Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano cacbon. (LA tiến sĩ)
Trang 1LOI CAM DOAN
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 tơi 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
Trang 2LOI CAM ON
abo Be ee
Trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu 4 năm tại viện ITIMS đã giúp tôi có thêm rất nhiều kiến thức và kinh nghiệm trong công tác nghiên cứu khoa học Cùng với sự quan tâm chỉ bảo tận tình, chu đáo của Ban giám đốc, của các Thầy cô
giáo, toàn thê cán bộ Viện đảo tạo quốc tế về khoa học vật liệu (ITIMS) tới nay tơi
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 tơi có thể hồn 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 (TTIMS); 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 q 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
Trang 3môn, các công việc có liên quan trực tiêp hoặc gián tiếp đên luận án, v.v đã giúp tôi hoàn thành bản luận án này
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến chồng và hai con tôi, những người đã động viên, chia sẻ những khó khăn trong suốt thời gian tôi làm luận án
Xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày 12 tháng 12 năm 2012 Tác giả luận án
Trang 4MUC LUC
DANH MUC CAC KY HIBU, CHU VIET TAT oi.eeececccccessesssessessessessesstessesnteseessees 9 DANH MỤC CÁC HINH VE, DO THI .esescsssessessssessesseseressessessvesessasesvesersavenveneees 11 92710077 ÔỎ 17 CHUONG I CAM BIEN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETTS$) - 2222 +s2+EE+2EE2Excerxeerxree 21 L1 GIỚI THIỆU VI KHUẨN E.COLÍIL - - 2c s5s+EE+EE+EE+E£EEEEEEEEeEkeEeerkrkerxee 21 1.2 GIỚI THIỆU CẢM BIÉN SINH HỌC .2-©22¿©+z+22+zvvzxercrxerrrsee 22 L3 GIỚI THIỆU ỐNG NANO CARBON -/¿©22c22k2EEEEEEEEErkrrrkrerrvee 25
L3.1 Câu tạo của ống nano carbon ¿- + +¿++++Ex+Ex++Ek++EEttEkeerkrerxeerkeerkeee 25 I.3.2 Tính chất của ống nano carbon 2-2 ++2+E+2+EEE+EEESEEEEEEEEEEE2EEeerkrrkeee 28 13.3 Phương pháp chế tạo ống nano carbon -. -¿-©¿2+++22+++txxvzrxxrzrsreee 29
1.4 TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG TREN CO SG CAU TRUC MOS 6055500 aa.¬.5 ƠỎ 30 L5 TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG TREN CO SG ONG NANO CARBON (CNTFETS) .scssscsssesssesssesssesssesssesssvsssesssesssssssusssssssssssvsssssssssssusssesssestsssssessseessesssesssess 33
1.5.1 Cau tao va nguyén ly hoat d6ng ctia CNTFETS c.sscsssesssesssesssessseesseesseesseeesees 33 1.5.2 Cong nghé ché tao CNTFETS scssssssssesssesssesssesssesssesssesssesssesssesssesssesseesseessees 35 L5.2.1 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực công dưới . 35 1.5.2.2 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực công trên - 37
1.6 GIỚI THIỆU CHUNG VẺ ADN -. -¿-©+++22+++2EEeEEEEEEErrrkxrrrkrrrrkrree 38 L7 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÓ ĐỊNH ADN LÊN BỀ MẶT ONG NANO CARBON
90 9059.9.8:))2)8)))28:/90 ÔỎ 40
L.7.1 Phương pháp hấp phụ vật lý ¿ 2¿-©+2+2x2Ex+SEkSEESEEEEkerkrrrkrerreee 41
L7.2 Phương pháp liên kết cOng od tri esses cess eessesseesssesseesssesseesssesssesssesseesssessees 43
L8 CẢM BIẾN SINH HOC TREN CO SO CNTFETs PHAT HIEN LAI HOA
ADIN ` - i1 ÔỎ 46
Trang 5CHƯƠNG II NGHIÊN CỨU CONG NGHE BIEN TINH VA PHAN TAN ONG NANO CARBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIÉN SINH HOC VÀ CHÉ TẠO CNTFE-TS ¿6 tt t EEEEESEEEEEEEEESEEEEEEEEEEEEE111111211711111 111117 49
Iinnc(oni.i00 49
II.1.1 Các phương pháp biến tính CNTTs -.2¿-©22¿©2+22++2ES++EEE+etzxrerrxrrrex 49 II.1.2 Các phương pháp phân tán ống nanno carbon (CNTTS) -2- szs 51 II ⁄.v0)219001⁄.0551019)1€00:7 9 1 - ơƠỎ 53 II.2.1 Vật liệu hod Chat .c.cccccccsccsscsscssecscsscsscsssssssscsssesstssessesessusssssssesetsseesssasaneaveaveese 53 II2.2 Quy trình biến tinh va phan tan 6ng nano carbon ceeseecseesseecseesseecseesseessees 54 II2.2.1 Xây dựng hệ thiết bi phan ứng . 2-©22©2+++22++2Evxverxxrerxrrerrrcee 54 IL2.2.2 Phương pháp biến tính ống nano carbon (CNTT$) 2- s2 sz5cs+- 55 IL2.2.3 Phương pháp phân tán ống nano carbon trong đung dịch DME 56
IL2.3 Cố định ADN sử dụng ống nano carbon lên vi điện cực - - 56
II.2.3.1 Thông tin về cảm biễn -2¿- 2 ©22¿22E 2E SE 2E12221222122112211211211 211cc 57 II.2.3.2 Phương pháp cố định ADN đò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt cảm biến .57
IL.3 KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ©- 2 EEk‡SEE£EEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEkerkrrrkrrk 60 IL3.1 Phân tán ống nano carbon trong dung dịch DME . 2 52-5+- 60 1.3.1.1 Hình ảnh của CNTs phan tan trong dung dịch DME - - «+ 60
IL.3.1.2 Hình thái bề mặt của CNTs phân tán trong dung dịch DME 61
11.3.1.3 Phé hap thu UV-Vis ciia CNTs phan tán trong dung dịch DME 62
IL3.1.4 Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DME 62
IIL3.1.5 Phố hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DME 63
II3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân tán cia CNTs trong dung dich DMF % Ô.Ô.Ô Ô 63
IL3.2.1 Ảnh hưởng của thời gian rung siêu âm đến quá trình phân tán CNTs 65
IL3.2.2 Ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình phân tán CNTs 67
IL3.3 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bé mat éng nano carbon .69
Trang 6IL3.3.2 Đặc trưng có định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon 70
11.3.4 Dac trưng đáp ứng ra của cảm biến -2-©22¿©2++22x+2Ezxterxxrerxrrerrrcee 72 IL3.4.1 Thời gian đáp ứng của cảm biến . 2¿©22¿+c+2EESEEEEEEEkrrkrerkcee 12
