Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử Spin

Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin - Nguyên lý chung - Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin - Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA KHOA HỌC VẬT LIỆU

BỘ MÔN KHOA HOC VÀ CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU

CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN HIỆN

TƯỢNG ĐIỆN TỬ SPIN

I Các khái niệm

1 Định nghĩa công nghệ spintronics

2 Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học

II Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

1 Những kiểu biosensor truyền thống

2 Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

- Nguyên lý chung

- Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin

- Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin

MỞ ĐẦU

Sự nhận biết có tính chọn lọc và mô tả định lượng của tất cả các loại phân tử sinhhọc đóng vai trò quan trọng trong khoa học sinh học, trong chuẩn đoán lâm sàng,nghiên cứu y tế, và cả trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường Gần đây, ý tưởngcủa việc tích hợp tất cả những quá trình phân tích trên thành một thiết bị cầm tay dễ

sử dụng, có thể cho kết quả ngay lập tức tại vị trí cần phân tích, đã nhận được rấtnhiều sự quan tâm từ các nhà nghiên cứu và các công ty công nghệ sinh học Từ đómột hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” được đưa ra để đơn giản hoá cóhiệu quả nhiều nhiệm vụ trong các lĩnh vực điều trị y tế hoặc nghiên cứu sinh học, vàthậm chí có thể mở ra những ứng dụng hoàn toàn mới

Biosensor là một thiết bị phát hiện, nhận dạng, và truyền thông tin về một sự thay đổisinh-lý, hay sự có mặt của các chất hóa học khác nhau, hoặc những vật liệu sinh họctrong môi trường Chúng có thể phát hiện và đo chính xác những nơi tập trung của vikhuẩn hay những chất hóa học nguy hiểm Biosensor sử dụng nhiều phương pháp

dò tìm khác nhau Biosensor có thể được chia làm hai kiểu chính: một là vẫn sử dụngphương pháp đánh dấu, một là thử sử dụng phương pháp phát hiện sự lai hóa trựctiếp Trước đây, phương pháp chính là sử dụng phương pháp dò tìm huỳnh quang(biosensor huỳnh quang) Tuy nhiên một vài năm trở lại đây, với sự phát triển mạnh

mẽ của một công nghệ mới: spintronic (điện tử học spin) đã tạo ra một sự phát triểnmới cho các chíp sinh học spintronic với ưu điểm vượt trội là độ nhạy cao hưởng ứngnhanh dễ tích hợp, dễ tự động hóa đã thay thế việc đánh dấu bằng huỳnh quangtruyền thống đắt tiền Bằng cách sử dụng hạt từ được điều khiển bởi dòng điện ta cóthể phân tích được nhiều mẫu sinh học chúng ta có thể sử dụng hạt từ để phát hiệncác tương tác sinh học Việc dò tìm các hạt từ có thể sử dụng cảm biến từ điện trở dịhướng (AMR), cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR), cảm biến spin-valve, cảm biếnđiện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) Hầu hết cáccảm biến từ điện trở đều dựa trên hiệu ứng từ - điện trở

I Một số khái niệm

1 Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học

a Bộ cảm biến

Bộ cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý hay hóa

học ở môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thôngtin về trạng thái hay quá trình đó

Thông tin được xử lý để rút ra tham số định tính hoặc định lượng của môi trường,

phục vụ các nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh và gọi ngắn gọn là đo đạc, phục vụ trong truyền và xử lý thông tin, hay trong điều khiển các quá trình khác.

Cảm biến thường được đặt trong các vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dò (probe),

có thể có kèm các mạch điện hỗ trợ, và nhiều khi trọn bộ đó lại được gọi luôn là "cảm biến"

b Cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học là thiết bị sử dụng các tác nhân sinh học như enzym, các khángthể, để phát hiện, đo đạc hoặc phân tích hoá chất Theo IUPAC (InternationalUnion of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) là một thiết

bị tích hợp có khả năng cung cấp thông tin phân tích định lượng hoặc bán định lượngđặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với mộtphần tử chuyển đổi ”

Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống như chuyển đổi sẽ biến đổi tín hiệu nhậnđược thành tín hiệu điện đo được Hai thành phần này sẽ được tích hợp vào mộtcảm biến ta có thể thấy trên hình 1 Sự kết hợp này cho phép nó có thể đo mục tiêucần phân tích mà không cần sử dụng thuốc thử

