DSpace at VNU: Nghiên cứu, chế tạo và ứng dụng cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc Nano silicon

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO NGUYỄN VĂN QUỐC NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO VÀ ỨNG DỤNG CẢM BIẾN SINH HỌC DỰA TRÊN CẤU TRÚC NANO SILICON LUẬN VĂN THẠC SĨ Thành phố Hồ Chí Minh - 2010 MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA i LỜI CẢM ƠN ii LỜI CAM ĐOAN iii MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ vii MỞ ĐẦU viii CHƢƠNG I TỒNG QUAN I Lịch sử phát triển Cảm biến sinh học (biosensor) II Cảm biến sinh học dựa cấu trúc sợi nano (nanowire based biosensors) CHƢƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON I Qui trình Deposition and Etching under Angle (DEA) để chế tạo sợi nano silicon II Các kĩ thuật sử dụng qui trình DEA 12 II.1 Công nghệ quang khắc 12 II.2 Cơng nghệ ăn mòn thẳng đứng 17 II.3 Kỹ thuật tạo màng mỏng kim loại dị hƣớng 18 III.4 Kỹ thuật ăn mòn dị hƣớng màng kim loại 22 CHƢƠNG III CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON BẰNG PHƢƠNG PHÁP DEA VÀ KẾT QỦA CHẾ TẠO 24 I Chế tạo sợi Qui trình DEA 24 II Kết chế tạo 27 II.1 Kích thƣớc tính chất bề mặt 27 II.2 Tính chất điện 28 CHƢƠNG IV KHẢO SÁT KHẢ NĂNG PHÁT HIỆN DNA CỦA CẢM BIẾN 30 I Biến đổi bề mặt sợi Si-NWs 30 I.1 Tạo đồng bề mặt sợi có lớp SiO2 30 I.2 Tạo đồng bề mặt sợi Si khơng có SiO 35 II Định lƣợng DNA cảm biến sinh học Si- NWs 40 PHẦN MỞ ĐẦU Phát định lƣợng nhanh phần tử sinh học nhƣ glucose, protein, ADN… nồng độ siêu nhỏ yêu cầu vô quan trọng nhiều lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng ngành sinh học, y tế, dƣợc phẩm nơng nghiệp… Ví dụ thơng qua việc phát protein đặc trƣng (protein markers), ADN đột biến (gen mutation), kháng nguyên kháng thể (antibodies, antigents), glucose… bệnh phẩm, cho phép chẩn đoán nhanh, xác nhiều bệnh nguy hiểm nhƣ ung thƣ, lây nhiễm virus, sản phẩm đột biến gen, tiểu đƣờng… Những thành tựu đột phá lĩnh vực sinh học phân tử y sinh gần xác định đƣợc 140 chất đánh dấu sinh học (biological markers) nhƣ vậy, mở khả hoàn toàn cho nghiên cứu ứng dụng ngành khoa học liên quan nhƣ sinh học, y học, dƣợc phẩm, nơng nghiệp… Có nhiều kĩ thuật phƣơng pháp đƣợc sử dụng để phân tích định lƣợng phần tử sinh học nhƣ kĩ thuật ELISA, Polymer Chain Reaction (PCR), Surface Plosmon Resonance (SPR), cộng hƣởng từ, phân tích hóa học… Tuy thế, chƣa có phƣơng pháp phƣơng pháp truyền thống có đầy đủ khả cho phép phát nhanh, xác, đồng thời phân tử sinh học nói Do việc nghiên cứu, chế tạo hệ cảm biến có khả nhƣ đƣợc đặc biệt quan tâm đầu tƣ nghiên cứu Và khả đặc biệt quan trọng thiết bị phân tích cần đƣợc nghiên cứu, nâng cao độ nhạy Ví dụ việc phát nhanh chất đánh dấu sinh học nói nồng độ siêu nhỏ (trong khoảng nM-fM), cho phép chẩn đoán đƣợc bệnh thời gian tiền nhiễm bệnh Trong thời gian này, phƣơng pháp y học (cả truyền thống đại) phát huy hiệu việc chữa trị, chí với bệnh hiểm nghèo nhƣ ung thƣ Gần đây, nghiên cứu nhà y học Anh cho thấy, bệnh ung thƣ tuyến tiền liệt đƣợc phát