IL3.4.2 Đặc trưng tín hiệu ra của cảm biẾn 2-22 22 22+ E2EEEtEEE2EEEeEEerrkrrri 73
IV 54»x008079) 077 - H ÔỎ 74 CHƯƠNG III NGHIEN CUU, THIET KE, CHE TAO TRANSISTOR HIEU UNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETT§) -. - 75 TIỊ.1 GIỚI THIỆU sức s65 10223651603638056 0816.036815 GGAS6 QURSG G18830.08S6 80058 guai 75 IIL2 THIẾT KẾ CNTFEE-TS 2£ ©+2+EESSEEtSEEEEEEEEE2EEEEE71227112712271127122212 222 e 76
II.2.1 Cấu tạo CNTEETs cực cổng 192” ố.ố.ố ố.ố.ẽ ẽ 76
III2.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETTS - 2-52 22£x22£E2Exezrxerrseee 71
IIL2.3 Thiết kế bản mạch in cho CNTFETs cực công dƯỚI 5S c5 << 80
111.3 CHE TAO CNTFETs CUC CONG DƯỚII - 2-5 seExeEEeE£EezEerxerxee 81 T.3.1 Vatli6u Hod Chat ccs cuca cue cna aun cue siete anciaatem acnaunate 81 IIL3.2 Qui trình chế tạo CNTFETs cực cổng dưới . 2- 52©cz2cxczcxcsrscee 81 IIL4 HAN DAY VA DONG GOD eescsssesssssssssssesssssssssessessssesssssssessscssscsscssssesecesecesess 93 THL.4.1 Ham dy o.cceccccccsseccssssssseesssscssssecssscssssessssssssscsssecsssssssseesssesssueessseesseceaseccssecessecs 93
TIL.4.2 Dong gi CNTFETS cute cong dui .ccscsecsssessssesssseesssesssscesscessecesseccssecessees 94
111.5 XAY DUNG HE DO VA PHUONG PHAP DO DAC TINH CNTFETs .95
TEL.5.1 HG 8 -.4."-.:'3 95
II.S.2 Phuong phap do dac tinh dién CNTFETS oo cecseeeeeeeeeseneeesseeeeeeenees 95
III6 KÉT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 22- 2£ 52+ £+EE+EEEEE£EESEEEEEEeEEerkerrerrk 96 III.6.1 Hình thái CNTIEETTS 2-2222 2EEEEEEEEEEEEEE221222211271127112711 2712221 96 IIL6.2 Tính chất tiếp xúc kim loại S/D-CNTTS .-2-©22222+2EvEEzvExzerxerrreree 97
II.6.3 Đường đặc tuyến ra Ip—Vps của CNTTFE TS c5 5255 + S+s<sssesseeess 99
Trang 7IIL6.7 Ảnh hưởng của chiều dài kênh đến các đặc trưng của CNTFE.Ts 107
III.7 KẾT LUẬN -2222¿£222222++2222YEE2222E1E222 E1 ri 108
CHUONG IV PHAT TRIEN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG ONG NANO CARBON (CNTFETs) DE PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUÂN E.COLI -52- 5+: 109 IV.I GIỚI THIỆU . -c¿222++tttEExxtrttrrkrtrrtrttrtrrrrtrrtrrrrrtrirrrrrrrrirrrrrriee 109
IV.2 VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP . -c ¿¿ 22222vvecverrrrrrrkeeerrrrrre 110
IV.2.1 Vật liệu hoá chất - c6 k+Sk+Ek+E+kEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEEELEEkrkkrrrek 110 IV.2.2 Thông tin về cảm biến 2-2 22¿2SE2EE22EEC2E127127112711211211211 21 re, 110
IV;2.3 Phương pháp thực nghiỆm :.ssss.i 6000556021011 6616 111111101866468568 15058 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 2-2¿©E£2E£2EE2EEt2EEtZEEtEEErrrxrrrkrrek 111 IV.2.4 Do dic trung nhay ctha cam Di6t ccscccssecssssessssecsssesssscesssccssecessecessecesseesses 114
IV.3 KET QUA VA THAO LUAN oivcessesscssessesssessessscssessessscssessessussuessecssesstessesseass 115
IV.3.1 Đặc trưng cố định ADN đò của vi khuẩn E.Coli lên éng nano carbon 115
IV.3.1.1 Ảnh hiển vi điện tử quét 2- 22-22 ©2E+2EE2EE22E2221221221232 222 zxeC 115
IV.3.1.2 Đặc trưng phổ hồng ngoại FTTR . - ¿2£ ©x22E22EE22EE+zxezrxesred 116 IV.3.1.3 Đặc trưng ảnh hiển vi huỳnh quang 2- 22 52+22+£Ez+£x+rxesrreees 118
IV.3.1.4 Đặc trưng phổ Raman - 2-2 ©++©++2EE++2EEE2EEEtSEExrrrxrerrxrerrree 119
IV.3.2 Đặc trưng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETS - 120 IV.3.2.1 Đặc trưng tín hiệu có 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 . :-c:=5¿ 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 CNTRFETS - 55 55s ><ss<ssess 124 IV.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biên sinh học/ONTEETSssexsseeseaeispietslDS0SEICGIGGIOEHGIOSIEEIGQSRSS08esa 126
Trang 8IV.3.3.3 Anh hurong ctia gid tri pH oo.cceceeccescessesseessessecssessesseessecsecsesssessecssessneseessense 129
IV.3.4 Độ 6n định của cảm biến sinh học CNTFETs - ccc << 5+ 130 IV.3.4.1 Ảnh hưởng của phủ màng BSA -2-©22¿2E2EE2EE2EEcrkrrkerred 130 IV.3.4.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ lai hố - ¿2-2 ©22s++22S£+£x+zxzxzzrserxez 131
IV.3.4.3 Thời gian sống của cảm biến sinh học CNTFETTs :+ 132
IV.3.4.4 Độ lặp lại của cảm biến sinh học CNTFETTS - 2 2 +22 133
IV.4 KẾT LUẬN .- 6c tt kE E21 EEEEEE2E1E711111271111111711112111111111 1121 crxE 134 KET LUẬN CHƯNG 2- 2 %SESEE£EEEEEEEEEEEEEEEE2E171E2111111.111 111111 xe 136 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CONG BO CUA LUAN ÁN 138
Trang 9DANH MUC CAC KY HIEU, CHU VIET TAT
TT Viết tắt Từ tiếng Anh đầy đủ Nghĩa tiếng Việt
YD CC: + Ww t3) = 10 II 12 13 14 l5 16 17 18 19 20 21 22, 23 24 ADN ARN APTS BSA CNTs CVD COOH CNTFETs DMF D EDC ELISA FET FM FE-SEM FTIR GTD HIV MWCNT MOS MOSFET NMP NHS Deoxyribonucleic acid Ribonucleic acid
Amino Propyl Triethoxy Silane Bovine serum albumin
Carbon nanotubes
Chemical vapour deposition Carboxyl
Field effect transistor based on carbon nanotube
Dimethylformamide Drain
1-ethyl-3-(3-dimethylaminopropyl) carbodiimide hydrochloride
Enzyme linked immuno sorbent
assay
Field effect transistor Fluorescence microscopy
Field Emision Scanning Electron Microscope
Fourier transform infrared spectroscopy
Gate
Glutaraldehyde
Human immunodeficiency virus Multi-walled carbon nanotube
Metal oxide semiconductor Metal oxide semiconductor field
effect transistor N-methylpyrrolidone N-hydroxysulfo-succinimide Axit nucleic Axit ribonucleic Chat APTS
Albumin huyét thanh bo