 Cấu tạo chung của cảm biến sinh học

Cấu tạo chung của một cảm biến sinh học bao gồm bốn bộ phận chính: (B) Đầuthu sinh học: có tác dụng bắt cặp và phát hiện sự có mặt của các tác nhân sinh học

cần phân tích; (B) Tác nhân cố định: giúp gắn các đầu thu lên trên điện cực; (C) Bộphận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển các biến đổi sinh học thành các tín hiệu có thể

đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu ra (bộ phận này có tác dụng chuyểnthành các tín hiệu điện để máy tính và các thiết bị khác có thể xử lý)

 Tác nhân cần phát hiện được phân loại theo cấu tạo như sau

Các vi khuẩn: các vi khuẩn thường được phát hiện bởi các cảm biến sinh học là vi

khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than …

Các phân tử nhỏ: các phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học có thể phát hiện được là

CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol,aspirin, penicilin, TNT, các tác nhân thần kinh khác, …

Các phân tử sinh học có kích thước lớn: những phân tử này có thể là các phân tử

ADN, RNA, protein, enzyme, các hocmon, …

 Đầu thu sinh học

Nhiều cảm biến sinh học sử dụng các kết hợp đã được phát triển rất cụ thể cho cácứng dụng Có hai loại đầu thu sinh học Đầu tiên, các cảm biến sinh học sử dụng cácenzyme hoặc kháng thể oligonucleotid, ví dụ các chất có nguồn gốc sinh học, đượcthiết kế để thực hiện một chức năng cụ thể trong cơ thể sống Do vậy, chúng được sửdụng để phát hiện một chất cụ thể Ngoài ra còn có những đầu thu sinh học có thểđược mô tả giả như ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, thông qua các phương phápđiện hoá có thể phát hiện một số chất

Đầu thu sinh học (Biological Receptor) là những đầu thu phản ứng trực tiếp với cáctác nhân cần phát hiện và có nguồn gốc từ các thành phần sinh học Dựa vào các tácnhân sinh học sử dụng người ta chia ra thành một số loại đầu thu như sau:

-Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme là dạng đầu thu phổ

biến nhất Đó là các đầu thu làm từ các enzyme urease, glucose,

-Đầu thu làm từ các kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng này có đặc

điểm là tính chọn lọc rất cao đồng thời các liên kết được tạo thành khá mạnh

-Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ các

protein như cảm biến phát hiện hocmôn, xác định các chất kích thích thần kinh, Các đầu thu này có đặc điểm là có tính chọn lọc rất cao Tuy nhiên, chúng cónhược điểm là rất khó cách ly

-Đầu thu làm từ các axit nucleic: Các axit nucleic như ADN, ARN có thể sử

dụng làm đầu thu sinh học Các cảm biến có đầu thu dạng này thường được sửdụng để phát hiện đột biến và các sai lệch trong cấu trúc di truyền

-Đầu thu kết hợp: Với các đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai

hay nhiều các phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ) trên một đế Việckết hợp này mở rộng khả năng làm việc của các cảm biến sinh học Một số cảmbiến dạng này là cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩnbệnh than và cảm biến thử thai

-Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không chỉ được làm từ các phân

tử, nguyên tử mà nó còn có thể được làm từ các tế bào Một số tế bào biến đổigen của vi khuẩn đã được sử dụng làm đầu thu sinh học Khi có mặt các phân

tử chất độc, các tế bào này sẽ phát sáng, thông qua đó chúng ta xác định được

sự xuất hiện của các phân tử chất độc

 Tác nhân cố định

Các tác nhân cố định là một phần rất quan trọng trong cảm biến sinh học Các tácnhân này có nhiệm vụ gắn kết các đầu thu sinh học lên trên đế Nói một cách khácđây là bộ phận trung gian có tác dụng liên kết các thành phần sinh học (có nguồn gốc

từ cơ thể sống) với thành phần vô cơ

 Bộ phận chuyển đổi

Đây là bộ phận quan trọng trong cảm biến sinh học Có nhiều dạng chuyển đổi nhưchuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi bằng tinh thể

