1 dưới ñây [1-19, 27-40]

Về mặt tổng thể, bộ kít sợi nano sinh học hoạt ñộng dựa trên nguyên lí

làm việc của transitor hiệu ứng trường (Field Effect Transistor - FET), một linh kiện phổ biến và truyền thống nhất của công nghệ vi ñiện tử [1-18] Các

khả năng làm việc ưu việt của bộ kít sợi nano có thể ñược trình bày vắn tắt

Sự bắt cặp của các receptors/biomarkers diễn ra trên bề mặt sợi diễn ra khi dung dịch cĩ chứa các biomarkers được cho chảy qua sợi nano (b) Các biomarkers cĩ điện tích âm sẽ dẫn đến sự tích tụ các hạt dẫn của sợi lên trên bề mặt, làm tăng dịng điện chạy qua sợi, các biomarkers cĩ điện tích âm sẽ làm giảm dịng điện chạy qua sợi (c).(d) Cảm biến gồm nhiều sợi nano dùng phát hiện cùng lúc nhiều biomarkers khác nhau,

để nâng cao độ chính xác của phép phân tích, chẩn đốn bệnh [4-9]

Chỉ cần một vài phân tử biomarkers từ dung dịch hoặc khơng khí bám

lên bề mặt sợi cũng đủ làm thay đổi đáng kể điện trở của sợi - tính siêu

nhạy của bộ kít.

Vì bộ kít hoạt động thơng qua sự đo đạc trực tiếp, liên tục của điện trở, cho phép các phân tích được tiến hành nhanh (trong khoảng vài giây đến phút) - tính siêu nhanh của bộ kít sợi nano

Vì các cặp mồi sinh học được thiết kế để sử dụng cĩ tính kết cặp siêu

chọn lọc, cho phép cảm biến cĩ độ chọn lọc rất cao với chất cần phát

hiện - tính chọn lọc đặc trưng rất cao của cảm biến

Một bộ kít sinh học cĩ thể được chế tạo bao gồm nhiều sợi nano (array

of nanowire) mà mỗi sợi được gắn kết với một mồi sinh học đặc trưng Cảm biến như thế cho phép phát hiện đồng thời, cùng lúc nhiều loại phân tử sinh học khác nhau (simultaneous and multiplex detections), điều này nâng cao khả năng làm việc cũng như tính chính xác của phép

phân tích - tính đồng bộ và đa dạng của bộ kít sợi nano (hình 1.1d)

Hình 1.2 : Sử dụng cảm biến sợi nano để phát hiện nhanh, siêu nhạy biomarker loại PSA trong máu người để chẩn đốn ung thư tiền liệt tuyến [5-7] Sự bám dính của PSA lên bề mặt sợi nano bán dẫn loại P(NW1) làm tăng dịng điện chạy qua sợi, trong khi dịng qua sợi nano bán dẫn loại N(NW2) lại giảm đi Sự kết hợp của hai sợi cĩ tín hiệu ngược nhau trên cùng một cảm biến như thế nâng cao đáng kể độ chính xác của phép phân tích

Trong thời gian qua một nhĩm nghiên cứu của ðại học Havard, đã chế tạo thành cơng cảm biến sợi nano dựa trên các cấu trúc sợi nano silic [1-8] Thiết bị của nhĩm nghiên cứu này cĩ khả năng phát hiện nhanh (trong vài giây) và siêu nhạy (ở nồng độ fM) một số phân tử sinh học như protein (ứng dụng phát hiện ung thư, virut) và DNA ngoại lai (phát hiện bệnh Cystic fibrosis, một bệnh về sai hỏng gen trong trẻ sơ sinh) Hình 1.2 trình bày kết quả phát hiện biomarkers loại PSA để chẩn đốn ung thư tiền liệt tuyến Trong ví dụ này, nồng độ PSA được phát hiện ở nồng độ nhỏ nhất là 0.9 ng/ml, tức là nhạy hơn các phương pháp truyền thống hàng nghìn lần Hơn nữa PSA được đo trực tiếp từ máu của bệnh nhân, khơng cần qua bước chuẩn

bị mẫu, như thế rút ngắn đáng kể thời gian phân tích

Trong khi đĩ một nhĩm nghiên cứu thuộc ðại học California chế tạo cảm biến nano sinh học dựa trên cấu trúc sợi nano platin [8], cho phép phân tích nhanh, nhạy hàm lượng glucose trong dung dịch Trong cảm biến này, các enzyme thích hợp cho việc dễ dàng oxi hĩa glucose thành các sản phẩm tương ứng được thụ động hĩa trên bề mặt sợi platin Các sản phẩm của quá

động của hạt tải (điện tử), và làm thay đổi điện trở của sợi platin Trong trường hợp này, sợi nano platin vừa làm vật dẫn điện (để đo sự thay đổi điện trở) vừa cĩ tác dụng là chất xúc tác cho quá trình các enzyme oxi hĩa đường glucose Nhĩm nghiên cứu khác của giáo sư James Health thuộc ðH Caltech đưa ra phương pháp chế tạo sợi nano dựa trên đế siêu mạng (superlattice template), và sử dụng trong các phát hiện proteins, chỉ thị ung thư cũng như chế tạo các vi linh kiện nano thế hệ mới [10-14]

Cảm biến sợi nano Pt chẩn đốn tiểu đường: Hiện nay bệnh tiểu đường được chẩn đốn chủ yếu thơng qua việc kiểm tra, đo đạc trực tiếp (hoặc gián tiếp) lượng đường (glucose) trong máu của con người Thiết bị (cảm biến) để

đo đạc, phân tích lượng glucose trong máu rất đa dạng, phong phú, và dựa trên các nguyên lý làm việc rất khác nhau, từ phương pháp cổ điển như DCCT

(diabetes control and complications), chỉ thị màu (colorimetric test strips),

đến các phương pháp phát triển rất gần đây như cảm biến sinh học điện hĩa

(electrochemical biosensors) và cảm biến quang (optical sensors) [49-66]

Hiện nay thị trường của cảm biến glucose cĩ giá trị vào khoảng 6-7 tỉ USD/năm, và chiếm 90% thị trường của tất cả các loại cảm biến sinh học (Sensor Market Report, 2005)

Tuy cĩ nhiều loại cảm biến hiện đang được dùng để phân tích, định lượng nồng độ glucose trong máu, nhưng các phương pháp đều cĩ những nhược điểm cần phải khắc phục như độ chính xác, độ lặp lại và tin cậy, quy