Nghiên cứu hiệu suất hoạt động của cảm biến sinh học dùng dây nano

Trong nghiên cứu này, mô hình khuếch tán-bắt giữ và phương trình Poisson-Boltzman được sử dụng để phân tích hiệu suất hoạt động của cảm biến dây nano, được thể hiện thông qua thời gian phản ứng và độ nhạy của cảm biến.

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN 73 NGHIÊN CỨU HIỆU SUẤT HOẠT ĐỘNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC DÙNG DÂY NANO A STUDY ON THE PERFORMANCE OF CYLINDRICAL NANOWIRE BIOSENSORS Nguyễn Linh Nam Trường Cao đẳng Công nghệ - Đại học Đà Nẵng; nlnam911@dct.udn.vn Tóm tắt - Cảm biến sinh học dây nano (NW) quan tâm nghiên cứu cho thấy khả ứng dụng lớn ưu điểm bật tỉ số bề mặt/thể tích lớn, độ nhạy cao, phát thời gian thực, khả xử lý tín hiệu song song chi phí thấp Tuy nhiên, kết nghiên cứu cho thấy, hiệu suất cảm biến chịu tác động lớn nhiều yếu tố khác chắn điện tĩnh, môi trường phản ứng,… Trong nghiên cứu này, mơ hình khuếch tán-bắt giữ phương trình Poisson-Boltzman sử dụng để phân tích hiệu suất hoạt động cảm biến dây nano, thể thông qua thời gian phản ứng độ nhạy cảm biến Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất hoạt động cảm biến phụ thuộc mạnh vào đường kính dây Kết nghiên cứu dùng để tối ưu hóa việc thiết kế cảm biến dây nano có độ nhạy cao Abstract - Silicon nanowire (NW) biosensors attract the research interest and show the huge application potentials in biotechnology due to their outstanding features including high surface-to-volume ratio, high sensitivity with minimal requirement of the target molecules, a direct and real-time electrical signal transduction, capability for multiplex parallel processing, and low cost However, the performance of NW biosensors has been influenced by various factors such as electrostatic screening, surrounding environment, etc… In this work, the diffusion-capture model and Poisson-Boltzman equation are used to characterize NW biosensors’ performance in terms of their setting time and sensitivity Furthemore, the performance of NW biosensors with different wire diameters is also demonstrated and exhibits strong dependence on nanowire dimension This study can provide a systematic optimization for high sensitivity biosensor design Từ khóa - cảm biến sinh học dây nano; DNA; thời gian phản ứng; độ nhạy; độ chọn lọc Key words - nanowire biosensors; DNA; setting time; sensitivity; selectivity Giới thiệu Công nghệ nano khoa học sống có mối quan hệ tự nhiên thể thơng qua tương đồng kích thước cấu trúc thông thường phân tử sinh học DNA, protein hay vi-rút với vật liệu có cấu trúc nano chấm lượng tử, dây nano hay ống nano Sự tương đồng kích thước dẫn đến khả ứng dụng lớn khoa học kỹ thuật nano lĩnh vực y học phát mầm bệnh hay khả chữa trị bệnh Phát đánh giá phần tử sinh học đóng vai trị lớn y học, từ việc xác định bệnh chế tạo loại thuốc điều trị Các cấu trúc nano ống nano cacbon [1], dây nano [2] hay hạt nano [3], với