Kết quả sự thay đổi tín hiệu từ điện trở và độ nhạy ( ) của cảm biến được nghiên cứu tại dòng cấp I = 1 mA, đo được tín hiệu AMR theo phương vuông góc với phương ghimđược chỉ ra trên hình 3.2.
Từ đồ thị hình vẽ trên ta thấy, độ lệch tín hiệu điện thế lớn nhất tại từ trường cỡ 4 Oe, đạt được ΔV = 7,6 mV và độ nhạy lớn nhất đạt được SH =
2,25 mV/Oe, tại dòng cấp 1 mA. Giá trị từ trường 4 Oe cũng được coi là điểm nhạy nhất và chọn là điểm làm việc của cảm biến cho các mục đích ứng dụng.
Hình 3.2 (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L = 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng với các
dòng cấp 1 mA
Khi đo với các dòng điện với cường độ khác nhau I = 1, 2, 3, 4 mA kết quả được chỉ ra trên hình 3.3. Ta thấy, với các dòng lớn lơn tín hiệu lớn hơn tương ứngsố lần của dòng cấp.
40
Hình 3.3. (a) Đường cong tín hiệu độ lệch thế trên cảm biến kích thước L = 4 mm, W = 150 µm, t = 5 nm và (b) Đường cong độ nhạy tương ứng với các
dòng cấp khác nhau
3.3. Phát hiện hạt từ bằng cảm biến
Sơ đồ bố trí hệ đo phát hiện hạt từ được thể hiện như hình 3.4a. Cảm biến và nam châm vĩnh cửu được cố định trong cuộn Helmholtz. Hạt từ đường kính hạt 50 nm, nồng độ 10 mg/ml, từ độ bão hòa Ms = 17 emu/g. Từ trường tán xạ của các hạt từ sẽ làm thay đổi từ trường tác dụng vào cảm biến theo công thức: H = Hhelmholtz + Hhạt từ. Kết quả là làm cho thế lối ra của cảm biếnsẽ tăng lên hoặc giảm đi một lượng ∆V. Độ nhiễu nhiệt của cảm biến xác
định được là ∆υ = 20 µV. Trong phép thực nghiệm này, chúng tôi khảo sát tại điểm làm việc của cảm biến H = 4 Oe và tại dòng cấp I = 1 mA tác dụng vào cảm biến. Kết quả cho thấy với lượng hạt từ 1µg từ độ lệch tín hiệu cảm biến ∆V = 40 µV ~ 2.∆υ nên ta nhận biết tương đối rõ (hình 3.4b). Khi lượng hạt từ tăng lên gấp đôi thì tín hiệu thu được cũng tăng gấp đôi.
41
Hình 3.4. (a) Sơ đồ thực nghiệm phát hiện hạt từ của cảm biến loại đơn thanh
và (b) Sự phụ thuộc tín hiệu cảm biến vào lượng hạt từ theo thời gian
So sánh kết quả nghiên cứu này với cảm biến dựa trên hiệu ứng hall cũng sử dụng vật liệu NiFe đã được công bố trong khóa luận tiến sĩ Bùi Đình Tú, theo đó cảm biến hall này đã được lượng hạt thuận từ thương mại Dynabeads®M-280 cho độ lệch thế 2,2 µV. Cảm biến được nghiên cứu trong khóa luậncho tín hiệu gấp cỡ gần 20 lần. Cũng với cảm biến Hall được công bố bởi Louise Ejsing, cảm biến trong khóa luận gấp cỡ 1,5 lần. Nếu đem so sánh với công bố trên cảm biến GMR, phát hiện hạt từ đường kính khác nhau được công bố bởi Wei Wang, tín hiệu của cảm biến nghiên cứu trong khóa luận là tương đương.
3.4. Định hướng ứng dụng làm cảm biến sinh học phát hiện vi khuẩn
gây bệnh
Mục tiêu quan trọng nhất của cảm biếndựa trên hiệu ứng từ điện trở dị hướng ứng dụng để phát hiện vi khuẩn gây bệnh. Trong khuôn khổ khóa luận,
từ việc phát hiện hạt từ của cảm biến, chúng tôi đề xuất mô hình cảm biến phát hiện phần tử sinh học được thể hiện như hình 3.5.
42
Hình 3.5. Mô hình cảm biến AMR phát hiện hạt từ trên thẻ SPA khi lai với
ADN đích và đánh dấu bằng hạt từ: (a) Sơ đồ mô tả, (b) Ảnh chụp cảm biến và thẻ SPA trong cuộn Helmholtz, (c) Từ thông tạo ra bởi nam châm
vĩnh cửu (H) và hạt từ (h)
Ở cảm biến truyền thống, các đầu dò ADN được cố định trực tiếp trên bề mặt cảm biếnvà mẫu cần phân tích được xử lý ngay trên bề mặt cảm biến, do đó chất lượng bề mặt cảm biếnsẽ bị kém đi sau mỗi lần sử dụng và khó có thể tái sử dụng lại được nên giá thành cho một mẫu phân tích khá cao. Chính vì vậy, hiện nay một trong các xu hướng nghiên cứu phát triển các cảm biến sinh học trong phân tích y sinh là chế tạo và phát triển các thẻ sử dụng một lần, trên đó cố định các đầu dò sinh học và sử dụng cảm biến làm bộ phận phát hiện. Các thẻ sử dụng một lần trong hệ thống phân tích y sinh có nhiều ưu điểm. Trước hết, quá trình xử lý và đánh dấu mẫu được thực hiện trên thẻ, sau đó thẻ được đưa vào cảm biến để phát hiện, do đó không làm ảnh hưởng đến chất lượng của cảm biến sau mỗi lần sử dụng. Nhờ vậy, cảm biến có thể
43
sử dụng để phát hiện nhiều mẫu, chỉ cần thay thẻ cho mỗi mẫu phân tích. Một ưu điểm khác của việc sử dụng thẻ một lần là có thể phát hiện các loại mẫu phân tích khác nhau trên một cảm biếnchỉ cần sử dụng các thẻ khác nhau với các loại đầu dò khác nhau đặc hiệu loại mẫu cần phân tích đó. Bên cạnh đó, việc chế tạo các thẻ sử dụng một lần thường không phức tạp và cũng ít tốn
kém.