áp điện hoặc chuyển đổi bằng các hệ vi cơ

Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa trên điện thế (potentiometric), dòng

điện (amperometric) và độ dẫn (conductometric)

Chuyển đổi quang là chuyển đổi hoạt động dựa trên các hiệu ứng như: hấp thụ ánh

sáng nhìn thấy và tia UV; phát xạ huỳnh quang và lân quang; bio–luminiscence;chemi–luminiscence

Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa trên hiện tượng thay đổi entanpi khi hình thành

hoặc phá vỡ các liên kết hóa họctrong các phản ứng của enzyme Bộ chuyển đổi này

có ưu điểm hoạt động tốt với tất cả các phản ứng Tuy nhiên, dạng chuyển đổi này cótính chọn lọc thấp

Chuyển đổi bằng tinh thể áp điện (piezoelectric) hoạt động dựa trên nguyên lý: tinh

thể sẽ thay đổi tần số dao động khi lực tác dụng lên nó thay đổi Chuyển đổi dạng này

có ưu điểm là độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả năng cơđộng cao, có thể sử dụng đo đạc trong môi trường lỏng và khí

Chuyển đổi bằng các hệ vi cơ Nguyên lý hoạt động của cảm biến sử dụng chuyển

đổi này như sau: chiếu một chùm laser đến bộ phản xạ trên bề mặt một thanh dầm rấtmỏng, ánh sáng phản xạ được thu nhận bởi photodetector Thanh mỏng này đượcchế tạo sao cho chỉ với một lực tác động rất nhỏ cũng làm cho thanh bị uốn cong đi.Như vậy tín hiệu phản xạ thu nhận được trên photodetector sẽ bị thay đổi so vớitrường hợp không có lực tác dụng lên thanh Căn cứ vào sự thay đổi tín hiệu phản xạnày, người ta có thể xác định được lực tác dụng lên thanh

 Mô hình cấu tạo của 1 cảm biến từ:

2 Định nghĩa công nghệ Spintronics

Công nghệ Spintronics chính là sự kết hợp của hai lĩnh vực điện tử học và từhọc nhằm tạo ra các chức năng mới cho vi điện tử hiện đại Công nghệ Spintronics làmột kỹ thuật liên ngành với một mục tiêu chính là thao tác và điều khiển các bậc tự

do của spin trong các hệ chất rắn Nói một cách đơn giản, công nghệ Spintronics làmột ngành nghiên cứu mới nhằm tạo ra các linh kiện mới dựa trên việc điều khiển vàthao tác spin của điện tử

Mục tiêu quan trọng của công nghệ Spintronics là hiểu về cơ chế tương tácgiữa spin của các hạt và môi trường chất rắn, từ đó có thể điền khiển cả về mật độcũng như sự chuyển vận của dòng spin trong vật liệu

Sơ lược về các thế hệ Spintronics

Một cách tương đối, có thể chia các linh kiện spintronics thành 3 thế hệ:

Thế hệ thứ nhất: Gồm các linh kiện dựa trên các hiệu ứng GMR, TMR,

trong các màng mỏng đa lớp, các màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim loại hoặckim loại-điện môi , ví dụ như các cảm biến, đầu đọc từ điện trở trong các đĩa cứng,các bộ nhớ RAM từ điện trở (MRAM), các transitor kim loại (hay transitor lưỡng cực),transitor valse spin, công tắc/khoá đóng mở spin,

Thế hệ thứ hai: Bao gồm các linh kiện hoạt động dựa trên việc tiêm hoặc

bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn- sắt từ hay bán dẫn từ- bán dẫn(điều này giúp cho việc tận dụng được các kỹ thuật vi điện tử hiện nay) Đó là cácmạch khoá siêu nhanh, các bộ vi xử lý spin và mạch logic lập trình được, Các linhkiện này sử dụng các vật liệu bán dẫn pha loãng từ, bán dẫn sắt từ hay các bán kim,các linh kiện vận chuyển đạn đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu ứng từđiện trở xung kích, và các loại transistor spin như ở thế hệ thứ nhất Một thế hệ linhkiện spin mới đang được phát triển mạnh và rất có triển vọng hiện nay là các bộ nhớ

từ và các cổng lôgic dựa trên điều khiển vách đômen để tạo thành các bit thông tintrong các cấu trúc nano từ tính Bạn có thể tưởng tượng, thông tin được mã hoá 0 và

