Đề tài nghiên cứu khoa học: Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử Spin

Đề tài nghiên cứu khoa học: Cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử Spin trình bày về định nghĩa công nghệ spintronics, khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học, những kiểu biosensor truyền thống, cảm biến sinh học dựa trên hiện tượng điện tử Spin. 

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 Nhóm 10: Bùi Duy khánh Nguyễn Thị Thu NỘI DUNG TỔNG QUÁT: I II - Các khái niệm Định nghĩa công nghệ spintronics Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học Cảm biến sinh học dựa tượng điện tử spin Những kiểu biosensor truyền thống Cảm biến sinh học dựa tượng điện tử spin Nguyên lý chung Ưu điểm cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin Những kiểu cảm biến sinh học dựa công nghệ điện tử học spin MỞ ĐẦU Sự nhận biết có tính chọn lọc mơ tả định lượng tất loại phân tử sinh học đóng vai trị quan trọng khoa học sinh học, chuẩn đoán lâm sàng, nghiên cứu y tế, việc kiểm sốt nhiễm mơi trường Gần đây, ý tưởng việc tích hợp tất q trình phân tích thành thiết bị cầm tay dễ sử dụng, cho kết vị trí cần phân tích, nhận nhiều quan tâm từ nhà nghiên cứu công ty công nghệ sinh học Từ hệ thống dạng lab-on-chip có tên “biosensor” đưa để đơn giản hố có hiệu nhiều nhiệm vụ lĩnh vực điều trị y tế nghiên cứu sinh học, chí mở ứng dụng hoàn toàn Biosensor thiết bị phát hiện, nhận dạng, truyền thông tin thay đổi sinh-lý, hay có mặt chất hóa học khác nhau, vật liệu sinh học mơi trường Chúng phát đo xác nơi tập trung vi khuẩn hay chất hóa học nguy hiểm Biosensor sử dụng nhiều phương pháp dị tìm khác Biosensor chia làm hai kiểu chính: sử dụng phương pháp đánh dấu, thử sử dụng phương pháp phát lai hóa trực tiếp Trước đây, phương pháp sử dụng phương pháp dị tìm huỳnh quang (biosensor huỳnh quang) Tuy nhiên vài năm trở lại đây, với phát triển mạnh mẽ công nghệ mới: spintronic (điện tử học spin) tạo phát triển cho chíp sinh học spintronic với ưu điểm vượt trội độ nhạy cao hưởng ứng nhanh dễ tích hợp, dễ tự động hóa thay việc đánh dấu huỳnh quang truyền thống đắt tiền Bằng cách sử dụng hạt từ điều khiển dòng điện ta phân tích nhiều mẫu sinh học sử dụng hạt từ để phát tương tác sinh học Việc dị tìm hạt từ sử dụng cảm biến từ điện trở dị hướng (AMR), cảm biến từ điện trở khổng lồ (GMR), cảm biến spin-valve, cảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) Hầu hết cảm biến từ điện trở dựa hiệu ứng từ - điện trở I Một số khái niệm Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học a Bộ cảm biến Bộ cảm biến thiết bị điện tử cảm nhận trạng thái hay q trình vật lý hay hóa học mơi trường cần khảo sát, biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin trạng thái hay q trình Thơng tin xử lý để rút tham số định tính định lượng môi trường, phục vụ nhu cầu nghiên cứu khoa học kỹ thuật hay dân sinh gọi ngắn gọn đo đạc, phục vụ truyền xử lý thơng tin, hay điều khiển q trình khác Cảm biến thường đặt vỏ bảo vệ tạo thành đầu thu hay đầu dị (probe), có kèm mạch điện hỗ trợ, nhiều trọn lại gọi ln "cảm biến" b Cảm biến sinh học Cảm biến sinh học thiết bị sử dụng tác nhân sinh học enzym, kháng thể, để phát hiện, đo đạc phân tích hố chất Theo IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) thì: “Cảm biến sinh học (biosensor) thiết bị tích hợp có khả cung cấp thơng tin phân tích định lượng bán định lượng đặc trưng, bao gồm phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) kết hợp trực tiếp với phần tử chuyển đổi ” Phần nhận biết tín hiệu sinh học giống chuyển đổi biến đổi tín hiệu nhận thành tín hiệu điện đo Hai thành phần tích hợp vào cảm biến ta thấy hình Sự kết hợp cho phép đo mục tiêu cần phân tích mà khơng cần sử dụng thuốc thử • Cấu tạo chung cảm biến sinh học Cấu tạo chung cảm biến sinh học bao gồm bốn phận chính: (B) Đầu thu sinh học: có tác dụng bắt cặp phát có mặt tác nhân sinh học cần phân tích; (B) Tác nhân cố định: giúp gắn đầu thu lên điện cực; (C) Bộ phận chuyển đổi tín hiệu giúp chuyển biến đổi sinh học thành tín hiệu đo đạc được; (D) Bộ phận xử lý, đọc tín hiệu (bộ phận có tác dụng chuyển thành tín hiệu điện để máy tính thiết bị khác xử lý) • Tác nhân cần phát phân loại theo cấu tạo sau Các vi khuẩn: vi khuẩn thường phát cảm biến sinh học vi khuẩn Ecoli, vi khuẩn Candida, vi khuẩn bệnh than … Các phân tử nhỏ: phân tử nhỏ mà cảm biến sinh học phát CO, CO2, phân tử gluco, phân tử rượu, ure, thuốc trừ sâu, amino axit, paracetamol, aspirin, penicilin, TNT, tác nhân thần kinh khác, … Các phân tử sinh học có kích thước lớn: phân tử phân tử ADN, RNA, protein, enzyme, hocmon, … • Đầu thu sinh học Nhiều cảm biến sinh học sử dụng kết hợp phát triển cụ thể cho ứng dụng Có hai loại đầu thu sinh học Đầu tiên, cảm biến sinh học sử dụng enzyme kháng thể oligonucleotid, ví dụ chất có nguồn gốc sinh học, thiết kế để thực chức cụ thể thể sống Do vậy, chúng sử dụng để phát chất cụ thể Ngồi cịn có đầu thu sinh học mơ tả ngược với đầu thu sinh học tự nhiên, thơng qua phương pháp điện hố phát số chất Đầu thu sinh học (Biological Receptor) đầu thu phản ứng trực tiếp với tác nhân cần phát có nguồn gốc từ thành phần sinh học Dựa vào tác nhân sinh học sử dụng người ta chia thành số loại đầu thu sau: - Đầu thu làm từ enzyme: Đầu thu sinh học làm từ enzyme dạng đầu thu phổ biến Đó đầu thu làm từ enzyme urease, glucose, - Đầu thu làm từ kháng thể/kháng nguyên: Các đầu thu dạng có đặc điểm tính chọn lọc cao đồng thời liên kết tạo thành mạnh - Đầu thu làm từ protein: Rất nhiều cảm biến có đầu thu sinh học làm từ protein cảm biến phát hocmôn, xác định chất kích thích thần kinh, Các đầu thu có đặc điểm có tính chọn lọc cao Tuy nhiên, chúng có nhược điểm khó cách ly - Đầu thu làm từ axit nucleic: Các axit nucleic ADN, ARN sử dụng làm đầu thu sinh học Các cảm biến có đầu thu dạng thường sử dụng để phát đột biến sai lệch cấu trúc di truyền - Đầu thu kết hợp: Với đầu thu dạng này, người ta sử dụng đồng thời hai hay nhiều phân tử dạng (enzyme, kháng thể, protein, ) đế Việc kết hợp mở rộng khả làm việc cảm biến sinh học Một số cảm biến dạng cảm biến xác định thuốc nổ TNT, cảm biến xác định vi khuẩn bệnh than cảm biến thử thai - Đầu thu làm từ tế bào: Các đầu thu sinh học không làm từ phân tử, ngun tử mà cịn làm từ tế bào Một số tế bào biến đổi gen vi khuẩn sử dụng làm đầu thu sinh học Khi có mặt phân tử chất độc, tế bào phát sáng, thơng qua xác định xuất phân tử chất độc • Tác nhân cố định Các tác nhân cố định phần quan trọng cảm biến sinh học Các tác nhân có nhiệm vụ gắn kết đầu thu sinh học lên đế Nói cách khác phận trung gian có tác dụng liên kết thành phần sinh học (có nguồn gốc từ thể sống) với thành phần vô • Bộ phận chuyển đổi Đây phận quan trọng cảm biến sinh học Có nhiều dạng chuyển đổi chuyển đổi điện hoá, chuyển đổi quang, chuyển đổi nhiệt, chuyển đổi tinh thể áp điện chuyển đổi hệ vi Chuyển đổi điện hoá bao gồm chuyển đổi dựa điện (potentiometric), dòng điện (amperometric) độ dẫn (conductometric) Chuyển đổi quang chuyển đổi hoạt động dựa hiệu ứng như: hấp thụ ánh sáng nhìn thấy tia UV; phát xạ huỳnh quang lân quang; bio– luminiscence; chemi–luminiscence Chuyển đổi nhiệt hoạt động dựa tượng thay đổi entanpi hình thành phá vỡ liên kết hóa họctrong phản ứng enzyme Bộ chuyển đổi có ưu điểm hoạt động tốt với tất phản ứng Tuy nhiên, dạng chuyển đổi có tính chọn lọc thấp Chuyển đổi tinh thể áp điện (piezoelectric) hoạt động dựa nguyên lý: tinh thể thay đổi tần số dao động lực tác dụng lên thay đổi Chuyển đổi dạng có ưu điểm độ nhạy cao (cỡ picogam), thời gian phản ứng nhanh, khả động cao, sử dụng đo đạc môi trường lỏng khí Chuyển đổi hệ vi Nguyên lý hoạt động cảm biến sử dụng chuyển đổi sau: chiếu chùm laser đến phản xạ bề mặt dầm mỏng, ánh sáng phản xạ thu nhận photodetector Thanh mỏng chế tạo cho với lực tác động nhỏ làm cho bị uốn cong Như tín hiệu phản xạ thu nhận photodetector bị thay đổi so với trường hợp khơng có lực tác dụng lên Căn vào thay đổi tín hiệu phản xạ này, người ta xác định lực tác dụng lên • Mơ hình cấu tạo cảm biến từ: Định nghĩa công nghệ Spintronics Công nghệ Spintronics kết hợp hai lĩnh vực điện tử học từ học nhằm tạo chức cho vi điện tử đại Công nghệ Spintronics kỹ thuật liên ngành với mục tiêu thao tác điều khiển bậc tự spin hệ chất rắn Nói cách đơn giản, công nghệ Spintronics ngành nghiên cứu nhằm tạo linh kiện dựa việc điều khiển thao tác spin điện tử Mục tiêu quan trọng công nghệ Spintronics hiểu chế tương tác spin hạt mơi trường chất rắn, từ điền khiển mật độ chuyển vận dòng spin vật liệu Sơ lược hệ Spintronics Một cách tương đối, chia linh kiện spintronics thành hệ: • Thế hệ thứ nhất: Gồm linh kiện dựa hiệu ứng GMR, TMR, màng mỏng đa lớp, màng mỏng từ tiếp xúc dị thể kim loại-kim loại kim loại-điện mơi , ví dụ cảm biến, đầu đọc từ điện trở đĩa cứng, nhớ RAM từ điện trở (MRAM), transitor kim loại (hay transitor lưỡng cực), transitor valse spin, cơng tắc/khố đóng mở spin, • Thế hệ thứ hai: Bao gồm linh kiện hoạt động dựa việc tiêm bơm dòng phân cực spin qua tiếp xúc dị thể bán dẫn- sắt từ hay bán dẫn từbán dẫn (điều giúp cho việc tận dụng kỹ thuật vi điện tử nay) Đó mạch khố siêu nhanh, vi xử lý spin mạch logic lập trình được, Các linh kiện sử dụng vật liệu bán dẫn pha loãng từ, bán dẫn sắt từ hay bán kim, linh kiện vận chuyển đạn đạo (ballistic electron transport) sử dụng hiệu ứng từ điện trở xung kích, loại transistor spin hệ thứ Một hệ linh kiện spin phát triển mạnh có triển vọng nhớ từ cổng lôgic dựa điều khiển vách đômen để tạo thành bit thông tin cấu trúc nano từ tính Bạn tưởng tượng, thơng tin mã hố thơng qua định hướng mômen từ đômen Sự điều khiển vách đơmen điều khiển bit thơng tin Vách đơmen điều khiển dễ dàng từ trường dòng điện Và nay, hướng spintronics mục tiêu tạo ra, điều khiển trình dịch chuyển, hãm, huỷ vách đơmen phần tử nhỏ (ví dụ nanowire, nanodot, bẫy đơmen) • Thế hệ thứ ba: Là linh kiện sử dụng cấu trúc nano (dạng chấm lượng tử, dây sợi nano) sử dụng trạng thái spin điện tử đơn lẻ cổng logic lượng tử (là sở cho máy tính lượng tử), transistor đơn spin (SFET), Cảm biến van spin thuộc hệ linh kiện chế tạo đưa vào sử dụng mức độ thương phẩm từ cuối kỷ 20 Một số linh kiện điển hình hệ kính hiển vi từ điện trở, robot xúc giác hay robot thông minh, đầu đọc ghi ổ cứng tốc độ cao, phím bấm không tiếp xúc, động không chổi than, giải mã vạch, đếm tốc độ,điều chỉnh đánh lửa bugi động đốt máy trợ thính, Các nhớ MRAM khơng tự xóa bắt đầu có sản phẩm