Cảm biến sinh học dùng transistor hiệu ứng trường dây nano silicon

Bài viết Cảm biến sinh học dùng transistor hiệu ứng trường dây nano silicon trình bày cơ chế cơ bản của hệ cảm biến dùng dây nano Silicon và các quy trình chế tạo dây nano, kênh dẫn lỏng PDMS, cũng như các kỹ thuật bề mặt hóa.

Nguyễn Linh Nam 34 CẢM BIẾN SINH HỌC DÙNG TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG DÂY NANO SILICON SILICON NANOWIRE FIELD EFECT TRANSISTORS BASED BIOSENSORS Nguyễn Linh Nam Trường Cao Đẳng Công Nghệ, Đại Học Đà Nẵng; Email: nlnam911@dct.udn.vn Tóm tắt - Transistor hiệu ứng trường dây nano Silicon sử dụng để phát phân tử điện tích bề mặt dây thông qua thay đổi độ dẫn dây Cảm biến có tiềm ứng dụng y học với nhiều ưu điểm: phát trực tiếp, truyền tín hiệu theo thời gian thực, độ nhạy cao với yêu cầu tối thiểu cho việc phát phân tử mục tiêu, khả xử lý song song, khơng cần q trình đánh dấu mẫu Ở đây, chúng tơi trình bày chế hệ cảm biến dùng dây nano Silicon quy trình chế tạo dây nano, kênh dẫn lỏng PDMS, kỹ thuật bề mặt hóa Các kết thực nghiệm cho thấy độ nhạy điện tích cao dây nano cho phép phát liên kết lai hợp phân tử DNA với chiều dài ngắn đến 15 m với độ xác cao Đồng thời, kết ứng dụng transistor hiệu ứng trường dây nano Silicon để phát phân tử sinh học từ protein cá thể vi rút thảo luận Abstract - Silicon-On-Insulator based nanowire field-effecttransistors were used to detect the molecular charges on the wire surface by measuring the changes of the wire conductance The sensors hold a great potential for various biomedical applications due to their intrinsic advantages in many aspects including a direct, real-time electrical signal transduction, high sensitivity with minimal requirement of the target molecules, capability for multiplex parallel processing, and requiring no tedious sample labeling process Here, we presented the underlying mechanism of using nanowires for biomolecule sensing and addressed fabrication processes including: nanowire, PDMS microfluidic channel, and surface modification techniques The experimental results showed that the high charge sensitivity of the nanowires allowed real time detection of hybridization of ssDNA with lengths as short as 15mer, and with high degree of specificity Furthermore, demonstrations of using silicon nanowire field-efect-transistors as a detector for a widerange of biological and chemical species, from protein down to the ultimate level of single virus were discussed Từ khóa - dây Nano Silicon, transistor hiệu ứng trường, cảm biến sinh học, phát phân tử sinh học, DNA, protein, vi rút Key words - silicon nanowire, field-efect-transistor, biosensor, biomolecule detection, DNA, protein, virus Giới thiệu Mối quan hệ tự nhiên công nghệ nano khoa học sống thể theo nhiều khía cạnh khác nhau, nhiên mối quan hệ đơn giản tương đồng kích thước cấu trúc thông thường phân tử sinh học DNA, protein hay vi rút với vật liệu có cấu trúc nano chấm lượng tử, dây nano hay ống nano carbon Chính tương đồng dẫn đến ứng dụng ngày sâu rộng khoa học kỹ thuật nano việc phát chữa trị bệnh Phát đánh