đặc tính điện tử, quang tử, từ tính riêng biệt giúp tạo nhiều phương pháp tiếp cận giải vấn đề y học khác nhau, từ phát phần tử sinh học protein, virút DNA đến nghiên cứu, chế tạo hệ thống phân phối thuốc Trong năm gần đây, phát điện tử phân tử sinh học dung môi dây nano chủ đề nghiên cứu rộng rãi lĩnh vực Hệ thống cảm biến sinh học dựa thiết bị dùng dây nano cho kết nhanh chóng, xác, chi phí thấp, phân tích thơng lượng cao q trình phản ứng sinh học cho thấy tiềm lớn ứng dụng thương mại [4] Đặc biệt, dây nano làm vật liệu silicon (Silicon Nanowires-SiNWs) cho thấy tiềm ứng dụng lớn hệ cảm biến sinh học, SiNWs có ưu điểm bật tỉ số bề mặt/thể tích lớn, độ nhạy cao, hiển thị kết trực tiếp, khả xử lý tín hiệu song song, bước chuẩn bị mẫu đơn giản, không cần đánh dấu mẫu, chi phí thấp Dây nano silicon sử dụng hệ cảm biến sinh học việc phát phần tử DNA protein, trình bày nhiều kết nghiên cứu khác Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu trình bày tác động yếu tố điều kiện môi trường, suy giảm điện tĩnh đến hiệu suất hoạt động hệ cảm biến dây nano Trong nghiên cứu này, mơ hình khuếch tán-bắt giữ phương trình Poisson-Boltzman sử dụng để phân tích hiệu suất hoạt động cảm biến dây nano, thể thông qua thời gian phản ứng, độ nhạy độ chọn lọc cảm biến Kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất hoạt động cảm biến phụ thuộc mạnh vào đường kính dây Kết nghiên cứu dùng để tối ưu hóa việc thiết kế cảm biến dây nano có độ nhạy cao Mơ hình phương pháp 2.1 Mơ hình hệ cảm biến sinh học dây nano Hình Sơ đồ mơ tả hệ cảm biến dây nano với thụ kháng thể cố định bề mặt dây Khi phần tử sinh học tạo liên kết với thụ kháng thể sinh điện tích bề mặt dây làm thay đổi độ dẫn điện dây Nguyên lý hệ cảm biến dây nano phát phần tử sinh học dùng dây nano mô tả Hình Các thụ kháng thể phù hợp với phần tử sinh học cần phát gắn lên bề mặt dây nano thông qua quy trình xử lý bề mặt, phần tử sinh học tạo liên kết với thụ kháng thể tạo thay đổi điện tích Nguyễn Linh Nam 74 bề mặt dây có tác động thay đổi điện tác động, dẫn đến thay đổi mật độ hạt dẫn dây, hay độ dẫn dây thay đổi khỏi giá trị ban đầu chưa có liên kết phần tử sinh học-thụ kháng thể xảy [4, 5] 2.2 Mơ hình khuếch tán-bắt giữ Quá trình bắt giữ phần tử sinh học thụ kháng thể cố định bề mặt dây gồm bước: phần tử sinh học vận chuyển đến bề mặt dây tạo liên kết phần tử sinh học với thụ kháng thể Thời gian phản ứng hệ cảm biến sinh học dây nano phụ thuộc vào yếu tố chính, nồng độ phân tích kích thước dây Mơ hình khuếch tán-bắt giữ giả thiết dịch chuyển phần tử sinh học bị khuếch tán bị giới hạn liên kết phần tử sinh học với thụ kháng thể xem xét đạo hàm bậc q trình phản ứng hóa học [6] Khi đó, tốc độ tạo liên kết phần tử sinh học với thụ kháng thể cho công thức: dN  k f  N  N   S  kr N dt (1) với N mật độ thụ kháng thể tạo liên kết với phần tử sinh học, N0 mật độ thụ kháng thể cố định bề mặt dây, kf kr số bắt giữ tách ra, ρS nồng độ phần