1 thông qua sự định hướng của các mômen từ trong các đômen Sự điều khiển cácvách đômen chính là điều khiển các bit thông tin Vách đômen có thể điều khiển dễdàng bằng từ trường hoặc dòng điện Và hiện nay, hướng spintronics này mục tiêu làtạo ra, và điều khiển các quá trình dịch chuyển, hãm, huỷ các vách đômen trongcác phần tử nhỏ (ví dụ các nanowire, các nanodot, các bẫy đômen)

Thế hệ thứ ba: Là các linh kiện sử dụng các cấu trúc nano (dạng chấm

lượng tử, dây và sợi nano) và sử dụng các trạng thái spin điện tử đơn lẻ như cổnglogic lượng tử (là cơ sở cho máy tính lượng tử), các transistor đơn spin (SFET),

Cảm biến van spin thuộc thế hệ linh kiện đầu tiên đã được chế tạo và đưa vào

sử dụng ở mức độ thương phẩm từ cuối thế kỷ 20 Một số linh kiện điển hình của thế

hệ này là kính hiển vi từ điện trở, robot xúc giác hay robot thông minh, đầu đọc ghi ổcứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động cơ không chổi than, giải mã vạch,đếm tốc độ,điều chỉnh đánh lửa bugi động cơ đốt trong máy trợ thính, Các bộ nhớMRAM không tự xóa đang bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, và được dự đoán là

sẽ chiếm lĩnh thị trường thương mại và tiêu dùng trong những năm gần đây Hiện nayviệc phòng chống tội phạm và khủng bố đang rất được ngành an ninh và quân độiquan tâm Ngành tư pháp và quân đội Mỹ đã có những dự án nghiên cứu chế tạo cácthiết bị điện tử nhạy với từ trường yếu theo nguyên lý của spintronics, đến mức cóthể đo được từ xa từ trường có cường độ chỉ cỡ femto-Tesla

Tiểu kết: trong bài này, chúng ta đang tìm hiểu về cảm biến sinh học dựa trên hiện

tượng điện tử spin Nghĩa là bộ phận chuyển đổi của cảm biến sinh học ứng dụng bởi công nghệ spintronics tạo ra 1 lĩnh vực mới rất được quan tâm trong công nghệ sinh học và y sinh học Như việc nhận biết các phân tử sinh học đã đóng một vai trò rất quan trọng trong ngành công nghiệp dược phẩm, phân tích môi trường và nhiều ứng dụng rộng rãi của công nghệ sinh học Đặc biệt, còn mở ra một khả năng lớn trong việc phát triển các công cụ vừa có giá trị sử dụng cao vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN trong chuẩn đoán các bệnh về gen, nhận biết biến dị hoặc mô tả định lượng của gen và nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên trong nhận dạng các vi sinh vật và vũ khí sinh học.

II Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử spin

Trước đây, biosensor đã thành công với phương pháp đánh dấu huỳnh quang Tuynhiên, nhờ sự phát triển của điện tử học spin, thay vì nhận biết các phân tử sinhhọc bằng các công cụ đắt tiền như các hệ quét huỳnh quang quang học hay lazer,

chúng ta có thể sử dụng các loại cảm biến ứng dụng công nghệ điện tử học spindựa trên các hiệu ứng GMR, AMR, TMR, Hall, Planar Hall,

1 Những kiểu biosensor truyền thống

Trước đây loại cảm biến phổ biến nhất là cảm biến sinh học sử dụng phương pháphuỳnh quang, có cấu tạo chung như sau:

- Một dãy các đầu dò được gắn cố định trên bề mặt cảm biến bằng những chấmmirco (thường là các hạt huỳnh quạng)

- Buồng lai hóa (thường là một hệ thống vi rãnh, còn gọi là vi kênh chứa chất lỏng cókích thước mirco)

- Một cơ cấu để sắp xếp các DNA đích tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho cácphân tích phân tử tích điện như DNA hoặc các dãy đường dẫn tạo từ trường cho cácDNA đích gắn hạt từ)