giá phần tử sinh học đóng vai trị lớn y học, từ việc xác định bệnh chế tạo loại thuốc điều trị Các cấu trúc nano ống nano carbon [1, 2], dây nano [3, 4], hay hạt nano [5] với đặc tính điện tử, quang tử, từ tính riêng biệt giúp tạo nhiều phương pháp tiếp cận giải vấn đề y học khác từ phát protein [6], vi rút [7] DNA [8], nghiên cứu, chế tạo hệ thống phân phối thuốc Trong năm gần đây, phát điện tử phân tử sinh học dung môi dây nano chủ đề nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực Hệ thống cảm biến sinh học dựa thiết bị dùng dây nano cho kết nhanh chóng, xác, chi phí thấp, việc phân tích thơng lượng cao q trình phản ứng sinh học cho thấy tiềm lớn ứng dụng thương mại [9] Đặc biệt, dây nano làm vật liệu silicon (Silicon Nanowires-SiNWs) chế tạo theo cấu trúc transistor hiệu ứng trường (Field Effect Transistors-FETs) cho thấy tiềm ứng dụng lớn hệ cảm biến sinh học Điều có SiNWs có ưu điểm bật tỉ số bề mặt/thể tích lớn, độ nhạy cao, hiển thị kết trực tiếp, khả xử lý tín hiệu song song, bước chuẩn bị mẫu đơn giản, không cần đánh dấu mẫu, chi phí thấp Nguyên lý hệ cảm biến dây nano Silicon dựa cấu trúc FETs, dây nano kênh dẫn điện tích nối hai đầu với điện cực nguồn (SourceS) máng (Drain-D), lượng điện tích di chuyển qua dây điều khiển điện cực thứ ba gọi điện cực cổng (Gate-G) Dựa nguyên lý hoạt động này, việc phát phân tử sinh học dùng dây nano mô tả Hình Khi phần tử sinh học tạo liên kết với thụ kháng thể tạo thay đổi điện tích bề mặt dây có tác động thay đổi giá trị điện áp cổng, dẫn đến thay đổi mật độ hạt dẫn dây hay độ dẫn dây thay đổi khỏi giá trị ban đầu chưa có liên kết phần tử sinh họcthụ kháng thể xảy [7,9,10] Hình Sơ đồ mơ tả hệ cảm biến SiNW-FETs loại n với thụ kháng thể cố định bề mặt dây Khi phần tử sinh học tạo liên kết với thụ kháng thể sinh điện tích âm bề mặt dây làm giảm độ dẫn điện dây Trong báo này, tác giả mô tả nguyên lý cảm biến sinh học dùng dây nano silicon, trình chế tạo thiết bị trình bày số kết nghiên cứu việc phát liên kết lai hợp (hybridization) phân tử DNA Đồng thời báo cung cấp tóm tắt số kết nghiên cứu ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN khác việc phát phân tử sinh học protein, vi rút dựa hệ cảm biến sinh học dùng SiNW-FETs Vật liệu phương pháp Dây nano Silicon gồm loại khác tùy vào hạt dẫn electron lỗ trống (hole) Nếu hạt dẫn electron dây loại n, cịn ngược lại dây loại p Hình 2a hiển thị hình ảnh thực tế mạch dây nano Silicon loại p chế tạo vị trí trung tâm mạch, dây nối với điện cực kim loại Au/Ni hai đầu dây dùng để đo dòng điện chạy trực tiếp qua dây Quá trình chế tạo gồm bước sau: trước kỹ thuật quang khắc chuẩn ăn mòn vật liệu plasma (inductively coupled plasma (ICP) etching) dùng để chế tác đường dẫn kích thước µm mạch dùng đế Silicon-On-Insulator (SOI) có chiều dày khoảng 550µm; tiếp sau kỹ thuật cấy ion Boron vùng xác định trung tâm mạch nơi dây nano hình thành sau đó, chùm ion lượng 11KeV chiếu bề mặt Silicon để tạo lớp pha tạp B(Boron)-Si (để hình thành dây Silicon loại p) dày khoảng 20 nm với mật độ hạt pha tạp B khoảng × 1014/cm2; dây nano hình thành kỹ thuật quang khắc chùm electron khắc ICP vùng pha tạp hạt B; sau dây nano oxy hóa bề mặt buồng nhiệt 900ºC để tạo lớp SiO2 dày khoảng 10nm, lớp điện mơi có cơng dụng cách điện dây nano Silicon với dung mơi q trình thực cảm biến; sau đường dẫn điện điện cực kim loại Au/Ni hình thành kỹ thuật bóc kim loại buồng chân khơng, kích thước Ni Au 10 nm 50nm Hình 2b ảnh SEM (Scanning Electron Microscope) cho thấy dây nano Silicon nối hai đầu với điện cực nguồn máng Điện cực cổng chế tác mặt sau đế Silicon Sơ đồ mô tả cấu trúc SiNW-FET thể hồn chỉnh Hình 2c Hình 2d thể thay đổi dòng điện chạy qua dây (ID) tác động điện áp cổng (VG) mức điện áp máng-nguồn khác nhau, kết cho thấy giá trị dòng điện tăng tăng VG theo chiều âm Điều cho thấy dây nano Silicon chế tạo có đặc tính loại bán dẫn p (bởi pha tạp B) Kết khảo sát đặc tính dịng-áp dây nano với kích thước khác thể Hình 2e cho thấy ổn định trình hoạt động SiNW-FETs Để phát phân tử sinh học DNA, protein hay vi rút, dây nano đặt vào bên kênh-µm dẫn lỏng (microfludic channel) làm polydimethylsiloxane (PDMS) Kênh PDMS chế tạo cách sử dụng khuôn đúc làm từ vật liệu cản quang SU8 [11] Hình 3a hình ảnh thực tế kênh µm-PDMS với chiều cao 8µm chiều rộng 10µm đặt mạch có dây nano; Cịn Hình 3b mô tả cách thức dung môi chuyển dịch vào trình thực việc phát phân tử sinh học thông qua hai ống dẫn lỏng làm nhựa dẽo Teflon với đường kính ống khoảng 800µm Để dùng dây nano hoạt động cảm biến sinh học, dây nano chuyển đổi đặc tính hố học bề mặt hợp chất APTES (C9H23NO3Si) Q trình bề mặt hố sau: Bản mạch với dây nano Silicon oxy hoá bề mặt cách ngâm dây nano dung dịch chứa 2% 35 axít cholic (C24H40O5, Fluka, Biochemika, độ tinh khiết ≥ 99%) alcohol nhiệt độ 27ºC 12 tiếng để hình thành nhóm –OH bề mặt SiO2 dây nano; Dây nano sau tiếp tục bề mặt hoá dung dịch chứa 2% APTES (Sigma-Aldrich, độ tinh khiết ≥ 99%) acetone nhiệt độ 80ºC 12 tiếng để hình thành lớp phân tử APTES với nhóm –NH2 bề mặt dây; Sau tồn mạch rửa nước cất xấy khơ khí N2 để loại bỏ phân tử APTES chưa liên kết với bề mặt; Cuối mạch nung 110ºC tiếng để loại bỏ độ ẩm [12] Việc khảo sát đặc tính dịngáp (ID-VD ID-VG) dây nano đo xác định thay đổi độ dẫn điện dây có thay đổi điện tích bề mặt dây thực hệ đo dịng-áp bao gồm: Bộ khuếch đại tín hiệu chế tạo với độ nhiễu thấp (~10fA); Các tín hiệu dịng-áp vào/ra khuếch đại cấp/thu thơng qua thiết bị DAQ (Data Acquisition) có cổng giao tiếp với máy tính; Q trình đo điều khiển thơng qua chương trình viết phần mềm Labview Hình (a) Hình ảnh thực tế mạch đế Si có SiNWs trung tâm với dây nối với điện cực kim loại Au/Ni hai đầu dây để đo dòng điện chạy qua dây Điện cực cổng chế tạo mặt sau đế (b) Hình ảnh SEM cận cảnh dây nano với chiều rộng 200 nm chiều dài mm nối với hai điện cực nguồn máng (c) Sơ đồ khối mô tả cấu trúc SiNWFET (d) Đặc tính ID-VG dây nano Silicon loại p mức điện áp đặt khác từ -1V đến 1V (e) Đặc tính ID-VG dây nano Silicon với kích thước khác từ 70 nm đến 800nm Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Phát DNA Quá trình phát lai hợp tạo liên kết hydro nucleotide phân tử DNA mơ tả Hình 