Nồng độ GAD (%) 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0
Đơn vị huỳnh quang tương đối 3,03 4,12 5,66 8,76 7,37
Kết quả cho thấy, độ sáng huỳnh quang tăng khi nồng độ GAD từ 1,0 % đến 2,5 % và giảm khi nồng độ lớn hơn 2,5%.
Hình 3.1.3: Sự phụ thuộc của tín hiệu huỳnh quang vào nồng độ GAD.
Kết quả này có thể là do nồng độ GAD nhỏ hơn 2,5% không đủ để phản ứng giữa cyteamine và GAD đạt tốc độ lớn nhất, nồng độ càng nhỏ thì tốc độ phản ứng càng nhỏ dẫn đến mật độ các phân tử F-LCA gắn trên bề mặt mẫu cũng giảm nên cường độ huỳnh quang giảm theo. Tuy nhiên, khi nồng độ GAD cao hơn 2,5% thì tín hiệu huỳnh quang lại giảm đi. Nguyên nhân của hiện tượng này cũng chưa được rõ. Như vậy, nồng độ GAD 2,5% được chọn là tối ưu.
Hình ảnh huỳnh quang các mẫu wafer theo nồng độ GAD được thể hiện như trong hình 3.1.4. 0 2 4 6 8 10 12 14 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 Đơ n vị h u ỳn h q u an g tƣ ơn g đ ối Nồng độ GAD (%)
Hình 3.1.4: Ảnh huỳnh quang của các mẫu theo nồng độ GAD: a) 1%; b) 1,5%; c)
2%; d) 2,5%; e) 3%.
3.1.3. Đánh giá hiệu quả biến đổi bề mặt thông qua góc tiếp xúc
Áp dụng quy trình cysteamine tối ưu trên 3 mẫu wafer SiNx phủ Au ở mặt trên, kích thước 10x10 mm. Tiến hành đo góc tiếp xúc của nước trên 3 mẫu, mỗi mẫu đo ba lần và lấy giá trị trung bình, đã thu được bảng số liệu dưới đây:
a) b)
c) d)
Giá trị
Sau khi rửa Piranha 74,6 0,6 75,7 0,4 74,9 0,5
Sau khi gắn cysteamine 61,1 1,0 -13,6 60,9 1,4 -14,8 62,1 0,3 -12,8
Sau khi gắn GAD 68,1 1,2 7,0 67,1 1,9 6,2 66,9 1,9 4,8
Sau khi gắn F-LCA 57,7 0,7 -10,4 57,6 1,0 -9,5 55,1 2,2 -11,9
Chú thích:
- Đơn vị đo góc tiếp xúc là độ (o
).
- : góc tiếp xúc trung bình của 3 lần đo trên một mẫu. - : sai số của kết quả đo.
- : hiệu giữa 2 góc tiếp xúc đo sau và trước khi thực hiện bước biến đổi bề mặt tương ứng.
Từ bảng số liệu, có thể rút ra một số nhận xét như sau:
- Trước khi ngâm cysteamine, bề mặt Au ở tất cả các mẫu đều không ái nước lắm (góc tiếp xúc cao, chừng 75o).
- Sau khi ngâm cysteamine, góc tiếp xúc giảm xấp xỉ 13 độ. Nguyên nhân có thể là do sự hiện diện của nhóm amine (-NH2), có tính phân cực nên làm tăng tính ái nước trên bề mặt mẫu wafer lên nên góc tiếp xúc giảm. Từ kết quả này có thể dự đoán sự tồn tại của lớp cysteamine trên mẫu wafer.
- Sau khi ngâm GAD, góc tiếp xúc lại tăng lên vài độ nhưng vẫn thấp hơn nhiều so với bề mặt Au thuần túy. Trong GAD có chứa nhóm aldehyde (-CHO), mà CHO cũng có tính phân cực nhưng có thể yếu hơn nhóm amine (-NH2), đây có thể là nguyên nhân khiến góc tiếp xúc tăng lên lại một chút.
- Sau khi ngâm F-LCA thì góc tiếp xúc lại giảm khoảng 10o. Có thể F-LCA làm tăng tính ái nước của bề mặt so với GAD. Nguyên nhân còn chưa thể biết rõ, nhưng qua kết quả cho thấy có sự khác biệt rõ về tính dính ướt nước bề mặt trước và sau khi ngâm F-LCA.
Kết quả đo góc tiếp xúc cho thấy bề mặt Au qua mỗi lần biến đổi bề mặt đều có sự thay đổi tính dính ướt. Điều này chứng minh rằng các phương pháp biến đổi bề mặt đã thành công.