Cảm biến sinh học dựa trên cảm biếntừ điện trở với nhiều ưu điểm như: tiêu thụ ít năng lượng, tín hiệu nhiễu thấp, độ ổn định cao, tốc độ nhanh, độ nhạy cao, dễ tích hợp đang được nghiên cứu, phát triển và ứng dụng trongchẩn đoán y
sinh. Hệ cảm biến sinh học gồm cảm biến từ dựa trên cấu trúc từ điện trở dị hướng AMR và thẻ sử dụng một lần mang đầu dò đặc hiệu cho gen của vi khuẩn (thẻ SPA) phát hiện được sợi đơn ADN đích. Việc kết hợp thẻ sử dụng một lần với cảm biến AMR để phát hiện ADN có nhiều ưu điểm hơn so với phương phát phát hiện ADN ngay trên bề mặt cảm biến trong các cảm biến trước đây như: thuận tiện hơn trong sử dụng, hiệu quả cao hơn, giá thành rẻ hơn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
3.5. Kết luận
Với việc ứng dụng công nghệ chế tạo cảm biến nhờ vào hệ thống thiết bị tại phòng thí nghiệm Micro –nano, khóa luậnđã nghiên cứu chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone đơn thanh dài.
Khóa luận đã thu đƣợc một số kết quả sau :
- Tìm hiểu về cảm biến sinh học nói chung và cảm biến dựa trên các hiệu ứng từ - điện trở; đặc biệt là cảm biến dựa trên hiệu ứng từ điên trở dị hướng.
- Nghiên cứu việc chế tạo cảm biến mạch cầu Wheatstone dạng đơn thanh kích thước rộng W = 0,15 mm, dài L = 4 mm, dày t = 5 nm
- Thế lối ra của cảm biến phụ thuộc vào dòng cấp, độ lệch tín hiệu
44
nhất đạt được SH = 2,25 mV/Oe, tại dòng cấp 1 mA. Giá trị này tăng lên số
lần tương ứng khi tăng dòng cấp.
-Thử nghiệm cảm biến phát hiện hạt từ đường kính hạt 50 nm, nồng độ
10 mg/ml, từ độ bão hòa Ms = 17 emu/g với lượng nhỏ nhất 1 µg.
45
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt
[1] Lê Đức Anh, Ảnh hưởng của trường tương tác lên độ nhạy của cảm biến Hall phẳng,khóa luận tốt nghiệp, Trường Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội,2009.
[2] Nguyễn Hữu Đức, Vật liệu từ cấu trúc nano và điện tử học spin, NXB DHQG Hà Nội, 2008
[3] Nguyễn Năng Định, Vật lý kĩ thuật màng mỏng, NXB DHQG Hà Nội, 2005
[4] Cao Xuân Hữu, “Cảm biến sinh học sử dụng hạt nano từ”, Tạp chí khoa học và công nghệ Việt Nam, 2013, tr. 50 – 54.
[5] Bùi Đình Tú, Chế tạo và nghiên cứu một số cấu trúc spin - điện tử micro - nano ứng dụng trong cảm biến sinh học, khóa luận tiến sĩ, Trường
Đại học Công nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2014
[6] Đồng Quốc Việt, Ứng dụng công nghệ micro – nano chế tạo tổ hợp cảm biến từ, luận văn thạc sĩ, Trường Đại học Công Nghệ, Đại học Quốc gia Hà Nội, 2013
[7] Cảm biến sinh học, Tạp chí www.hoahocngaynay.com, 2010
Tiếng Anh
[8] Dieny, V.S.Speriosu, S. Metin, S. S. P. Parkin, B. A. Gurney, P.
Baumgart, and D. R. Wilhoit (1991), “Magnetontransport properties of
magnetically soft spin-valve (invited)”, J. Appl. Phys. (69), 4774.
[9] Robert C. O’Handley, Modern Magnetic Materials: Principles and Applications, John Wiley & Sons, 2000
[10] Janice Nickel, Magnetoresistance Overview, Hewlett-Packard Laboratories, Technical Publications Department, 1995
46
[11] Junyi Zhai, Shuxiang Dong, Zengping Xing, Jiefang Li, and D. Viehland, Geomagnetic sensor based on giant magnetoelectric effect, Applied Physics Letters 123513, 2007
[12] web.archive.org/web/20081120231756/http://www.nae.edu/NAE/a wardscom.nsf/weblinks/NAEW-69KRPQ (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});