3c Để phát lai tạp này, trước hết dây nano với nhóm –NH2 bề mặt phản ứng với hợp chất glutaraldehyde (CH2(CH2CHO)2, 25%, pH=7.4) để tạo thành liên kết –CONH- cực liên kết với APTES để cực lại tạo liên kết cố định chuỗi đơn ssDNA (single strain DNA) Ở chuỗi đơn 15mer-poly T ssDNA chọn để cố định trước dây nano với mục đích phát lai hợp với 15A-ssDNA thực sau Hình 3d trình bày thay đổi giá trị điện trở dây nano Silicon loại n với kích thước 70nm với 15TssDNA cố định bề mặt dây theo thời gian Ban đầu dây nano nhúng dung môi đệm với nồng độ 36 pH=8 cách bơm dung mơi bề mặt dây thơng qua kênh µm-PDMS Với điện áp đặt vào cực máng VD=1V điện áp cực cổng VG=15V để SiNW-FET hoạt động trạng thái dẫn tích cực nhằm đảm bảo độ nhạy điện tích cho dây, thấy lúc giá trị điện trở dây khoảng 412MΩ Tại t=100s dung dịch chứa chuỗi đơn 15C-ssDNA với nồng độ 20pM bơm vào bề mặt dây qua kênh µm-PDMS, lúc giá trị điện trở dây không thay đổi giữ ổn định mốc 411MΩ Kết nucleotide C không tạo liên kết hydro với nucleotide T (đang cố định bề mặt dây) Vì không xảy phản ứng 15C 15T nên khơng có thay đổi điện tích bề mặt dây hay khơng có thay đổi mật độ hạt dẫn dây, điện trở hay độ dẫn dây không đổi Đến t=2000s dung dịch dung môi đệm pH=8 lại Nguyễn Linh Nam bơm vào để đẩy dung dịch 15C-ssDNA để tạo môi trường ổn định trước bơm dung dịch có chứa 15AssDNA vào Tại t=2700s, dung dịch có chứa 15A-ssDNA với nồng độ 20pM bơm vào bề mặt dây, lúc ta thấy điện trở dây gia tăng lên giá trị khoảng 416MΩ Sự thây đổi 15A hình thành liên kết hydro với 15T cố định bề mặt dây làm gia tăng mật độ điện tích âm bề mặt dây Điều tương đương với việc giảm giá trị điện áp cổng (lúc giá trị điện áp VG giảm xuống 14.4V) làm giảm mật độ hạt dẫn electron dây loại n nên độ dẫn điện dây giảm hay giá trị điện trở dây tăng vừa thấy Kết thực nghiệm cho thấy, hệ cảm biến sinh học SiNW-FETs có khả phát chọn lọc lai tạp diễn chuỗi ssDNA Hình (a) Hình ảnh thực tế kênh µm-PDMS (b) Sơ đồ mơ tả chuyển dịch vào dung mơi q trình thực việc phát phân tử sinh học (c) Quá trình phát lai tạp DNA 15T ssDNA 15A ssDNA dây nano Silicon bề mặt hóa APTES (d) Sự thay đổi điện trở dây nano Silicon loại n tương ứng với mốc thời gian mà có bơm vào kênh µm-PDMS loại dung mơi khác 15C ssDNA, chất đệm 15A ssDNA 3.2 Phát protein Hình Sự thay đổi độ dẫn hai dây nano Silicon loại p theo thời gian, NW1 bề mặt hoá với thụ kháng thể PSA Ab1 cịn NW2 bề mặt hố ethanolamine nhằm ngăn việc tạo liên kết với protein Các thời điểm (1) pg/ml PSA; (2) pg/ml PSA; (3) 10µg/ml BSA; (4) hổn hợp 1ng/ml PSA 10µg/ml PSA Ab1 Kết trích dẫn tài liệu tham khảo số Các kết nghiên cứu gần gen protein làm sáng tỏ nhiều số sinh học tạo bước đột phá cho việc chẩn đốn điều trị bệnh mãn tính ung thư Việc phát sớm triệu chứng sinh học liên quan đến giai đoạn phát triển khác mầm bệnh giúp gia tăng hiệu cho trình điều trị ung thư Ở đây, nhiệm vụ nghiên cứu này, tác giả trình bày việc xác định loại kháng nguyên đặc hiệu tiền liệt tuyến phù hợp (prostate specific antigen-PSA) hệ cảm biến SiNWFETs, phần kết nghiên cứu trình bày Hình Theo hai dây nano Silicon