thương phẩm, dự đoán chiếm lĩnh thị trường thương mại tiêu dùng năm gần Hiện việc phòng chống tội phạm khủng bố ngành an ninh quân đội quan tâm Ngành tư pháp quân đội Mỹ có dự án nghiên cứu chế tạo thiết bị điện tử nhạy với từ trường yếu theo nguyên lý spintronics, đến mức đo từ xa từ trường có cường độ cỡ femtoTesla Tiểu kết: này, tìm hiểu cảm biến sinh học dựa tượng điện tử spin Nghĩa phận chuyển đổi cảm biến sinh học ứng dụng công nghệ spintronics tạo lĩnh vực quan tâm công nghệ sinh học y sinh học Như việc nhận biết phân tử sinh học đóng vai trị quan trọng ngành cơng nghiệp dược phẩm, phân tích mơi trường nhiều ứng dụng rộng rãi cơng nghệ sinh học Đặc biệt, cịn mở khả lớn việc phát triển công cụ vừa có giá trị sử dụng cao vừa có giá thành rẻ dùng cho việc nhận biết lai hóa AND - ADN chuẩn đoán bệnh gen, nhận biết biến dị mô tả định lượng gen nhận biết tương tác kháng thể - kháng nguyên nhận dạng vi sinh vật vũ khí sinh học II Cảm biến sinh học dựa tượng điện tử spin Trước đây, biosensor thành công với phương pháp đánh dấu huỳnh quang Tuy nhiên, nhờ phát triển điện tử học spin, thay nhận biết phân tử sinh học công cụ đắt tiền hệ quét huỳnh quang quang học hay lazer, sử dụng loại cảm biến ứng dụng công nghệ điện tử học spin dựa hiệu ứng GMR, AMR, TMR, Hall, Planar Hall, Những kiểu biosensor truyền thống Trước loại cảm biến phổ biến cảm biến sinh học sử dụng phương pháp huỳnh quang, có cấu tạo chung sau: - Một dãy đầu dò gắn cố định bề mặt cảm biến chấm mirco (thường hạt huỳnh quạng) - Buồng lai hóa (thường hệ thống vi rãnh, gọi vi kênh chứa chất lỏng có kích thước mirco) - Một cấu để xếp DNA đích tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho phân tích phân tử tích điện DNA dãy đường dẫn tạo từ trường cho DNA đích gắn hạt từ) - Các hạt dị tìm Trên hình mơ tả q trình dị tìm phương pháp đánh dấu huỳnh quang, gồm giai đoạn: - Cố định đầu dò bề mặt chip - Nhỏ dung dịch có chứa DNA đích cần dị tìm - Các phân tử sinh học phần bù liên kết với nhau, trình lai hóa xảy sau rửa phần tử không cần thiết Phương pháp cho ta biết số lượng gen xác định so sánh khác mẫu cần phân tích Sự dị tìm khơng cho biết có mặt phân tử bị bệnh mà cho biết số lượng phân tử mẫu Cảm biến sinh học theo công nghệ điện tử spin a Nguyên lí chung: Một chip sinh học (biochip) sử dụng công nghệ spin điện tử gồm có dãy phần tử cảm biến (như cảm biến từ-điện trở); dãy đầu dò (các phân tử sinh học biết chuỗi nucleotide đặc trưng gen kháng thể) cố định bề mặt sensor (thông qua chấm có kích thước mirco dãy xếp theo đặc trưng điện từ); buồn lai hóa (thường ráp nối rãnh chứa chất lỏng có kích thước mirco); cấu dùng để xếp bia (target) tùy chọn theo dãy (tạo điện trường cho phân tích phân tử tích điện DNA dãy đường dẫn tạo từ trường cho bia gắn hạt từ) (hình 3) Hình Sơ đồ biochip sử dụng cơng nghệ spin điện tử, bao gồm dãy chuyển tín hiệu sử dụng cơng nghệ spin điện tử, dãy đầu dò phân tử sinh học cố định bề mặt sensơ (trong trường hợp phân tử ADN đơn), dung dịch chứa phân tử cần dò (các chuỗi ADN) hạt từ liên kết với bề mặt cảm biến thơng qua thơng qua lai hóa phân tử sinh học (các lai hóa ADN) Ở hình bên cạnh, nhận dạng phân tử sinh học đạt cách nhận biết từ trường tán xạ tạo label từ nhờ chuyển tín hiệu sử dụng cơng nghệ spin điện tử Các đối tượng dị tìm (phân tử sinh học mẫu dùng để nhận dạng chuỗi DNA, phần bù phù hợp đầu dò DNA cố định kháng nguyên tương ứng với kháng thể cố định) nhỏ lên bề mặt chip để trình nhận dạng tiến hành Các