- Các hạt dò tìm

Trên hình 2 mô tả quá trình dò tìm bằng phương pháp đánh dấu huỳnh quang, gồm 3giai đoạn:

- Cố định đầu dò trên bề mặt chip

- Nhỏ dung dịch có chứa các DNA đích cần dò tìm

- Các phân tử sinh học là phần bù của nhau sẽ liên kết với nhau, quá trình lai hóa xảy

ra và sau đó rửa sạch các phần tử không cần thiết

Phương pháp này cho ta biết số lượng gen xác định và so sánh sự khác nhau giữacác mẫu cần phân tích Sự dò tìm này không những cho biết được sự có mặt củaphân tử bị bệnh mà còn cho biết được số lượng của các phân tử đó trong mẫu

2 Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spin

Hình 3 Sơ đồ một biochip sử dụng công nghệ spin điện tử, bao gồm một dãy

các bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử, một dãy đầu dò phân tử sinh học được cố định trên bề mặt sensơ (trong trường hợp này là các phân tử ADN đơn), dung dịch chứa các phân tử cần dò (các chuỗi ADN) và các hạt từ được có thể liên kết được với bề mặt cảm biến thông qua thông qua các lai hóa phân tử sinh học (các lai hóa ADN) Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử sinh học đạt được bằng cách nhận biết từ trường tán xạ tạo bởi label từ nhờ bộ chuyển tín hiệu sử dụng công nghệ spin điện tử.

Các đối tượng dò tìm (phân tử sinh học trong mẫu dùng để nhận dạng như chuỗiDNA, phần bù phù hợp của các đầu dò DNA cố định hoặc các kháng nguyên tươngứng với các kháng thể cố định) được nhỏ lên trên bề mặt chip để quá trình nhậndạng được tiến hành Các phân tử sinh học có thể được gắn hạt từ tính trước hoặc

sau bước lai hóa (recognition) Các hạt từ thường là các hạt siêu thuận từ hoặc sắt

từ không có từ dư với kích thước nano hoặc mirco và có khả năng gắn kết với cácphân tử sinh học Dưới tác dụng của từ trường, các hạt này sẽ bị từ hóa và từ độtổng hợp xuất hiện Từ trường sinh ra từ các hạt từ bị từ hóa có thể thay đổi điện trởcủa cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, do đó có thể giúp ta nhận biết đượccác phân tử sinh học cần phân tích

Các chip sinh học (biochip) dựa trên hiệu ứng từ điện trở được giới thiệu lần đầu vàonăm 1998 ở phòng thí nghiệm nghiên cứu hải quân (NRL) của Mỹ Sau đó trên thếgiới phát triển thêm nhiều phòng nghiên cứu và các công ty phát triển hệ thống này.Việc nhận biết hạt từ được hoàn thiện băng cách sử dụng các cảm biến tích hợp từđiện trở có cấu trúc và hình dạng khác nhau như GMR hình que, cấu trúc GMR hìnhgấp khúc (meander GMR structures) và các GMR hình xoắn ốc; các cấu trúc vanspin đường thẳng, hình răng lược và hình chữ U; các vòng AMR; cảm biến hình chữthập sử dụng hiệu ứng Hall mặt phẳng; và các tiếp xúc từ xuyên ngầm Các cấu trúcnày còn cho phép sử dụng từ trường để điều khiển độ chính xác và các thao tác trênchip, kết hợp sự truyền dẫn tín hiệu với việc dò tìm

Nguyên lý của biochip sử dụng công nghệ spin điện tử đã được sử dụng để dò tìmcác biểu hiện của các phân tử sinh học (bao gồm các liên kết sinh học) trong các môhình liên kết như liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG-Protein A (ví dụ cysticfibrosis-bệnh xơ nang), trong các phát triển ứng dụng dùng cho việc dò tìm các tếbào từ vi sinh vật gây bệnh Cấu trúc của hai chip sử dụng sự lai hóa có hỗ trợ của từtrường và việc dò tìm các DNA cần dò có liên quan tới bệnh xơ nang là kết quả thuđược trong quá trình nghiên cứu thử nghiệm chip với các DNA phần bù với các DNAcần dò tìm Sau khi nhỏ các phân tử sinh học có đính hạt từ lên bề mặt cảm biến, mộtdòng điện được đặt vào trong khoảng 3 phút để thu hút các hạt vào khu vực cảmnhận, sau đó các hạt từ được giữ ổn định trong vòng 3 phút để quá trình lai hóa diễn

ra Chip được rửa để loại bỏ các hạt từ không có liên kết riêng hoặc liên kết yếu Khi