loại p dùng cho việc phát thụ kháng thể phù hợp với PSA: Dây thứ bề mặt hóa thụ kháng thể Ab1 cịn dây thứ bề mặt hóa ethanolamine Phân tích kết từ phản ứng NW1 cho thấy PSA tạo liên kết tốt với Ab1 cho dù nồng độ PSA nhỏ, dung dịch với nồng độ cao BSA lại không tác động làm thay đổi độ dẫn điện dây Do dây NW2 bề mặt hóa ethanolamine nhằm bảo vệ liên kết với PSA, nên thấy độ dẫn điện dây khơng thay đổi suốt q trình chuyển dịch loại dung môi khác qua bề mặt dây Kết cho thấy thành công việc dùng dây nano Silicon cho việc phát chọn lọc số sinh học loại protein cho ứng dụng y học 3.3 Phát vi rút Để khảo sát giới hạn độ nhạy hệ cảm biến SiNWFETs, nghiên cứu phát vi rút riêng rẽ thực ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN Như biết vi rút gây nhiều bệnh cho người, việc nghiên cứu xác định chủng vi rút đóng góp lớn cho việc phịng chống điều trị bệnh vi rút gây Nguyên lý phát vi rút tương tự DNA hay protein, vi rút liên kết với thụ kháng thể bề mặt dây nano dẫn đến tăng/giảm điện tích bề mặt tác động thay đổi độ dẫn điện dây Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng hệ cảm biến SiNWFETs để phát có mặt cá thể vi rút cúm A dung mơi với nồng độ 100 vi rút/µl Kết nghiên cứu trình bày Hình 5, theo dây nano Silicon loại p bề mặt hóa thụ kháng thể vi rút cúm A hemagglutinin để tạo liên kết với cá nhân vi rút cúm A Kết khảo sát độ dẫn điện thực đồng thời với việc quan sát trực tiếp vi rút kính hiển vi quang học Chúng ta thấy thời điểm ban đầu, SiNW-FET cấp nguồn VD dương VG có giá trị âm để hoạt động vùng dẫn tích cực bề mặt dây ngâm dung môi đệm, độ dẫn dây ổn định giá trị 2090nS Tại thời điểm dung môi đệm đưa dung dịch có 100 vi rút cúm A/µl bơm vào bề mặt dây thơng qua kênh µm-PDMS Khi vi rút cúm A tạo liên kết với thụ kháng thể hemagglutinin cố định bề mặt dây giá trị dẫn điện dây thay đổi, độ dẫn giảm xuống 2070nS (thời điểm 2) Sự giảm độ dẫn vi rút tạo liên kết với thụ kháng thể sinh điện tích dương bề mặt dây có tác động làm giảm giá trị điện áp cổng VG chiều dương Điều làm giảm mật độ hạt dẫn lỗ trống dây loại p nên độ dẫn điện dây giảm vừa thấy kết đo Tại thời điểm 3, dung dịch đệm bơm vào để đẩy vi rút khỏi bề mặt dây, độ dẫn dây trở lại giá trị ban đầu Quá trình diễn tương tự thời điểm 4, cho thấy ổn định trình hoạt động hệ cảm biến Kết cho thấy hệ cảm biến SiNW-FETs có độ nhạy cao cho kết phản ứng với độ chuẩn xác việc phát đến mức đơn phân tử vi rút Hình Sự thay đổi độ dẫn dây nano Silicon loại p theo thời gian Các thời điểm từ 1-6 tương ứng với ảnh hiển vi quang học bên Kết trích dẫn tài liệu tham khảo số 37 Kết luận Trong báo này, chúng tơi trình bày ngun lý phát phân tử sinh học cấu trúc SiNW-FETs: Các thụ kháng thể gắn cố định dây kỹ thuật bề mặt hóa để tạo liên kết với phân tử sinh học; Sự liên kết làm thay đổi điện tích bề mặt dây tác động làm thay đổi độ dẫn điện dây Các kết nghiên cứu cho thấy hệ cảm biến sinh học có nhiều ưu điểm phát trực tiếp thời gian thực, độ nhạy cao, chuẩn bị đánh dấu mẫu đơn giản, khả tích hợp mạch cho ứng dụng thực tế Dây nano Silicon cho thấy khả phát nhiều phân tử