3.1.4. Kết quả thử nghiệm thanh dao động để phát hiện AFP
Sử dụng các thông số tối ưu của quy trình cysteamine để biến đổi bề mặt Au của thanh dao động, thực hiện quy trình dò tìm AFP ứng với các nồng độ khác nhau từ 0 ng/ml đến 500 ng/ml. Đo độ lệch của thanh dao động đã thu được kết quả thể hiện trong đồ thị hình 3.1.5:
Hình 3.1.5: Đồ thị thể hiện sự thay đổi độ lệch của thanh dao động ứng với nồng độ
khác nhau của AFP
Đồ thị trên cho thấy, độ lệch của thanh dao động tăng lên khi tăng nồng độ AFP. Mặc dù, không phải là sự tăng tuyến tính nhưng kết quả này cũng chứng tỏ rằng độ cong tăng theo nồng độ AFP. Với phương pháp biến đổi bề mặt Au ở trên, đã phát hiện được AFP từ nồng độ 200 ng/ml.
Kết quả này cho thấy, với quy trình xử lý cysteamine tối ưu, chíp thanh dao động có thể thu nhận được AFP ở nồng độ khá thấp (200ng/ml). Kết quả này sẽ là cơ sở khoa học trong mục tiêu hướng đến ứng dụng làm cảm biến phát hiện chất chỉ thị ung thư gan AFP.
3.2. Qui trình xuất phát từ bề mặt SiNx/SiO2
3.2.1 Kết quả biến đổi bề mặt SiNx chƣa qua xử lý plasma O2 và SiO2
Thực hiện quy trình biến đổi bề mặt SiNx và SiO2 với GOPTS theo mục 2.1.2.1 chúng tôi thu được kết quả huỳnh quang thể hiện trong hình 3.2.1:
0 100 200 300 400 500 600 700 0 100 200 300 400 500 Đ ộ l ệc h (nm) Nồng độ AFP (ng/ml)
a) b)
Hình 3.2.1: Ảnh huỳnh quang của a) wafer SiNx được biến đổi với GOPTS và không được xử lý plasma oxy và mẫu SiO2.
Hình ảnh huỳnh quang thu được với độ sáng trung bình của mẫu SiNx là 1,08 cho thấy gần như không có hoặc có rất ít phân tử F-LCA được cố định trên bề mặt. Điều này chứng tỏ là GOPTS gần như không được cố định trên bề mặt SiNx khi không được xử lý plasma oxy.
Những mẫu SiO2 cho kết quả huỳnh quang rất tốt với độ sáng trung bình là 27,83. Kết quả này một lần nữa khắng định, với bề mặt SiO2 quá trình silane bề mặt rất tốt.
Để tăng hiệu quả biến đổi bề mặt SiNx, đã tiến hành xử lý bề mặt bằng plasma oxy.
3.2.2. Cải tiến quy trình biến đổi bề mặt SiNx bằng phƣơng pháp xử lý plasma oxy
Quy trình được thực hiện như trong sơ đồ ở mục 2.1.2.2. Các thông số của quá trình xử lý plasma dựa theo công trình nghiên cứu [15] và được trình bày như trong bảng 3.2.1:
Bảng 3.2.1: Các thông số của quá trình xử lý plasma oxy
Công suất ICP PICP 300 (W) Công suất Bias PBias 50 (W) Lưu lượng khí oxy FO2 80 (sccm) Áp suất hoạt động Press 10 (Pa) Thời gian xử lý t 60 (phút)
Hình 3.2.2: Ảnh huỳnh quang của mẫu SiNx có xử lý plasma oxy.
Kết quả thu được cho thấy cường độ huỳnh quang được cải thiện đáng kể (với độ sáng trung bình 16,58) so với trường hợp không xử lý plasma oxy, tức là tín hiệu huỳnh quang tăng đến 15 lần. Như vậy, hiệu quả của xử lý bề mặt SiNx bằng plasma oxy là rất lớn. Tuy vậy, độ sáng huỳnh quang chưa thực sự cao nên cần khảo sát quá trình xử lý plasma oxy để tìm ra các thông số tối ưu nhằm đạt hiệu quả biến đổi bề mặt SiNx cao nhất.
3.2.3. Tối ƣu hóa quy trình xử lý plasma oxy
Để tối ưu quy trình xử lý plasma oxy, đã thay đổi các thông số của quá trình xử lý plasma như thời gian, lưu lượng khí oxy và công suất ICP trên các mẫu wafer với bề mặt là lớp SiNx.
Để đánh giá hiệu quả của quy trình, đã sử dụng phương pháp chụp ảnh huỳnh quang, sử dụng phần mềm ImageJ để tính độ sáng trung bình của mẫu. Từ đó, tìm ra các thông số tối ưu.