Ong nano carbon Lang dong hoa pha hoi Nhom chire cacboxylic Transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ông nano carbon Chat DMF Cuc mang Chất EDC Thử nghiệm hấp phụ miễn dịch gắn men Transistor hiệu ứng trường
Hiên vi huỳnh quang
Hiển vi điện tử quét phát
xạ trường
Phổ hồng ngoại biến đổi Fourler
Cực công
Chất GTD
Virus gây suy giảm miễn
dịch cho người
Ông nano carbon đa
tường
Kim loại ơxít bán dẫn Transistor hiệu ứng
trường cấu trúc kim loại
ơxít bán dẫn
Chất NMP
Trang 1025 26 27 28 29 30 31 32 33 34 ISFET PBS PCR QCM SWCNT SMCC TEM TOAB UV-Vis
Ion sensitive field effect transistor
Phosphate buffered saline Polymerase chain reaction Quartz crystal microbalance Source
Single-walled carbon nanotube Succinimidyl 4 - (N-
maleimidomethyl) cyclohexane-1- carboxylate
Transmission electron microscopy Tetra-n-octylammonium bromide
Ultraviolet-visible
Transistor hiệu trường nhạy ion Muôi đệm phôt phát
ứng
Phản ứng chuỗi polyme
Vi cân tỉnh thể thạch anh
Cực nguồn
Ông nano carbon đơn
tường
Chât SMCC
Hiển vi điện tử truyền
qua
Chất TOAB
Trang 11DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỊ THỊ
Hình 1.1 Ảnh chụp kính hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli zcsc+: 22
Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của cảm biến sinh học : z s 23
Hình 1.3 Cấu tạo của Ống nano carbon 2-©22©2+2+E+22EE2EEE2EEE2EEE2EEeerkrrrkree 26
Hình 1.4 Hình ảnh mơ phỏng ống nano carbon đơn tường và đa tường 26
Hinh 1.5 Vector chiral miêu tả cấu tạo của CN TS .- 22- 5+ xccx+rerxerresree 27 Hình 1.6 Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau được định nghĩa theo gia th Cans M g050550010005710125E00TH5NEDSHERREHHENISEESERIILHSRRTIVRRIIEDDSSGGEEBHESSSAEStSAa48t 27 Hinh 1.7 Ong nano carbon ban dan va kim 1oai ceccessseesseesseesseesseesseesseesseesseessees 28 Hinh 1.8 Téng hop CNTs bang phuong phap CVD co str dung cac hat xtic tac nano VỀN HH HH TH TT HT nh TH TH TT TH TT TH TH TH Tre 29
Hình 1.9 Sơ đồ cấu trúc của MOSFET cccccccccscrccrrvrerrrrrrrrrrrer 30
Hinh 1.10 M6 ta mạch điện tương đương của một MOSFET 31
Hình 1.11 Dac tuyén Ip - Vps cha MOSFET 0 cssscsssesssesssesssesssesssecsseessessseessessseees 33
Hinh 1.12 So dé cau tao ctta CNTFETS .cccccccssessessessesscssesssssessssscsesessteassassecseeneeees 34 Hình 1.13 Đường đặc tuyến truyền đạt Ip - Voscủa CNTFETs 5s 34
Hình 1.14 Hình ảnh hiển vi lực nguyên tử của CNTFETs cực cơng dưới 35 Hình 1.15 Đường đặc tuyến ra Ip - Vps của CNTRFETTS -< <<<<5 36
Hình 1.16 Cấu trúc CNTFETs cực công dưới z+ - 38 Hình 1.17 Cấu trúc CNTFETS cực cổng trên 2222 SS St ccrrem 39
Hình 1.18 Cau trúc và sự lai hóa của phân tử ADN -¿ -¿ cccccccz+ 39 Hình 1.19 Các đoạn ADN được hấp phụ trên bề mặt ống nano carbon 4I 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 2 sz+sz+zsz+rse+e 45
Hình 1.22 Phép đo độ dẫn theo điện áp cực công (GEN @s) isbtt6000030/231509468828989380023354Á 47
Trang 12Hình 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 đề biến tính CNTTs . -2¿- 522255: 54 Hình 2.5 Ảnh hệ thiết bị phản ứng biến tính CNTTs - 2:25 ©S+2£s2£xc2zz 54 Hình 2.6 Sơ đồ các bước biến tính CNTs bằng phương pháp ơxi hố 55
Hình 2.7 Quy trình phân tan CNTs trong dung dịch DME -s +55 «+<<++ 56
Hình 2.8 Vi cảm biến có cấu hình 10 #m x10 im . 222-252252522255z2c5sz2css 57
Hình 2.9 Có định ADN -CNTs lên vi điện CựC . ¿- 2s + t+£E£EE£EEeEzxerrerxers 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
Hình 2.12 Ảnh hiễn vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phan tan trong dung dich
DMF trước và sau khi biến tính - 2-5: St+Ex+EE+EE2EESEEEEEESEEEEEeEkrrxrrerrrrrree 61 Hình 2.13 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và
suu:'Khi biỂn 'Ínđnsssoassezosseosnasoisoiaoagtia36001301824500/3881014010980491483801350038048000080004g08Ẻ 62
Hình 2.14 Phổ tán xạ Raman của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau
khi biến tính . ¿¿++222221++2E21221.111 .1 1L rêu 63
Hình 2.15 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước và sau hi bien tht: suexe s66xá 1685606856 316858-0 6030 34818 085A GIGRS6 3 8S8 0803201836 su 64 Hình 2.16 Hình ảnh của CNTs đã biến tính phân tán trong dung dịch DME với các thời gian rung siêu âm khác nhau ; s :¿csy:2.2125556555050160516135155556311581451564188556.05808 65
Hình 2.17 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DME với các
thời gian rung siêu âm khác nhau ¿+ SE E*vE*EEeEeEeeEeEekrekseerkrrkrervre 66 Hình 2.18 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch DMF phủ trên đề silíc với thời gian rung siêu âm 2 2+22+c+z+zxz+rscee 67 Hình 2.19 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DME với giá trị pH khác naU G1 1n TH HT HT HT HT HH TH TT TT TT HT HT 67
Hinh 2.20 Phé hap thu UV-Vis cia CNTs phan tan trong dung dich DMF véi giá trị
EH khác:nh1::e::::zs+::zzzzxsi52221659500261000131618051755590572405GĐSEA0GGISSEHSSSISSVXSSSISSESSAS333720qsỹSageii 68
Trang 13Hinh 2.22 Anh FE -SEM va anh TEM ctia CNTs phan tan trong dung dịch có chứa
chudi ADN dé ctia vi khudn E.Coli cssssscsssssessssssssseesssnseeessneseeesnneceessnneeeesnness 70 Hình 2.23 Phổ FTIR của CNTs , chuỗi ADN don, CNTs duge cé dinh ADN do cia 8.0 0pPeU 0n 71 Hình 2.24 Đáp ứng của cảm biến, nồng độ ADN đò 10 M, nhiệt độ 300C 72 Hình 2.25 Đặc trưng lai hóa của chuỗi ADN đích của vi khuân E.Coli với nồng độ chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli 10 uM, tại nhiệt độ 30°C - 73