đó người ta thu được tín hiệu còn lại vào khoảng 1mV do lai hóa Tín hiệu này tươngứng với 50 hạt nano liên kết với bề mặt Khi sử dụng các phân tử sinh học cần dòkhông phải là phần bù của đầu dò, tín hiệu trở lại với đường nền nghĩa là không có

sự lai hóa xảy ra Các cảm biến cỡ nhỏ (2,6mm2) có dải hoạt động nhỏ chứa đượcvào khoảng 200 hạt nano với đường kính 250mm, nhưng cho tín hiệu trên từng hạtlớn hơn

b Ưu điểm của cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin:

Tất cả các thiết bị điện tử học spin (spintronics) bao gồm cả những cảm biến điện tửhọc spin đều dựa trên việc điều khiển các spin của điện tử nên có những ưu điểmnhư sau:

- Tiêu tốn ít năng lượng do quá trình biến đổi trong các thiết bị spintronics dựa trên

sự đổi chiều của các spin.

- Do tính chất phi từ của các phân tử sinh học nên giảm nhiễu tín hiệu

- Có độ ổn định cao, phép đo có thể thục hiện được nhiều lần, loại bỏ được tín hiệunền không mong muốn

- Tốc độ nhanh vì không phải mất thời gian để truyền điện tích Thời gian đảo cácspin từ trạng thái up sang down ngắn

3 Những kiểu cảm biến sinh học dựa trên công nghệ điện tử học spin Hiệu ứng từ điện trở (MR)

Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance- MR) là sự thay đổi điện trở của mộtvật dẫn gây bởi từ trường ngoài Hiệu ứng này lần đầu tiên được phát hiện bởiWilliam Thomson (Kelvin) vào năm 1856 với sự thay đổi điện trở không quá 5% Hiệuứng này được gọi là hiệu ứng từ điện trở thường Gần đây, các nhà khoa học đã pháthiện ra nhiều loại hiệu ứng từ điện trở trong nhiều loại vật liệu khác nhau đem lại khảnăng ứng dụng hết sức to lớn Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên

độ lớn của hiệu ứng từ điện trở, cho bởi công thức:

Với: ρ(H): Điện trở xuất của vật dẫn khi có từ trường ngoài đặt vào

ρ(0): Điện trở xuất của vật dẫn khi không có từ trường ngoài đặt vào

R(H): Điện trở của vật dẫn khi có từ trường ngoài đặt vào

R(0): điện trở của vật dẫn khi không có từ trường ngoài đặt vào.

H max: là từ trường cực đại

Hai cách định nghĩa này hoàn toàn tương đương nhau

Trong các vật dẫn không có từ tính như kim loại Cu, Au thì hiệu ứng MR xảy ra dolực Lorentz tác động lên chuyển động của các điện tử Hiệu ứng này rất nhỏ và cógiá trị âm Trong các chất sắt từ hiệu ứng MR liên quan đến tán xạ bởi các Spin bấttrật tự Trạng thái bất trật tự của các spin luôn làm tăng điện trở Khi đặt từ trườngngoài vào thì mức độ bất trật tự của các spin giảm, ta sẻ nhận được hiệu ứng từ điệntrở dương nhưng đẳng hướng Hiệu ứng này rất nhỏ trong các kim loại chuyển tiếpsắt từ nhưng lại rất lớn trong các vật liệu đất hiếm- kim loại chuyển tiếp có chuyểnpha từ giả bền như RCO2, gốm Perovskites… Trong một vật dẫn kim loại, dòng điệnđược mang đi nhờ sự chuyển động của electron Nếu electron bị khuếch tán khỏihướng chính của dòng điện thì dòng điện bị yếu đi, nghĩa là điện trở tăng lên

Trong một vật liệu từ thì sự khuếch tán electron bị ảnh hưởng bởi hướng từ hóa