phân tử sinh học gắn hạt từ tính trước sau bước lai hóa (recognition) Các hạt từ thường hạt siêu thuận từ sắt từ khơng có từ dư với kích thước nano mirco có khả gắn kết với phân tử sinh học Dưới tác dụng từ trường, hạt bị từ hóa từ độ tổng hợp xuất Từ trường sinh từ hạt từ bị từ hóa thay đổi điện trở cảm biến sử dụng công nghệ spin điện tử, giúp ta nhận biết phân tử sinh học cần phân tích Các chip sinh học (biochip) dựa hiệu ứng từ điện trở giới thiệu lần đầu vào năm 1998 phịng thí nghiệm nghiên cứu hải quân (NRL) Mỹ Sau giới phát triển thêm nhiều phòng nghiên cứu công ty phát triển hệ thống Việc nhận biết hạt từ hoàn thiện băng cách sử dụng cảm biến tích hợp từ điện trở có cấu trúc hình dạng khác GMR hình que, cấu trúc GMR hình gấp khúc (meander GMR structures) GMR hình xoắn ốc; cấu trúc van spin đường thẳng, hình lược hình chữ U; vịng AMR; cảm biến hình chữ thập sử dụng hiệu ứng Hall mặt phẳng; tiếp xúc từ xuyên ngầm Các cấu trúc cho phép sử dụng từ trường để điều khiển độ xác thao tác chip, kết hợp truyền dẫn tín hiệu với việc dị tìm Ngun lý biochip sử dụng công nghệ spin điện tử sử dụng để dị tìm biểu phân tử sinh học (bao gồm liên kết sinh học) mơ hình liên kết liên kết biotin-streptavidin, immunoglobulinG-Protein A (ví dụ cystic fibrosis-bệnh xơ nang), phát triển ứng dụng dùng cho việc dị tìm tế bào từ vi sinh vật gây bệnh Cấu trúc hai chip sử dụng lai hóa có hỗ trợ từ trường việc dị tìm DNA cần dị có liên quan tới bệnh xơ nang kết thu trình nghiên cứu thử nghiệm chip với DNA phần bù với DNA cần dị tìm Sau nhỏ phân tử sinh học có đính hạt từ lên bề mặt cảm biến, dòng điện đặt vào khoảng phút để thu hút hạt vào khu vực cảm nhận, sau hạt từ giữ ổn định vịng phút để q trình lai hóa diễn Chip rửa để loại bỏ hạt từ liên kết riêng liên kết yếu Khi người ta thu tín hiệu cịn lại vào khoảng 1mV lai hóa Tín hiệu tương ứng với 50 hạt nano liên kết với bề mặt Khi sử dụng phân tử sinh học cần dị khơng phải phần bù đầu dị, tín hiệu trở lại với đường nghĩa khơng có lai hóa xảy Các cảm biến cỡ nhỏ (2,6mm 2) có dải hoạt động nhỏ chứa vào khoảng 200 hạt nano với đường kính 250mm, cho tín hiệu hạt lớn b Ưu điểm cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin: 10 Tất thiết bị điện tử học spin (spintronics) bao gồm cảm biến điện tử học spin dựa việc điều khiển spin điện tử nên có ưu điểm sau: - Tiêu tốn lượng q trình biến đổi thiết bị spintronics dựa đổi chiều spin - Do tính chất phi từ phân tử sinh học nên giảm nhiễu tín hiệu - Có độ ổn định cao, phép đo thục nhiều lần, loại bỏ tín hiệu khơng mong muốn - Tốc độ nhanh khơng phải thời gian để truyền điện tích Thời gian đảo spin từ trạng thái up sang down ngắn Những kiểu cảm biến sinh học dựa công nghệ điện tử học spin Hiệu ứng từ điện trở (MR) Hiệu ứng từ điện trở (MagnetoResistance- MR) thay đổi điện trở vật dẫn gây từ trường Hiệu ứng lần phát William Thomson (Kelvin) vào năm 1856 với thay đổi điện trở không 5% Hiệu ứng gọi hiệu ứng từ điện trở thường Gần đây, nhà khoa học phát nhiều loại hiệu ứng từ điện trở nhiều loại vật liệu khác đem lại khả ứng dụng to lớn Người ta thường dùng khái niệm tỉ số từ trở để nói lên độ lớn hiệu ứng từ điện trở, cho công thức: MR = ∆ρ ρ (0) − ρ ( H ) R(0) − R( H ) = = ρ ρ (0) R(0) Đôi khi, số thiết bị, tỉ số định nghĩa bởi: MR = ∆ρ ρ ( H ) − ρ ( H max ) R( H ) − R( H max ) = = ρ ρ ( H max ) R ( H max ) Với: ρ(H): Điện trở xuất vật dẫn có từ trường đặt vào ρ(0): Điện trở xuất vật dẫn khơng có từ trường ngồi đặt vào R(H): Điện