Hình 3.1 Cấu tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon cực công (HƯỔI by y0 Gà hEnG BI II GEN GISEEGIEETLSESGIXSBEIGLSEIISXLASEISRISISSESSECEEEEEIGEINSGG6110E588 T7 Hình 3.2 Hình dạng các mask được thiết kế chế tạo CNTFETs cực công dưới .78 Hình 3.3 Hình dạng phóng to các mask được thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng
UOT oeccecscscssssessssessssessssessssecsssecssecssssesssesssssstsssssssestsssssssssssuecssueesssecssseessuesssecesseeessess 78 Hình 3.4 Các thông số của CNTFETs cực cổng đưới . 2 -2cccz+cxs+cscee 79 Hình 3.5 Các thông số chiều dài kênh khác nhau của CNTFET 80
Hinh 3.6 Hinh cdc mask d& duoc ché ta0 ccccssessesssssessessssssessesseeseeseestsassessesseeseeaves 80
Hình 3.7 Mạch in thiết kế cho CNTFEETs cực công dưới -. -2- 25+: 81
Hình 3.8 Quy trình ché tao CNTFETs cure cOng du6i ccccscessssessssecssecsstessseeeaseeees 83
Hình 3.9 Sơ đồ cấu tạo hệ ôxi hóa nhiệt khô - 2 2£ 2+ ££E2£E£zE+z£xzzsz 85 Hình3.10 Lị ưxï hóa nhiệt Khổ :¿ s6c:6,-c66552 220021212 nữ tá há d6 tan na 85 Hình 3.11 Tạo nhóm OH lên bề mặt phiến 2 2©2++£+£+£+£+z+£xz+rxzee 86 Hình 3.12 Quá trình xử lý nhiệt bề mặt phiến 2¿¿©+¿+xz2zxz+zxzsrx 86 Hình 3.13 Cấu trúc phân tử APTS . ¿- 2+ +2+EE2EE2E1E2E11271127112711211 11c 87 Hình 3.14 Hệ quang khắc . - ¿+2 +++2EEtSEEtEEEEEEEEEEE11271271211271 1c cee 89 Hình 3.15 Phiến CNTFETSs cực công dưới chế tạo với cùng độ rộng kênh W = 700
um, độ dài kênh khác nhau 5, I0, IŠ Im .- 5 55 5+ S2 £+£veEeeEeeeeeeeeeeexre 92
Hình 3.16 Bản mạch in với cấu hình phù hợp linh kiện CNTFETs từ khâu thiết kế
đến cat:phitnidé dns VO src 93
Hình 3.17 Máy hàn day 7400C, Westbond Inc., USA 0.0 eceeeeeeseeeeeeeeeeeeteeeeeeeeene 93
Trang 14Hình 3.19 Hình ảnh hệ đo của máy HP 4155C để đo đặc trung Ip - Ves va Ip - Vos CUA CNTFETS cceceesceseeesceseeeeseceseesecaeceseesecseesaeeaecsesaeeaeeseeeeesecaeseaeeaeeaesneseaeeeeeeneeas 95
Hinh 3.20 So d6 phan curc cho CNTFETS scsssesssssessssessssecsssessssscssscesseccaseccssecessecs 96 Hinh 3.21 Man hinh giao dién để cài đặt các thơng số trong q trình đo đường đặc
trưng Ip -Vps và Ip -VQs «“"!ỈỊỊỊÌỊ ỊÍ n0 06360966 649 69040040640 00000 00040 00600601801806098989 89 80000001000000000004060000060608080068 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 I›-Vps của CNTFETs trong mién tuyén tinh 99
Hình 3.24 Đường đặc tuyến ra Ip-Vps của CNTFETS trong miền bão hồ 99
Hình 3.25 Đường đặc tuyến truyền đạt Ip -Vẹs của CNTEETs với Vọs từ 10 V đến -10 V bước 0.1 V, Vps từ -0.5 V đến -1.5 V bước -0.5 V cho cả 3 mẫu 100
Hình 3.26 Đặc tuyến truyền đạt Ip-Vos thang tuyến tính của CNTFETs_ 101
Hình 3.27 Đặc tuyến truyền đạt Ip -Vos thang lơgarit của CNTFETS 102
Hình 3.28 Đường đặc tuyến #m-VG@s tại Vps = - 0.5 V của CNTFETsS 103
Hình 3.29 Đặc tuyến gạ — Vps của CNTFETS 2+2 104 Hình 3.30 Hiện tượng trễ điện của CNTFETTS ¿2-52 +s+E££E£E££E+EerkeEerxeree 106 Hình 3.31 Các đặc trưng phụ thuộc chiều dài kênh của CNTFEE-Ts - 107
Hinh 4.1 Transistor hiệu ứng trường sử dụng mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn, có kích thước chiều dài kênh là 15 m, chiều rộng kênh 700 qm 111
Hinh 4.2 Cé định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon của CN TT E Ti s06 101 106116005111130510011581111G18535115050511558154111505E1113585191154833511535015858 113 Hình 4.3 Sơ đồ mô tả chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli hấp phụ lên bề mặt ống nanO CarON c2 2220200020020 20210201 212010211 121K v cv cv ru 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 q trình đo đường đặc tính điện:Ip -V&s của cảm biệnCNTREETS:::issscccisriii1606111011160144016013 1816117014855 04 166 115 Hình 4.6 Ảnh hiễn vi điện tử quét FE - SEM của CNTs và ADN /CNTS 116
Trang 15Hinh 4.9 Phé Raman ống nano carbon được cố định ADN và éng nano carbon
không được cố định AIDN 22-©222+E+2EE+EEE2EEE271E271127112711271E271 711tr 119
Hình 4.10 Đặc tuyến truyền dat Ip -Ves chia cam biến CNTFETs trước và sau khi cố
ii 0200) WmIÝÝÝÝÉỒŨŨÚ 121
Hình 4.11 Đặc tuyến truyền đạt Ip-Vos của cảm biến CNTFETS trước và sau khi lai 080.19) 10 122 Hình 4.12 Đặc tuyến truyền đạt Ip -Vœs 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
[s0 ¡8 0 0 1 7 122
Hình 4.13 Đáp ứng của cảm biến CNTFETs với nồng độ ADN đích khác nhau, nơng độ ADN dị của vi khuẩn E.Coli là 10 uM, nhiệt độ 30°C . 123
Hình 4.14 Đặc tuyến truyền dat Ip -Vgs của cảm biến CNTEETs khi lai hóa ADN của vi khuân E.Coli ở các nồng độ khác nhau 2¿ 2-22 sz2>x++cxz+cse2 125
Hình 4.15 Ảnh hưởng của nồng độ ADN đò của vi khuẩn E.Coli đối với tín hiệu ra
của cảm biến sinh học CNTFETS 2¿- 2 ScSESEE‡EEEEESEESEEEEEEEEEEEEEEESEkrErrrrrrrrx 127
Hình 4.16 Ảnh hưởng của thời gian cố định ADN dò của vi khuân E.Coli đến tín
hiệu ra của cảm biến sinh học CNTTFE;TS - 2 2 ¿+ £+E+£E££E+EEeEErEeerxee 128
Hình 4.17 Ảnh hưởng của giá trị pH đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFEE-T 2-2: £ + E+SSEEEEEEEEEEEEEE19711211211711211111111111111111111111 11111 crXE 129
Hình 4.18 Ảnh hưởng của màng BSA đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học
CNTEET§.s: si: 17015 cies, ater aii cee aie AA Aue AIA ain IE 130
Hình 4.19 Ảnh hưởng của nhiệt độ lai hố tới tín hiệu ra của cảm biến sinh học ®)05)530 131 Hình 4.20 Đặc trưng Ip-Vos của cảm biến sinh học CNTFETs thay đổi theo thời gian, ADN dò = 10 uM, ADN dich = 1 pM, T= 30°C veececceessessstesstesseessessesseeesees 133
Trang 16DANH MUC CAC BANG BIEU