giai đoạn sơ khởi (tiền nhiễm bệnh), bệnh nhân không cần dùng đến phƣơng pháp can thiệp y học đại (tốn kém, nhiều ảnh hƣởng phụ) Trong trƣờng hợp này, bệnh nhân cần uống nhiều nƣớc, ăn nhiều rau quả, tránh căng thẳng (tress), bệnh gần nhƣ khơng phát triển chí khỏi hẳn Cảm biến sinh học sở sợi nano silicon (Silicon nanowire biosensors): Sợi nano đƣợc định nghĩa vật liệu dạng sợi với đƣờng kính sợi khoảng 1-100 nm Nhƣ thế, phải bó triệu sợi nano lại với để có vật thể có kích thƣớc ngang sợi tóc ngƣời với đƣờng kính trung bình 100 micron Khi dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi nằm bề mặt, dẫn đến tính chất sợi, đặc biệt điện trở sợi, nhạy với thay đổi mơi trƣờng bên ngồi Tính chất làm sợi nano trở thành vật liệu lí tƣởng để chế tạo cảm biến sinh học hệ - cảm biến sinh học sợi nano - với khả hồn tồn mà linh kiện truyền thống khơng có đƣợc Do đó, việc nghiên cứu qui trình cơng nghệ, chế tạo cảm biến sợi Si-NWs ứng dụng cảm biến loại vào phân tích sinh học đƣợc quan tâm đặc biệt, đƣợc tiến hành nhóm nghiên cứu thuộc Đại học hàng đầu giới nƣớc Mục tiêu luận văn Thạc sĩ là: “Nghiên cứu, chế tạo ứng dụng cảm biến sinh học dựa cấu trúc nano silicon” Đề tài đƣợc thực hiện, sử dụng thiết bị chế tạo đo đạc Phòng thí Nghiệm Cơng Nghệ Nano, ĐHQG Tp.HCM Nội dung nghiên cứu đƣợc trình bày phần sau: Chương – Tổng quan - Giới thiệu sơ lƣợc cảm biến sinh học - Giới thiệu cảm biến sinh học Chương – Qui trình DEA kĩ thuật dùng để chế tạo sợi nano silicon - Qui trình chế tạo deposition and etching under angle (DEA) - Các kĩ thuật công nghệ DEA để chế tạo sợi nano silicon Chương – Chế tạo sợi nano phương pháp DEA kết chế tạo - Chi tiết bƣớc chế tạo sợi nano silicon phƣơng pháp DEA - Kêt chế tạo Chương – Khảo sát khả phát DNA cảm biến - Biến đổi bề mặt sợi silicon thích hợp cho việc gắn thụ thể - Đo đạc, phát DNA bắp chuyển gen Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng việt Hồ Huỳnh Thùy Dƣơng, (2002) Sinh học phân tử Nhà xuất giáo dục, trang 24-30; 122-124 Trần Hồng Minh, giảng môn “Thiết kế vi hệ thống” Nguyễn Mạnh Tuấn giảng, “Công nghệ chế tạoVật liệu Linh kiện cấu trúc nanô” Tài liệu tiếng anh http:// ww.aacc.org/ /LiverTumorMarkerLMPG/ /LiverTumorMarkers Ch2.pdf Amy Pope-Harman et al., Biomedical Nanotechnology for Cancer, Med Clin N Am 91 (2007) 899–927 Choi, Y.-K.; Zhu, J.; Grunes, J.; Bokor, J.; Somorjai, G A J Phys Chem B (2003), 107, 3340 Edwin T Carlen and Albert van den Berg, “Nanowire electrochemical sensors: can we live without labels?”, Lab Chip, (2007), 7, 19 – 23 E M Talavera, M Afkir, R Salto, A M Vargas, J M AlvarezPez, Fluorescence-labelled DNA probes to detect complementary sequences in homogeneous media, Journal of Photochemistry and Photobiology B: Biology 59 (2000) –14 F Patolsky, G F Zheng, O Hayden, M Lakadamyali, X.W Zhuang, and C M Lieber, “Electrical detection of single viruses,” Proc Nat Acad Sci USA, vol 101, pp 14017–14022, (2004) 10 Gang Peng et al., Diagnosing lung cancer in exhaled breath using gold nanoparticles, Nature