tử sinh học bề mặt dây thời điểm t [6] Số hạng thứ phương trình (1) thể tỷ lệ liên kết phần tử sinh học với thụ kháng thể, số hạng thứ hai thể tỷ lệ tách rời ρS xác định khuếch tán phần tử sinh học thơng qua phương trình: d  D2  dt (2) với D hệ số khuếch tán phần tử sinh học dung mơi phụ thuộc vào mơi trường dung mơi kích thước phần tử sinh học Thời gian phản ứng hệ cảm biến sinh học xác định cách giải hệ gồm phương trình (1) (2): CD , SS  2 D log W  a0  a0  Thời gian phản ứng hệ cảm biến dây nano xác định công thức:  Dt  a0 D S  a    k f N   1 (5) 2.3 Phương trình Poisson-Boltzman Hệ cảm biến dây nano Si-NW nghiên cứu dựa tham số kỹ thuật sau: đường kính dây (d); độ dày lớp điện mơi ơ-xít cách điện bề mặt dây (tox); nồng độ dung dịch  sinh    r    q w N  Z  r  r  i i (6) i G  G0 G0  G G0 (7) Độ nhạy S xác định dựa điện tĩnh tham số kỹ thuật khác dây nano thông qua phương trình: 2 w0 (8) S t qa02 N D log 1  ox  a0   Nếu bỏ qua hiệu ứng chắn điện tích, điện tĩnh xác định: t 2 s N  t  a0  tox  log 1  ox  a0   0  w (9) Kết hợp phương trình (8) (9), ta xác định độ nhạy hệ cảm biến sau: 2 s N  t  a0  tox  qa02 N D (10) Như trình bày trên, điện tích tổng khơng đủ để làm thay đổi độ dẫn điện dây hiệu ứng chắn điện tích Để xem xét tác động hiệu ứng chắn này, giải phương trình (6) (phương trình phi tuyến Poisson-Boltzman) Từ nghiệm phương trình này, độ nhạy xác định hàm phụ thuộc vào nồng độ phân tích (phần tử sinh học) ρ0 nồng độ dung dịch điện phân (nồng độ ion) I0:   ln  I  S  C1 ln  0    C2    (4) log(( Dt  a0 ) / a0 ) k2 với φ điện tĩnh, k chiều dài chắn điện DebyeHuckel, εw số điện môi dung dịch điện phân β=q/(kBT) hàm phân bố Boltzman với q điện tích bản, kB số Boltzman T nhiệt độ môi trường phản ứng Zi ri điện tích phân bố vị trí nguyên tử bên phần tử sinh học Chi tiết mơ hình tốn học trình bày chi tiết [7] Độ nhạy S hệ cảm biến dây nano xác định dựa thay đổi độ dẫn điện dây: S 2 D  a log  N  t   0 t    2  r   (3) với W a0 khoảng cách từ phần tử sinh học đến bề mặt dây điều kiện cân nồng độ phân tích bán kính dây nano Có thể nhận thấy rằng, q trình phản ứng thuận, nồng độ phân tích gần bề mặt bị trống phần tử sinh học bị khuếch tán đến bề mặt bị bắt giữ thụ kháng thể Khi đó, điện dung khuếch tán thiết lập với W=2nDt (n=2 số chiều dây nano): CD  t   điện phân có chứa phần tử sinh học loại ion giúp tạo trạng thái ổn định cho liên kết phần tử sinh học thụ kháng thể Điện tích tổng việc bắt giữ phần tử sinh học không đủ để làm thay đổi độ dẫn điện dây hiệu ứng chắn điện tích gây ion tồn dung dịch điện phân Để xem xét tác động hiệu ứng chắn này, giải phương trình phi tuyến Poisson-Boltzman: với: C1  4 w  qa N D log 1  tox a  0  (11) (12)   s k f N0 C2  ln   kr    2 w qN avo  (13) Độ lệch mật độ điện tích bề mặt dây nano xác định thơng qua đạo hàm bậc phương trình hóa động học tách phần tử sinh học thụ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(120).2017, QUYỂN kháng thể Sự