Bang 2.1 Trình tự ADN đặc hiệu của vi khuẩn E.Coli sử dụng trong luận án 33 Bảng 3.1 Các thông số của CNTFETs cực cổng đưới . 2-©22+cse+cxsrscee 79
Bảng 3.2 Tóm tắt quy trình xử lý bề mặtt 2¿©2+xc+EE2EEeEEerkrrrkrerrree 84
Bảng 3.3 Các thông số của q trình ơxi hóa khô 2 2 ++2sz2cxz+cs+ 85 Bang 3.4 Các thông số quang khắc - - ¿+ + + cS 2222222222211 1 1111 sư, 89 Bảng 3.5 Các thông số của quá trình phún xạ CT -. 2222©+++c++2czxezcss 90 Bảng 3.6 Các thơng số của q trình phún xạ Pt . 2¿©25¿©2+2©2+2zxczxezrs 90
Bảng 3.7 Thơng số ủ phiến -22©22222222EE22EE22712271127112712271221122712 1e xe 91
Bảng 3.8 Các thông số của quá trình bốc bay nhôm . -.2-¿- + c++5c++ 92
Bảng 3.9 Các thơng số hàn dâyy 2¿22¿©2+22E2EE2EESEE2212221221211 21122 xe 94
Bảng 3.10 Điện áp ngưỡng của các CNTFETS 5à 555cc ssexserrerrrrerree 102 Bang 3.11 Gia tri dòng điện mở, dòng điện dò, tỷ số dòng điện bật - tắt của các
CNTTREETS:zxzscssxsi56666610600600138 10090 8001040035080G048/38/SBISiSEfA S04 83 sie oi Xã Us ta wa 0h ae 0a wa IS 103
Trang 17MO DAU
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 tinh (SARS),
cúm A/H:N¡, 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 va 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 chuyên hóa các cơ chất khơng
màu thành có màu, sau đó, máy quang phơ 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 thê 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 đảo
tạo chuyên nghiệp và xét nghiệm phải được thực hiện tại các phịng thí nghiệm chân đoán đạt tiêu chuẩn an tồn sinh học, khơng kiểm tra được ngoàải 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
Trang 18phan cảm nhan sinh hoc (Biological sensing element/ Bio-receptor) va b6 chuyén đổi tín hiệu (Transducer) [75] Cac phan tir sinh hoc cé thể là các enzyme, ADN, kháng nguyên- kháng thể Bộ chuyên 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 thi 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 hoc dé phát hiện vi khuẩn gây bệnh trong mơi 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” [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" chi trong vòng 60 phút [115] Ngồi ra cịn 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 Ipg.uL" [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 cơng trình nghiên cứu của nhóm Biosensor tại Viện TIIMS 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
HN, [6], phát hiện biến đổi gen của đậu tương [101], cảm biến miễn dịch để phát
hiện vi rút viêm não Nhật Bản [7] Đề 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
Trang 19cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon Nội dung nghiên cứu được chia thành ba phan: (1) nghiên cứu cơng nghệ biến tính và phân tán ống nano carbon định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học và trong chế tạo CNTFETs; (2) nghiên cứu, thiết kế, chế tao transistor hiéu 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 dé 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 té Trung ương và một số cơ sở khác có liên quan Thành
cơng 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 biển sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường Ống nano carbon (CNTFETs)
Chương | trinh bay téng quan nhimg kién thức cơ bản liên quan đến cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon như: cấu tạo, nguyên lý hoạt động, công nghệ chế tạo của transistor hiệu ứng trường ống nano carbon, các phương pháp cố định ADN lên bề mặt ống nano carbon Một số khái niệm cơ bản cũng được đề cập như: vật liệu ống nano carbon, vi khuẩn E.Coli, các khái niệm về ADN Chương này cũng trình bày cơ chế phát hiện lai hoá ADN của cảm biến sinh học trên cơ sở CNTFETTs 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 CNTFETš
Chương 2 trình bày cơng nghệ biến tính ống nano carbon và những kết quả nghiên cứu phân tán éng nano carbon trong dung dich Dimethylformamide (DME) 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: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở
Trang 20Chương 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 ym, 15 am cùng
chiều rộng 700 pum 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 cảm 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 én định và khả năng tái sử dụng cảm biến cũng đã được nghiên cứu
Trang 21CHUONG I
CAM BIEN SINH HQC TREN CO SO TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG ONG 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 nỗi 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 KHUAN 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, cịn tìm thấy ở nhiều niêm mạc khác nữa Từ ruột, E.coli theo phân ra đất, nước E.coli là một hình que thang, hai đầu trịn, kích thước dài ngắn khác nhau từ 2 m đến 3 tim, đường kính cắt ngang rong 0.5 um 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 địch 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
Trang 22
Hinh 1.1 Anh chup kinh hiển vi điện tử vi khuẩn E.coli
[ E.coli, Vién dich té trung ương ]
Một số phương pháp chân đốn trong phịng 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
phịng 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 khuân
E.Coli cũng rất cần thiết
I2 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 thơng 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, khang thé [6] Phần tử chuyền đổi có khả năng chuyền tín hiệu không điện từ các tương tác sinh hố 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 chuyên đồi (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