sinh học khác DNA, protein, hay vi rút Điều cho thấy khả ứng dụng lớn hệ cảm biến ngành y học từ việc chẩn đoán bệnh, thử nghiệm thuốc điều trị,…đồng thời công cụ đắc lực hỗ trợ cho nghiên cứu y khoa Kết nghiên cứu thực phịng thí nghiệm trọng điểm khoa học cơng nghệ nano phịng thí nghiệm điện tử lượng tử thuộc viện vật lý, viện hàn lâm Sinica Đài Loan TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] J C Robert, C C Hee, B Sarunya, Y Erhan, X Tang, Q Wang, Y Chang, H Dai, “An Investigation of the Mechanisms of Electronic Sensing of Protein Adsorption on Carbon Nanotube Devices”, J Am Chem Soc., 126, 1563-1568(2003) [2] R J Chen, S Bangsarunyip, K A Drouvalakis, N.W S Kam, M Shim, L Yiming, W Kim, P J Utz, H Dai, “Noncovalent functionalization of carbon nanotubes for highly specific electronic biosensors”, PNAS, 100, 4984(2003) [3] M C Lin, C J Chu, L C Tsai, H Y Lin, C S Wu, X Y P Wu, Y N Wu, D B Shieh, Y W Su, C D Chen, “Control and Detection of Organosilane Polarization on Nanowire Field-Effect Transistors”, Nano Lett., 7, 3656-3661(2007) [4] A K Wanekaya, W Chen, N V Myung, A Mulchandani, “Nanowire-Based Electrochemical Biosensors”, Electroanalysis, 18, 533–550(2006) [5] P Alivisatos, “The use of nanocrystals in biological detection”, Nat Biotechnol., 22, 47-52(2004) [6] G Zheng, F Patolsky, Y Cui, W U Wang, C M Lieber, “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”, Nat Biotechnol., 23, 1294-1301(2005) [7] F Patolsky, G Zheng, O Hayden, M Lakadamyali, X Zhuang, C M Lieber, “Electrical detection of single viruses”, PNAS, 101, 14017-14022(2004) [8] Z Li, Y Chen, X Li, T I Kamins, K Nauka, and R S Williams, “Sequence-specific label-free DNA sensors based on silicon nanowires”, Nano Lett., 4, 245–248(2004) [9] P R Nair, M A Alam, “Design considerations of silicon nanowire biosensors”, IEEE Transactions On Electron Devices, 54, 3400(2007) [10] G Shalev, G Landman, I Amit, Y Rosenwaks, I Levy,, “Specific and label-free femtomolar biomaker detection with an electrostatically formed nanowire biosensor”, NGP Asia Matter., 5, 1(2013) [11] K S Ryu, X Wang, K Shaikh, C Liu, “A Method for Precision Patterning of Silicon Elastomer and Its Applications”, Journal of Microelectromechanical Systems, 13, 568–575(2004) [12] J Xiang, P Zhu, Y Masuda, K Koumoto, “Fabrication of SelfAssembled Mono-layers and Inorganic Mocropattern on Flexible Polymer Substrate”, Langmuir, 20, 3278-3283(2004) (BBT nhận bài: 26/02/2014, phản biện xong: 10/04/2014) ... nano hoạt động cảm biến sinh học, dây nano chuyển đổi đặc tính hố học bề mặt hợp chất APTES (C9H23NO3Si) Quá trình bề mặt hoá sau: Bản mạch với dây nano Silicon oxy hoá bề mặt cách ngâm dây nano. .. CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(84).2014, QUYỂN khác việc phát phân tử sinh học protein, vi rút dựa hệ cảm biến sinh học dùng SiNW-FETs Vật liệu phương pháp Dây nano Silicon gồm... cho thấy thành công việc dùng dây nano Silicon cho việc phát chọn lọc số sinh học loại protein cho ứng dụng y học 3.3 Phát vi rút Để khảo sát giới hạn độ nhạy hệ cảm biến SiNWFETs, nghiên cứu