trở vật dẫn có từ trường ngồi đặt vào R(0): điện trở vật dẫn từ trường ngồi đặt vào Hmax : từ trường cực đại Hai cách định nghĩa hoàn toàn tương đương Trong vật dẫn khơng có từ tính kim loại Cu, Au hiệu ứng MR xảy lực Lorentz tác động lên chuyển động điện tử Hiệu ứng nhỏ có giá trị âm Trong chất sắt từ hiệu ứng MR liên quan đến tán xạ Spin bất trật tự Trạng thái bất trật tự spin làm tăng điện trở Khi đặt từ trường ngồi vào mức độ bất trật tự spin giảm, ta sẻ nhận hiệu ứng từ điện trở dương đẳng hướng Hiệu ứng nhỏ kim loại chuyển tiếp sắt từ lại lớn vật liệu đất hiếm- kim loại chuyển tiếp 11 có chuyển pha từ giả bền RCO 2, gốm Perovskites… Trong vật dẫn kim loại, dòng điện mang nhờ chuyển động electron Nếu electron bị khuếch tán khỏi hướng dịng điện dịng điện bị yếu đi, nghĩa điện trở tăng lên Trong vật liệu từ khuếch tán electron bị ảnh hưởng hướng từ hóa (magnetization) Sự liên quan từ hóa điện trở hiệu ứng GMR giải thích nhờ spin electron Trong vật liệu từ phần lớn spin xếp song song với nhau, theo chiều từ hóa, nhiên có số spin có chiều đối nghịch với chiều từ hóa số electron có spin đối chiều khuếch tán mạnh gặp phải tâm dị thường tâm bẩn vật liệu đặc biệt giao diện lớp, dòng điện giảm đi, nghĩa điện trở tăng lên Hình Trong vật dẫn từ spin phần lớn electron hướng chiều với chiều từ hóa (các vịng trịn màu đỏ) Một số electron (các vịng trịn màu trắng) có spin ngược chiều với chiều từ hóa bị khuếch tán nhiều a Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở dị hướng (AMR Biosensor): Miller người giới thiệu phương pháp dị tìm hạt sử dụng hiệu ứng AMR vào năm 2002 Hiệu ứng từ điện trở dị hướng AMR tượng tăng điện trở tác dụng từ trường (hay nói xác tác dụng cảm ứng từ B) lực Lorentz tác dụng lên hạt tải điện Về chất, hiệu ứng AMR phụ thuộc điện trở vào góc ϕ vector từ độ chiều dòng điện Nguyên nhân xuất hiệu ứng xác suất tán xạ điện tử s-d khác theo phương từ trường tác dụng Hiệu ứng lớn (đạt giá trị cực đại) từ trường tác dụng song song với chiều dòng điện 12 Nguyên tắc hoạt động cảm biến AMR dựa vào tán xạ điện tử theo hướng momen từ vật liệu làm cảm biến Trong trường hợp này, cảm biến AMR có cấu trúc vịng kim loại sắt từ (NiFe); khơng có từ trường ngồi tác dụng, vector từ độ vòng đường trịn khép kín hình 4.b), trường hợp đặt dịng điện chạy qua cảm biến dịng điện chạy qua dễ dàng, hiệu ứng AMR vòng lớn Ngược lại, có hạt từ với momen từ vng góc với bề mặt cảm biến, đặt tâm cảm biến từ độ vịng hướng tâm hình 4.c), vng góc với dịng điện cản trở di chuyển điện tích chạy qua vòng cảm biến-lúc hiệu ứng AMR vòng nhỏ Trên vật liệu sắt từ Fe, Co, Ni hợp kim chúng, hiệu ứng thường lớn so với vật liệu khơng có từ tính Thiết bị thích hợp việc dị tìm hạt đơn lẻ Các hạt từ đặt trung tâm vịng trịn NiFe với bán kính bên vịng trịn phù hợp với bán kính hạt Sự chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến xác định theo cơng thức: Trong đó: 13 • Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (GMR Biosensor): Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ (tiếng Anh: Giant MagnetoResistance, viết tắt GMR) thay đổi lớn (nhảy vọt) điện trở vật liệu từ tác dụng từ trường ngồi Ta có lớp kim loại khơng có từ tính (lớp 2) bị ép hai lớp kim loại từ (lớp 1&3) hình A & B Trên hình A hai lớp kim loại từ 1&3 có chiều từ hóa, lúc số electron có spin chiều với chiều từ hóa qua lớp dễ dàng điện trở nhỏ Nếu ta thay đổi chiều từ hóa lớp kim loại từ (nằm bên phải cùng) hình B electron lại có spin ngược chiều