Trang 23được 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 khơng có đối tượng phân tích phù hợp với thành phần cảm
nhận sinh học thì khơng 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] Phản ứng Emzyme ) Maun Ab | Tín hiệu \ ị Phản ứng miền dịch # SS ADN TTT TT
Lai hoa ADN
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
Trang 24phương pháp liên kết khơng cộng hố trị, tính chất điện của CNTFETs sau đó được đặc trưng bởi dịng điện chạy ở cực nguồn và cực máng của cảm biến Nhóm của Star đã sử dụng CNTEETs 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 IM
[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 dé phat 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 cơng trình có giá trị Các cơng trình của các nhóm nay 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 s6 “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 cịn 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
Trang 25cứu về cảm biến sinh học dựa trên các vật liệu ban dan (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 CNTFETSs để phát hiện lai hoá ADN của vị 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
1.3 GIỚI THIỆU ÓNG 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,
hố Nhưng chúng đều có một điểm giống nhau là đều được cấu tạo chỉ từ một nguyên tố duy nhất, đó là ngun tơ 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 va b6 nho
[43, 111, 120], trong các thiết bi cơ điện tử [65], chế tạo các đầu do 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 Iow/Tory lớn
1.3.1 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 Óng nano carbon là một dạng thù hình của carbon, có dạng hình trụ trịn, có kết tỉnh gần như một chiều được phát
hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Iijima [59]
Ong nano carbon (CNT§s) 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
Trang 26
w
Hình 1.3 Cấu tao ciia 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 da tuong (Mullti wall Carbon nanotubes - MWCNTSs) (hinh 1.4)
(a) (b)
Hình 1.4 a) Hình ảnh mơ phỏng Ống nano carbon đơn tường; b) da 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 ¡+ Ta ,= (m,n) D6 xoan của ống được đặc trưng bằng góc xoắn 9, là góc hợp bởi véc tơ R và a, (hinh 1.5)
Trang 27
Hinh 1.5 Vector chiral miéu ta cdu tao ctia CNTs [143]
Có thê phân loại ống nano carbon theo kiểu cấu trúc ghế bành (armchair) khi n =m, 6 = 30” hoặc (zigzag): khi m = 0 hoặc n = 0, ð = 0 cấu trúc hình chữ chỉ (zigzag); hoặc n # m, 0< 8 < 300 cấu trúc khác (chiral) Hai tham số chính, đường kính đ của ống với góc 9 có mối quan hệ với (m, n) qua công thức:
d= (43 )(@._.n + mm +im) <0.07§83JnÌ + mm + me
a= arctan| (3m /“m+ 3m] (1.1)
Trong đó a, (= 0,142 nm) là giá trị chiều dài cạnh hình lục giác của ô đơn vị trên đải graphit (hay là khoảng cách giữa hai nguyên tử carbon gần nhất) (hình 1.6)
[46]
6 = 30, Arm-chair ees
SN TÊN 6 =0, Zig-zag “ (m, n) = (9.0) Fullerene end caps
0 <8 < 30, Chiral là (m n)= (10.5)
Hình 1.6 Cấu trúc của các dạng ống nano cacbon khác nhau được định nghĩa theo giá trị của n, m [49]
Trang 281.3.2 Tinh chat cia ống nano carbon
Các tính chất của éng nanno carbon (CNTs): Kha nang phan tmg hoa hoc: Ong
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 œ 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 cảng 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 Vi vay, van dé 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 Tuy 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 vng 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]
Kim loai
Hinh 1.7 Ong nano carbon ban dan va kim loai [49]
Trang 29Ngồi ra, CNTs có trọng lượng riêng nhỏ hơn 6 lần so với thép nhưng lại bền
hơn thép khoảng 100 lần, có tính đàn hồi tốt, có thể chịu được nhiệt độ cao (~
2800°C trong chân không và ~ 750°C trong khơng khí), độ dẫn nhiệt cao ~ 6000
W/mK ở nhiệt độ phòng Các ống nano carbon có diện tích bề mặt lớn (250 m”/g),
có khả năng phát xạ điện tử ở điện trường thấp (V/um) ứng với mật độ dịng trong ống có thể lớn hơn 107A/cm” [66] Do những tính đặc biệt như vậy nên chúng được tập trung nghiên cứu nhằm tạo ra các linh kiện điện tử, các chip vi xử lý có độ tích hợp cao, các bộ nhớ dung lượng lớn Bên cạnh đó chúng cũng được dùng làm nguồn phát xạ điện tử cho màn hình phẳng, các đầu đò nano như mũi nhọn ở hiển vi quét đầu dò (SPM) [45], các loại vật liệu nano composite siêu bền, các bộ tích trữ năng lượng cao hay các thiết bị có kích thước nano v.v [113]
I.3.3 Phương pháp chế tạo ống nano carbon
Có nhiều phương pháp khác nhau đề 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 đề 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 phâm cuối cùng được tạo ra là một lớp màng phủ cứng và
chịu mài mịn có liên kết rất mạnh với vật liệu nền
Trang 30L4 TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG TREN CO SO CAU TRÚC MOS (MOSFET)
MOSFET (Metal oxide semiconductor field effect transistor) 1a transistor hiệu ứng trường có cấu trúc kim loại - ơxít - bán dẫn Các transistor này hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn của kênh dẫn từ cực nguồn sang cực máng dọc theo bề mặt để silíc và được điều khiển bằng điện áp đặt vào cực công (điều khiển bằng hiệu ứng trường) Hiệu ứng trường của MOSFET được phát hiện vào đầu những