nanotechnology, Vol 4, (October 2009), pp 669-673 11 G.F Zheng, F Patolsky, Y Cui, W.U Wang and C.M Lieber, “Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays”, Nature biotechnology vol 23, number 10 12 G Peng et al., Detection of lung, breast, colorectal, and prostate cancers from exhaled breath using a single array of nanosensors, Br J Cancer (2010 July ) 13 Hien Duy Tong, Songyue Chen, Wilfred G van der Wiel, Edwin T Carlen, and Albert van den Berg, “Novel Top-Down WaferScale Fabricationof Single Crystal Silicon Nanowires”, Nanoletter , vol 9, No.3, pp.1015-1022, (March, 2009) 14 Hyun-Seung Lee et al., Electrical detection of VEGFs for cancer diagnoses using anti-vascular endotherial growth factor aptamermodified Si nanowire FETs,, Biosensors and Bioelectronics 24 (2009) 1801–1805 15 Jong-in Hahm and Charles M Lieber, “Direct Ultrasensitive Electrical Detection of DNA and DNA Sequence Variations Using Nanowire Nanosensors”, Nano Letter (2004), vol 4, No 16 Kelly Y Kim, Nanotechnology platforms and physiological challenges for cancer therapeutics, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine (2007) 103–110 17 L Hood et al., Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine, Science, 306, 640,( 2004) 18 Marco Curreli, Rui Zhang, Fumiaki N Ishikawa, Hsiao-Kang Chang, Richard J Cote, Chongwu Zhou, and Mark E Thompson, “Real-Time, Label-Free Detection of Biological Entities Using Nanowire-Based FETs”, IEEE Transactions on nanotechnology, vol 7, no 6,( november 2008) 19 http://nano.cancer.gov/ 20 Niranjan S Ramgir et al., Voltammetric Detection of Cancer Biomarkers Exemplified by Interleukin-10 and Osteopontin with Silica Nanowires, J Phys Chem C 2007, 111, 13981-13987 21 S Cross et al., Nanomechanical analysis of cells from cancer patients, Nature Nanotechnology, Vol.2,( 2007), 780- 783 22 S Niu, G Singh and R F Saraf, Label-less fluorescence-based method to detect hybridization with applications to DNA microarra, Biosensors and Bioelectronics 23 (2007) 714–720 23 T.M.C Hoang: literature study on surface modification of silicon nanowires, Internal Report, Nanosens Research B.V., (2009) 24 Young-Eun Choi et al., Nanotechnology for Early Cancer Detection, Sensors, 428-455, (2010) 25 Wayne U Wang, Chuo Chen, Keng-hui Lin, Ying Fang, and Charles M Lieber, “Label-free detection of small-molecule–protein interactions by using nanowire nanosensors”, PNAS , (March 1, 2005) , Vol 102 , No 9, 3208–3212  ... triển Cảm biến sinh học (biosensor) II Cảm biến sinh học dựa cấu trúc sợi nano (nanowire based biosensors) CHƢƠNG II: QUI TRÌNH DEA VÀ CÁC KĨ THUẬT DÙNG ĐỂ CHẾ TẠO SỢI NANO SILICON. .. chế tạo cảm biến sinh học hệ - cảm biến sinh học sợi nano - với khả hoàn toàn mà linh kiện truyền thống khơng có đƣợc Do đó, việc nghiên cứu qui trình cơng nghệ, chế tạo cảm biến sợi Si-NWs ứng. .. để chế tạo sợi nano silicon Chương – Chế tạo sợi nano phương pháp DEA kết chế tạo - Chi tiết bƣớc chế tạo sợi nano silicon phƣơng pháp DEA - Kêt chế tạo Chương – Khảo sát khả phát DNA cảm biến