phụ thuộc độ nhạy S theo độ pH dung dịch điện phân xác định thơng qua phương trình: I   S  C1 C3   2.303  pH  pKa    với: C3  (14) Hệ số khuếch tán: Nhiệt độ môi T = 300 K trường phản ứng 75 10-6 3.1 Thời gian phản ứng  4 w N avo  ln     qa02 N D2  Độ chọn lọc phần tử cần phân tích thơng số quan tâm khác cảm biến sinh học, định mức độ xác đáng tin cậy cảm biến Độ chọn lọc [8] cảm biến đánh giá thơng qua tỉ số tín hiệu nhiễu (SNR: Signal noise ratio): SNR  T  (15) đó, T định nghĩa tín hiệu phụ thuộc vào mật độ thụ kháng thể tạo liên kết với phần tử sinh học, η xác định nhiễu phụ thuộc vào biến động thống kê mật độ phần tử mục tiêu, nồng độ ion Kết nghiên cứu thảo luận Hiệu suất hoạt động hệ cảm biến sinh học dùng dây nano phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác kích thước dây, mật độ doping tham số liên quan đến môi trường phản ứng nồng độ phân tích, nồng độ ion độ pH Đặc tính hoạt động hệ cảm biến xác định thông qua số tham số kỹ thuật thời gian phản ứng, độ chọn lọc độ nhạy Ở đây, báo trình bày kết tính tốn phân tích thời gian phản ứng hệ cảm biến dùng dây nano, độ nhạy hệ nghiên cứu thấy tác động hiệu ứng chắn điện tích lên hiệu suất hoạt động dây Trong nghiên cứu này, để tính tốn mô hiệu suất hoạt động hệ cảm biến dây nano chúng tơi sử dụng chương trình BioSensorLab [9] viết Nair cộng Đây công cụ mô online website www.nanohub.org, thuộc Mạng lưới Cơng nghệ Nano tính tốn (Network for Computational Nanotechnology - NCN) tài trợ Quỹ Khoa học quốc gia Hoa Kỳ (United States National Science Foundation - NSF) Trên trang web có 400 công cụ khác phục vụ cho nhu cầu đào tạo, nghiên cứu liên quan đến khoa học kỹ thuật nano, đặc biệt lĩnh vực điện tử nano Để tính tốn hiệu suất hoạt động dây cơng cụ BioSensorLab phân tích tác động yếu tố hiệu ứng chắn điện tĩnh, mơi trường phản ứng hay kích thước dây, nghiên cứu này, số tham số kỹ thuật dây nano, đặc tính phần tử sinh học điều kiện môi trường thiết lập cố định Các tham số kỹ thuật trình bày Bảng Bảng Các thông số kỹ thuật đầu vào mô hệ cảm biến dây nano Si Chiều dài: L = μm Độ dày lớp điện môi cách điện: tox = nm Mật độ doping: 1×1019 cm-3 Phần tử sinh học kf = 3×106 (M×s) DNA k r= (1/s) Mật độ thụ kháng thể: 1×1012cm-3 Cặp bazơ DNA: 12 Dây nano Hình (a) Thời gian phản ứng cảm biến dây nano tương ứng với nồng độ phần tử sinh học DNA với dây có bán kính 10 nm (đỏ), 30 nm (xanh cây), 50 nm (xanh da trời), 70 nm (hồng) 100 nm (cam) Đường màu đen có giá trị 100 s thời gian đáp ứng khả dụng hệ cảm biến sinh học; (b) Sự phụ thuộc nồng độ phần tử sinh học theo kích thước dây nano Thời gian để phát phần tử sinh học hay thời gian phản ứng hệ cảm biến thông số quan tâm, thể tốc độ đáp ứng độ linh hoạt cảm biến Nồng độ DNA có chất cần phân tích mật độ phân tử DNA đại lượng quan trọng định thời gian phát phân tử DNA nhanh hay chậm Hình 2a trình bày kết tính tốn thời gian phản ứng hệ cảm biến dây nano theo nồng độ DNA có chất cần