năm 1930 Cho đến năm 1960 thì linh kiện này được sử dụng rộng rãi nhưng cũng
phải mất ít nhất 5 năm đề tìm ra được độ dẫn bề mặt của MOSFET phụ thuộc vào các điện tích định xứ trong lớp SiO; và những trạng thái bề mặt của phân biên
Si/SiO, [104]
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 1a loai transistor hiéu ứng trường dựa trên việc cải tiến của MOSFET
Hình 1.9 mô tả cấu trúc của một MOSFET kênh n
Cực công
Cực nguồn Cực máng
P-Silic
I
Hình 1.9 So dé edu trite ctia MOSFET [105]
Cấu trúc bao gồm một để silíc loại p, người ta pha tạp chất bằng phương pháp công nghệ đặc biệt (khuếch tán hoặc cấy ion) dé tạo ra 2 vùng bán dẫn loại n” va hai điện cực là cực máng (D) và cực nguồn (S) Hai vùng này được nối thông với nhau nhờ I kênh dẫn điện loại n Phía trên kênh dẫn người ta tạo điện cực thứ 3 là cực
Trang 31Trong sơ đồ phân cực của MOSFET (hình 1.10) Vọs là điện áp giữa cực công và cực nguồn, Vps là điện áp giữa cực máng và cực nguồn, Ip là đòng máng và là dịng qua kênh dẫn Thơng thường cực nguồn và đề S¡ được nối dat
Hinh 1.10 M6 ta mach điện tương đương của một MOSFET [105]
Khi đặt điện áp Vọs > 0 lên cực cổng, lúc đầu các lỗ trống trong phiến đề silíc loại p sẽ bị đây xa khỏi bề mặt ngay dưới cực cổng, tạo thành vùng nghẻo hạt tải Điện áp Vọs càng tăng thì chiều rộng vùng nghèo càng lớn
Nếu Vss đủ lớn (lớn hơn điện áp ngưỡng Vạ) 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 cuc mang (D)
Đối với bán dẫn có để silíc loại n, điện ap Ves có dau ngược so với trong trường hợp bán dẫn có để silíc loại p để tạo ra hiện tượng như trên
Điện áp ngưỡng được xác định qua công thức [118]:
OQ, Qi +Q,
C ox Cc ox
V, =(®,, -—®,)+ +20, (1.2)
Trong d6:®,,,®, : Cơng thốt của kim loại và bán dẫn oO, : Thế Fecmi
QO, : Điện tích vùng nghéo cua silic
OQ, : Mật độ trạng thái trên bề mặt silic Q, : Điện tích trong lớp 6xit SiO,
Trang 32Rõ ràng, khi khơng có điện áp đặt trên cực cổng của MOSFET kénh n thi khơng có dịng 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 công, 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 Vọs > Vr: Nếu Vps < Vọs - Vạ 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 Vps tại cực máng Vùng này gọi là vùng tuyến tính Dòng Ip phụ thuộc vào Vps theo công thức:
WC,
Ly = by Wes Ve Vos (1.3)
Với C‹x là điện dung lớp ơxít
'V+ là điện áp ngưỡng
¿„ là độ linh động trung bình của điện tử trong kênh
W 1a bé rộng kênh dẫn
L là độ dài kênh dẫn
Néu Vps = Vos - Vr thi sut thé tai cực máng chính là Vos - V+ nên kênh bắt đầu
biên mât tại D Độ dày lớp đảo ở tiêp xúc cực máng giảm xuông 0 Đây gọi là diém teo kênh (pinch-off) Từ điểm này trở đi, dịng Ip ln không đổi mặc dù Vps tăng Vùng này gọi là vùng bão hoà, tại đây Ip không phụ thuộc vào Vụ; :
1 Wwe
Ty = 5 bn Wes Voy (1.4)
Các biêu thức về dòng máng Ip sẽ được thê hiện rõ hơn qua đặc trưng Ip - Vps của MOSFET trong hinh 1.11
Vùng bên trái của đồ thị là vùng tuyén tinh, dong Ip phu thudc vao Vps theo
biểu thức (1.3), còn vùng bên phải của đồ thị là vùng bão hịa, dịng Ip khơng còn
Trang 33Vùng
tuyên Vùng bão hòa
[vs Vos < Vr =Vps
Hinh 1.11 Dac tuyén Ip — Vps ctia MOSFET [105]
1.5 TRANSISTOR HIEU UNG TRUONG TREN CO SO ONG NANO
CARBON (CNTFETs)
1.5.1 Cau tao va nguyén ly hoat déng của CNTEETs
Transistor hiệu trường trên cơ sở ống nano carbon lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1998 bởi Sftans và các cộng sự dựa trên cấu trúc của MOSEET [120] Những linh kiện này được chế tạo bằng phương pháp cat laze dé làm lắng đọng các ống nano-carbon đơn tường (single-wall) ở dạng lỏng lên trên lớp silíc đã bị ơxi 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 công (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 CNTFETSs được mơ tả ở hình 1.12
Như vậy, về cấu tạo CNTFETs rất giỗng MOSFET đều gồm có 3 cực: cực
nguồn, cực máng và cực công 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 Cịn 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
Trang 34MWNT hoặc SWNT % Porn] fiona Sỉ (Cực công) (a) (b)
Hình 1.12 a) Sơ đơ cấu tạo cúa CNTEETS; 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 Vọs = 0 V trong kênh dẫn đã xuất hiện một dòng điện tử nối giữa
cực nguồn và cực máng, trong mạch ngồi có dòng điện cuc mang Ip rất nhỏ
Khi đặt lên cực cổng một điện áp, nó làm thay đổi trường điện từ và xuyên qua lớp cách dién SiO, lam cho mat độ hạt dan linh dong trong CNTs ban dan bi thay
đổi Hệ qua 1a d6 dan dién cia CNTFETs bi thay d6i CNTFETs 6 trang thai dong
voi dién 4p Ves > 0 V, do đó khi Vos dương tăng làm giảm dòng điện cực máng Ip CNTFETs 6 trang thai mo voi dién 4p Ves < 0 V, do đó khi tăng Vos âm làm tăng dòng điện cực máng Ip I(nA) I(nA) bast S41 -200 -100 0 100 200 Vey (mV)
Hinh 1.13 a) Duong dac tuyén ra (Ip - Vsp) voi Ves = -6, 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 V; b) Đường
đặc tuyến truyền đạt (Ip— Vos) của CNTFETS,Vsp = 10 -100 mỸ bước 10 mV [111]
Trong hình 1.13a chỉ ra đường đặc tuyến ra Ip— Vsp của CNTFETs sử dụng ống
Trang 35nano carbon đơn tường có đường kính 1.6 nm với các giá trị điện áp cực cổng đặt vào khác nhau Khi điện áp Vọs = 0 V đường Ip — Vạp tuyến tính với điện trở R=
2.0 MO Ở điện áp Vọs < 0 V các đường Ip — Vạp vẫn cịn tuyến tính, cho đến khi
chúng càng ngày trở lên phi tuyến ở điện áp Vọs > 0 V Hình 1.13b chỉ ra đuờng đặc tuyến truyền dat Ip — Vas cua CNTFET v6i các giá trị điện áp Vsp khác nhau Kết quả đạt được của đường đặc tuyến truyền đạt tương tự như đường đặc tuyến truyền đạt của MOSFET [118] Dong dién Ip 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 CNTEETS
Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon có hai loại: CNTFETs cực công
dưới và CNTFETs cực cổng trên
1.5.2.1 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực cỗng dưới
Transistor hiệu ứng trường đầu tiên được xây dựng từ ống nano carbon là kiểu cực công 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 công 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
a
SO; Pt SiO»
Hình 1.14 a) Hinh anh hién vi lực nguyên tử của CNTFETS; b) Sơ đồ cấu tạo của CNTFETs cực cổng dưới [120]
CNTFEETs được đề cập ở trên có điện trở tiếp xúc cao 1 M©), kéo theo độ hỗ dẫn gạ (= dl⁄dVo) thấp, vào khoảng 107 A/V Để làm giảm điện trở tiếp xúc và
nâng cao đặc tính điện của các CNTFETs, Martel da dua ra m6t dang CNTFETs cực công đưới khác Trong đó SWCNTs bán dẫn được phân tán trên lớp màng SiO,
Trang 36
cua phién silfc, sau d6 cdc điện cực nguồn và cực máng làm từ những kim loại tương thích với cơng nghệ silíc, như T¡ hoặc Co, được đặt lên trên SWCNTs [110, 112] Công đoạn tiếp theo là quá trình ủ nhiệt độ ở 400 °C (Co) hoac 820 °C (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 dưới loại P với tiếp xúc kim loại Co hoac TiC
T T T T T
= = © Cobalt
R meet Te 150 nm Thermal Oxide € ov, = -20V
mark ~
- Peal eee eee
< L= 1030 nm + AMY gs 3 d=140m F Sere” ư -$ ms PP “ 0 - Av see PRI
0.5 FOO pope ea AV om,
Ips
(uA)
Hinh 1.15 a) Duong dac tuyến ra (Tp - Vps) của CNTFETs loại P với tiếp xúc kim loại Co Hình chèn bên trong là sơ đỗ cầu tạo của linh kiện; b) Đường đặc tuyến truyền đạt
(Ip - Ves) cua CNTFETs loai P voi tiép xuc kim loai Co va TiC [110, 112]
Nhu vay, cac CNTFETs moi nay đã cải thiện dang kể về điện trở và độ hỗ dẫn Cụ thể, linh kiện với tiếp xúc Co có điện trở tiếp xúc khoảng 30 kO và độ hỗ dẫn khoảng 3.4 x 107 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 công rất mong (~ 2-5 nm) và khả năng mở thơng CNTFETs độc lập (hình 1.16) [9] Những
Trang 37CNTFETs nay hoat déng véi dién ap diéu khién cue céng thap va co kha nang
chuyên 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 đưới 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 cơng dưới được lựa chọn làm bộ chuyển đổi trong cảm biến sinh học
1.5.2.2 Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon cực công trên
Các CNTFETs được đề cập ở trên sử dụng cực đề dẫn điện làm cực cơng 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 công 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 công trên vào năm 2003 (hình 1.17) [146] Đầu tiên, ống nano carbon được phân tán đều trên lớp SiO; với độ day 15 nm va lớp
silíc được pha tap manh P** Sau đó phiến được dem di dé tạo hình linh kiện bằng
cơng nghệ quang khắc phún xạ Ti tao điện cực nguồn và cực máng Bước cuối cùng tạo cực công được đặt trên ống nano carbon và cách điện với hai cực nguồn, cực máng
Trang 38lạ iA) Ơxít cực cơng (a) (b)
Hinh 1.17 a) So do cdu tric ciia CNTFETs cực cổng trên với độ day tox = 15 nm;
b) Đường đặc tuyến ra Ip -Vps đo ở nhiệt độ phòng với hình chèn bên trong là đường đặc
tuyến truyền dat Ip - Ves [106]
CNTFETs trong hình 1.17b có chế độ đóng và chế độ bão hòa hoạt động rất tốt
với điện áp đặt vào cực cổng ~ 1 V Độ hỗ dẫn cực đại là 3.25 uS, một giá trị cực kỳ cao đối với một CNTFETs nếu như đem so sánh với các CNTEETS cực công dưới
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 CNTFETSs với cực công 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 dịng điện ra rất lớn Tuy nhiên, với cấu hình này cơng 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 thé gan trực tiếp các đối tượng sinh học lên đó Vì vậy, khơng thích hợp cho ứng dụng nhạy sinh học
1.6 GIOI THIEU CHUNG VỀ ADN
Axit nucleic gom hai loai la deoxyribonucleic (ADN) va ribonucleic (RNA) 1a
những đại phân tử mang thông tin di truyền của tổ chức sống [2] Đơn vị cấu tạo cơ bản của phân tử ADN 1a cac nucleotide Méi nucleotide bao gém ba thanh phan:
mét géc axit phétphoric (H3PO,), một phân tử đường 5° Deoxyriboza (C;H¡gO¿) và
Trang 39phốt phát, đường Deoxyribose và các bazơ (A, C, G hoặc T) Hai mạch đơn cùng
liên kết bố sung với nhau nhờ các liên kết hyđrơ 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)
z 0 x ) z 0
Đường kính vịng xoăn là 20 A, chiêu dài môi vòng xoăn là 34A, các bazơ cách
nhau trung bình 3,4A 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 cau 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 mơ 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 T„ [93]
Cơng thức tính T„ ở điều kiện chuẩn:
Tm = 69,3 + 0,41(G +C) (1.5)
ae » Lién két hydro #
"do
aS BD
pone we
Hình 1.18 Cấu tric va su lai hóa của phân tử ADN [46]
Trang 40một 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 T„, sự bắt cặp trở lại sẽ không xây ra nếu nhiệt độ phản ứng hạ xuống đột ngột, lúc đó phân tử ADN sẽ tổn tại
trong môi trường ở dạng mạch đơn dưới một cấu hình khơng 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 xây ra quá trình hồi tính trong đó soi 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, hố, vì thế quá trình tách triết thường được thực hiện tại các phịng 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 nueleic [2]
L7 CÁC PHƯƠNG PHÁP CÓ ĐỊNH ADN LÊN BÈẺ MẶT ONG NANO CARBON CHO CẢM BIÉN 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 trị hết sức quan trọng trong nghiên cứu