với chiều từ hóa lớp cuối bên phải bị khuếch tán nhiều hơn, dịng điện giảm điều có nghĩa điện trở tăng mạnh lên gây nên hiệu ứng GMR Vậy hiệu ứng GMR hiệu ứng làm cho điện trở trở thành khổng lồ nhờ tác động từ trường 14 Ta có lượng từ lớp sau: Lớp sắt từ tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) Lớp sắt từ tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngồi) Lớp sắt từ lớp sắt từ 2: - Năng lượng tương tác trao đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic coupling) Cơ chế Hiệu ứng từ điện trở khổng lồ giải thích với tổ hợp đồng thời giả thiết sau: Vì độ dày của lớp khơng từ vào cỡ 1nm, tức nhỏ xấp xỉ quãng đường tự trung bình điện tử, nên điện tử có khả vượt qua lớp đệm khơng từ tính để chuyển động từ lớp từ tính sang lớp từ tính khác Khi di chuyển lớp vật liệu có từ tính vùng chuyển tiếp với lớp từ tính, tán xạ điện tử phụ thuộc vào định hướng spin chúng Định hướng tương đối vectơ từ độ lớp thay đổi tác dụng từ trường Điện trở chất rắn tạo tán xạ điện tử, gồm có loại tán xạ sau:  Tán xạ mạng tinh thể dao động mạng tinh thể gọi tán xạ phonon 15 Tán xạ spin phần tử mang từ tính, gọi tán xạ magnon  Tán xạ sai hỏng mạng tinh thể  Gần cịn có nghiên cứu tán xạ điện tử polaron từ để giải thích hiệu ứng CMR Như vậy, hiệu ứng GMR có tán xạ điện tử magnon Khi có phần tử mang từ tính (ví dụ lớp sắt từ màng đa lớp hay hạt siêu thuận từ màng hợp kim dị thể) có định hướng khác mơmen từ (do tác động từ trường ngoài), dẫn đến thay đổi tính chất tán xạ điện tử làm thay đổi điện trở chất rắn Độ lớn GMR liên quan đến độ lớn hiệu ứng tán xạ phụ thuộc spin, mà đại lượng sau lại liên quan đến tương quan quãng đường tự trung bình chiều dày lớp kim loại phi từ Cụ thể hai hiệu ứng bị triệt tiêu quãng đường tự điện tử nhỏ chiều dày màng ngăn cách  Sự chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến xác định theo cơng thức: Trong đó: • Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng từ điện trở xuyên ngầm (TMR Biosensor): Hiệu ứng từ điện trở chui hầm hay từ điện trở xuyên hầm, (tiếng Anh: Tunnelling magnetoresistance, thường viết tắt TMR) hiệu ứng từ điện trở xảy 16 màng mỏng đa lớp có lớp sắt từ ngăn cách lớp điện môi Hiểu cách đơn giản hiệu ứng từ điện trở chui hầm thay đổi lớn điện trở suất xảy tiếp xúc từ chui hầm (là màng mỏng với lớp màng mỏng sắt từ ngăn cách lớp điện mơi, đóng vai trị lớp rào ngăn cách chuyển động điện tử) Với hệ vật liệu ba lớp bao gồm lớp vật liệu ôxit vô định hình a-Ge 2O3 cách điện nằm xen hai lớp kim loại sắt từ Fe Co: Fe/a-Ge 2O3/Co Độ dày lớp ôxit thường chọn để thõa mãn điều kiện cực tiểu cho lượng tương tác từ hai điện cực sắt từ Trong trường hợp này, hai điện cực sắt từ có trục từ hóa dễ có lực kháng từ khác ( µ0 H C (Co) > µ0 H C ( Fe) ) Trạng thái từ độ phản song song làm tăng điện trở hệ Ngược lại trạng thái từ độ song song vùng từ trường nhỏ từ trường lớn làm giảm điện trở hệ Cấu trúc chuẩn cảm biến TMR bao gồm lớp vật liệu (lớp sắt từ/lớp điện môi/lớp sắt từ) Hoạt động tương tự cảm biến GMR, chưa có từ trường ngoài, vecotr từ độ lớp sắt từ ban đầu phản song với nên điện tử bị tán xạ xun qua lớp cảm biến, tạo tín hiệu điện Đối với tiếp xúc từ chui hầm có lớp sắt từ kẹp lớp điện môi, tỉ số từ điện trở (trong trường hợp sử dụng TMR) phụ thuộc vào độ phân cực spin lớp (P1, P2), cho công thức: TMR = P1 P2 − P1 P Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu ứng từ điện trở xuyên hầm: Độ hoàn hảo tiếp xúc xuyên hầm Nhiệt độ Hiệu điện 17 - Chiều cao rào tính chất chuyển cục Spin kép Hình 17: Lớp tiếp xúc từ chui hầm Hình 6: Cơ chế tạo hiệu ứng từ điện trở chui hầm tiếp xúc từ chui hầm Sự chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến xác định theo cơng thức: Trong đó: Trong cảm biến cấu trúc xuyên ngầm, dòng chạy qua cảm biến giới hạn đánh thủng Chỗ tiếp xúc phải tối ưu hóa cho R*A thấp trì tỉ số từ trở xuyên ngầm cao mức độ nhiễu thấp 18 • Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng Hall phẳng (Planar Hall Biosensor): Dựa vào tán xạ điện từ theo phương từ độ lớp sắt từ Khi cho dòng điện I chạy qua cảm biến theo hướng x, điện tử bị tán xạ theo hướng từ độ M tạo điện trường E theo hướng từ độ M Điện trường E tạo hiệu điện V theo hướng y vng góc với dịng điện (Hình 7,8) Với mơ hình này, từ độ lớp NiFe trạng thái tĩnh phải nằm dọc theo hướng dòng điện Trở kháng thay đổi khoảng 2-3% với lớp NiFE dày 20-30nm Đường cong đáp ứng biểu diễn Hình Trong vùng từ trường nhỏ, sensor làm việc vùng tuyến tính Chỉ cần từ trường nhỏ ta dễ dàng nhận giá trị lớn hiệu điện Do vậy, ta chọn vùng làm việc cảm biến đoạn tuyến tính đường đặc trưng từđiện trở thơng qua tín hiệu đầu ta tính tốn định lượng số lượng hạt Sự chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến xác định theo cơng thức: Trong đó: 19 • Cảm biến sinh học dựa hiệu ứng van-spin (Spin-valve Biosensor): Cấu trúc chuẩn cảm biến van-spin bao gồm lớp vật liệu (lớp phản sắt từ/lớp sắt từ bị ghim/lớp phi từ/lớp sắt từ tự do) Hai lớp sắt từ ngăn cách lớp kim loại không từ, lớp sắt từ tự do, q lớp ghim tương tác trao đổi với lớp vật liệu phản sắt từ Khi chưa có từ trường tác dụng, từ độ lớp sắt từ tự ngược chiều với từ độ lớp sắt từ bị ghim, điện tử khơng di chuyển qua lớp cảm biến được, điện trở cảm biến lớn Khi có từ trường ngồi (của hạt từ), momen từ lớp sắt từ tự quay theo hướng từ trường ngoài, làm cho từ độ lớp sắt từ tự từ độ lớp sắt từ bị ghim định hướng song song với nhau, điện tử truyền qua lớp cảm biến điện trở cảm biến giảm Ta có lượng từ lớp sau: Lớp sắt từ tự tồn tại: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngồi) Lớp sắt từ bị ghim: - Năng lượng dị hướng từ tinh thể - Năng lượng tĩnh từ (khi có từ trường ngoài) Lớp sắt từ lớp sắt từ bị ghim: - Năng lượng tương tác trao đổi liên phân mạng (interlayer magnetostatic coupling) Lớp sắt từ bị ghim lớp phản sắt từ: - Năng lượng tương tác trao đổi (exchange bias) Trong trạng thái tĩnh, từ độ lớp ghim nằm theo chiều ngang, ghim liên kết trao đổi lớp ghim với lớp phản sắt từ, từ độ lớp tự hướng theo chiều dọc Sự định hướng theo chiều dọc lớp tự trạng thái đơn domain dị hướng hình dạng Sự chuyển đổi tín hiệu điện cảm biến xác định theo công thức: 20 Trong đó: 21 Tham khảo: - Novel Planar Hall Sensor for Biomedical Diagnosing Lab-on-a-Chip - By Tran Quang Hung, Dong Young Kim, B Parvatheeswara Rao and CheolGi Kim 22 ... lớn b Ưu điểm cảm biến sinh học sử dụng công nghệ điện tử học spin: 10 Tất thiết bị điện tử học spin (spintronics) bao gồm cảm biến điện tử học spin dựa việc điều khiển spin điện tử nên có ưu... hiểu cảm biến sinh học dựa tượng điện tử spin Nghĩa phận chuyển đổi cảm biến sinh học ứng dụng công nghệ spintronics tạo lĩnh vực quan tâm công nghệ sinh học y sinh học Như việc nhận biết phân tử. .. spin- valve, cảm biến điện trở Hall mặt phẳng (PHR), cảm biến từ điện trở xuyên ngầm (TMR) Hầu hết cảm biến từ điện trở dựa hiệu ứng từ - điện trở I Một số khái niệm Khái niệm cảm biến, cảm biến sinh học