phân tích cho dây có bán kính khác Kết tính tốn có thơng qua việc giải phương trình (1) (2) chương trình BioSensorLab Từ kết đạt này, thấy rằng, nồng độ phân tử sinh học DNA cao xác suất tạo liên kết thụ kháng thể gắn bề mặt dây nano silicon phân tử DNA lớn, khiến cho thời gian phát hiện, DNA xảy nhanh hơn, ngược lại, nồng độ DNA có chất phân tích thấp nồng độ phân tử DNA bé thời gian phát phân tử lâu Thêm nữa, giả thiết coi thời gian đáp ứng khả dụng thực tế hệ cảm biến sinh học khoảng 100 s [6], thấy rằng, kích thước dây nhỏ có khả phát phần tử sinh học với nồng độ thấp Theo đó, dây nano có bán kính 10 nm có khả phát phần tử sinh học DNA với nồng độ khoảng 150 fM, cịn dây có bán kính lớn 100 nm phát phần tử sinh học với nồng độ cao khoảng 10 lần Khả phát 76 phần tử DNA theo nồng độ kích thước dây nano trình bày Hình 2b Như vậy, kết nghiên cứu cho thấy hiệu suất hệ cảm biến dây nano Si việc phát phần tử sinh học có giới hạn định phải lưu ý đặc tính kỹ thuật trình thiết kế cảm biến Hình Đường đặc tính thể mật độ phân tử DNA tạo liên kết với thụ kháng thể bề mặt dây (bán kính 30 nm) theo thời gian nồng độ phân tích khác nM (đen), pM (đỏ) 100 fM (xanh da trời) Hình thể mật độ phân tử DNA tạo liên kết với thụ kháng thể bề mặt dây theo thời gian cho hệ cảm biến có bán kính dây 30 nm với nồng độ phân tích khác tương ứng nM, pM 100 fM Kết khảo sát cho thấy, nồng độ phần tử sinh học cao số lượng phần tử sinh học DNA bị bắt giữ thụ kháng thể cố định bề mặt dây lớn Đồng thời, thời gian tăng số phân tử DNA bị phát tăng hệ cảm biến đạt trạng thái bão hòa giá trị thời gian phản ứng định, có cân phản ứng bắt giữ tách phần tử sinh học thụ kháng thể [10] 3.2 Độ nhạy Độ nhạy thông số kỹ thuật quan tâm hệ cảm biến sinh học Đối với cảm biến sinh học dùng Si-NW, độ nhạy thể độ thay đổi độ dẫn điện dây có thay đổi điện tích bề mặt dây tạo liên kết phần tử sinh học thụ kháng thể Mật độ điện tích bề mặt dây phụ thuộc vào thông số dung dịch điện phân cần xét nồng độ phần tử sinh học nồng độ chất đệm ion dung dịch Nguyễn Linh Nam thước khác Kết phân tích cho thấy dây có kích thước giảm độ nhạy hệ cảm biến tăng Điều hoàn toàn phù hợp với phụ thuộc độ nhạy với bán kính dây thể phương trình (10) Kết khảo sát tương tự báo cáo nghiên cứu Nair cộng [4] Mức độ thay đổi độ dẫn điện dây nano hay độ nhạy hệ cảm biến phụ thuộc nhiều vào nồng độ phần tử DNA có dung dịch phân tích Sự thay đổi độ nhạy hệ cảm biến dây nano theo nồng độ phân tích trình bày Hình Các tham số kỹ thuật chọn để tính tốn Bảng 1, nồng độ ion dung dịch điện phân 0,001 M bán kính dây 30 nm Kết tính tốn có cách giải đồng thời hai phương trình (6) (8) thơng qua cơng cụ mơ BioSensorLab Kết thể Hình cho thấy hệ cảm biến dây nano có khả phát phần tử DNA với nồng độ phân tích mức vài chục nM dung dịch điện phân có mặt phần tử ion Khi nồng độ phân tử DNA dung mơi đủ lớn (10-7 ÷ 10-6 M) độ nhạy hệ cảm biến cao, ngược lại, nồng độ phân tử DNA thấp (