(A) Chiết suất lớp silic xốp tăng làm các đỉnh dao động dịch chuyển sang bước sóng dài hơn (dịch đỏ). (B) Chiết suất lớp silic xốp giảm làm đỉnh dao động dịch chuyển sang bước sóng ngắn hơn (dịch xanh). (C) Các phân tử và nguyên tử không xâm nhập vào lớp silic xốp làm
giảm cường độ phản xạ (dịch vàng).
Lớp silic xốp ngoài phân tích các phân tử nguyên tử dạng lỏng cũng có khả năng chọn lọc các hơi qua sự lắng đọng mao dẫn [5]. Hiện tượng lắng đọng này được tính toán thông qua phương trình Kelvin:
0 2 ln( ) K M r P RT P (1.6) Trong đó: rk - bán kính Kelvin. γ - sức căng bề mặt.
𝑀 - khối lượng mol của chất lỏng.
P - áp suất hơi riêng phần của chất khí. T - nhiệt độ của cảm biến.
P0 - áp suất khí cân bằng ở nhiệt độ 𝑇.
Mối liên hệ này chỉ ra rằng silic xốp là vật liệu rất phù hợp cho việc phát hiện các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (Volatile Organic Compounds - VOCs) là các tác nhân tác động lên hệ thần kinh như phosphate, amoniac, axit hydrofluoric.
1.2.3. Cảm biến phân tử sinh học
Cấu trúc của silic xốp với chức năng hóa bề mặt cảm nhận nhiều phân tử sinh học khác nhau. Các cảm biến sinh học quang học dựa trên nguyên lý chung là do các phân tử sinh học cần phân tích xâm nhập vào các lỗ xốp làm lấp đầy chúng làm cho chiết suất của lớp silic xốp tăng lên và làm dịch chuyển bước sóng cộng hưởng.
Đã có rất nhiều nhà nghiên cứu đã nghiên cứu về các cảm biến sinh học. Lin - người đầu tiên công bố việc sử dụng cấu trúc silic xốp làm cảm biến sinh học vào năm 1997 [22]. Nhóm nghiên cứu của Lin đã chế tạo cảm biến silic xốp sau đó đo phổ phản xạ của mẫu đã chế tạo và thu được phổ phản xạ dịch chuyển khi phân tích DNA và các protein khi cho chúng lên trên bề mặt cảm biến. Bề mặt cảm biến silic xốp được chức năng hóa như một bộ phận chuyển đổi và tích hợp với các phân tử sinh học khác nhau bao gồm các phân tử nhỏ.
Người thứ hai đưa ra kết quả nghiên cứu của mình về việc phát triển cảm biến sinh học bằng silic xốp là Anderson [13]. Nhóm nghiên cứu của ông đã thực hiện đo phổ phản xạ của mẫu silic xốp khi cho dung dịch đường mía xâm nhập vào bên trong các lỗ xốp, nhưng khả năng phát hiện của các mẫu chế tạo được còn hạn chế trong việc phát hiện các phân tử nguyên tử có kích thước lớn. Sau đó Ouyang và các đồng nghiệp của ông đã có sự cải tiến trong việc chế tạo các mẫu cảm biến silic xốp có khả năng phát hiện các phân tử lớn và thấy được độ nhạy của cảm biến phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp, độ xốp và độ dày của lớp silic xốp [7].
Từ các nghiên cứu trên, việc phát hiện các tương tác protein bằng cảm biến sinh học silic xốp. Các cảm biến sinh học bằng cấu trúc silic xốp có những ưu điểm vượt trội như quá trình chuẩn bị dễ dàng, diện tích bề mặt phân tích lớn và khả năng phát hiện các chất dần phân tích với độ tin cậy cao. Nhóm nghiên cứu DeLouise là một nhóm nghiên cứu rất thành công với việc phát triển cảm biến sinh học bằng silic xốp [7], họ có thể phát hiện các chất cần phân tích dưới dạng lỏng thông qua độ dịch bước sóng cộng hưởng do sự thay đổi chiết suất khi các phân tử của chất cần phân tích xâm nhập vào trong các lỗ xốp và họ đo phổ phản xạ của cấu trúc silic xốp khi các chất cần phân tích đã xâm nhập được thể hiện trong hình 1.8. Điều này đã được coi là bước tiến mới khi áp dụng các cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc silic xốp.