3.2.3.1. Thời gian xử lý plasma
Để xác định thời gian xử lý plasma tối ưu, đã thay đổi thời gian xử lý (t) từ 20 phút đến 60 phút. Các thông số còn lại như công suất ICP (PICP), công suất bias (PBias), lưu lượng khí oxy (FO2), áp suất làm việc (Press) và giá trị đơn vị huỳnh quang tương đối của
Độ sáng của mẫu thu được tương ứng với lượng F-LCA được gắn trên bề mặt. Hàm lượng F-LCA càng lớn thì chứng tỏ mật độ GOPTS được gắn trên bề mặt càng lớn nghĩa là hiệu quả xử lý plasma oxy bề mặt càng cao.
Hình 3.2.3: Đồ thị thể hiện sự thay đổi của độ sáng huỳnh quang theo thời gian xử lý
plasma oxy.
Đồ thị cho thấy thời gian xử lý plasma càng tăng thì độ sáng huỳnh quang càng tăng. Những mẫu có thời gian xử lý nhỏ hơn 30 phút hầu như không có huỳnh quang và mẫu được xử lý trong ở 60 phút cho giá trị độ sáng huỳnh quang mạnh nhất. Kết quả này có thể là do trong 30 phút đầu, plasma oxy chỉ có mới có tác dụng làm sạch các tạp chất bám trên bề mặt và chưa tạo ra được lớp oxít. Chỉ sau 30 phút bề mặt đã sạch và plasma oxy bắt đầu giúp hình thành lớp oxynitride Si2N2O.
Hình ảnh huỳnh quang của các mẫu được thể hiện trong hình 3.2.4.
0 15 30 45 60 75 90 15 25 35 45 55 65 Đơ n vị đ ộ sán g h u ỳn h q u an g
Thời gian xử lý plasma t (phút)
ICP Bias O2
P = 10 Pa
t (phút) 20 30 45 60
Hình 3.2.4: Ảnh huỳnh quang của 4 mẫu wafer ứng với thời gian xử lý plasma khác
nhau: a) 20 phút; b) 30 phút; c) 45 phút; d) 60 phút.
3.2.3.2. Ảnh hƣởng của lƣu lƣợng khí oxy
Sau khi tìm ra được thời gian xử lý plasma tối ưu là 60 phút, đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng khí O2 bằng cách thay đổi giá trị lưu lượng O2 từ 20 đến 160 sccm, các thông số còn lại và kết quả đơn vị huỳnh quang tương đối được thể hiện trong bảng 3.2.3.
Bảng 3.2.3: Các thông số quá trình xử lý plasma oxy.
PICP= 300 W; PBias= 50 W t = 60 phút
Press= 10 Pa
a) b)
Kết quả trên cho thấy, lưu lượng khí O2 có ảnh hướng lớn đến hiệu quả xử lý plasma từ đó ảnh hưởng đến mật độ nhóm silanol trên bề mặt của mẫu. Hiệu quả biến đổi bề mặt không cao nếu lưu lượng khí O2 quá lớn hoặc quá nhỏ. Kết quả thu được cũng cho thấy lưu lượng khí O2 tối ưu là 40 sccm.
Hình 3.2.5: Đồ thị sự phụ thuộc của tín hiệu huỳnh quang vào lưu lượng khí oxy.
Kết quả này có thể là do:
Với lưu lượng khí oxy nhỏ thì ít có oxy trong buồng và nhận năng lượng plasma để hoạt hoá và phản ứng với các phân tử Si ở bề mặt mẫu.
Với lượng khí oxy quá lớn thì plasma không cung cấp đủ năng lượng cho tất cả oxy để hoạt hoá nên cản trở quá trình phản ứng của các oxy có hoạt tính hóa học cao với bề mặt mẫu. Vì vậy, lớp oxít hình thành trên bề mặt không đủ để tạo ra mật độ nhóm silanol lớn.
Ảnh huỳnh quang của các mẫu được thể hiện trong hình 3.2.6:
0 15 30 45 60 75 90 15 35 55 75 95 115 135 155 Đơ n vị h u ỳn h q u an g tƣ ơn g đ ối Lƣu lƣợng khí oxy FO2(sccm)
Hình 3.2.6: Ảnh huỳnh quang của các mẫu ứng với lưu lượng khí oxy khác nhau: a) 20 sccm; b) 40 sccm; c) 80 sccm; d) 120 sccm; e) 160 sccm. b) a) c) d) e)
plasma ICP với mục đích tìm giá trị tối ưu của công suất trong quá trình xử lý plasma. Bảng 3.2.4 trình bày các thông số của quá trình xử lý:
Bảng 3.2.4: Các thông số quá trình xử lý plasma oxy.
Kết quả này cho thấy công suất plasma ICP tối ưu ứng với 300 W, nhỏ hơn hay lớn hơn giá trị này đều cho hiệu quả xử lý không cao.
Hình 3.2.7: Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của tín hiệu huỳnh quang vào công suất xử
lý plasma ICP.
Với công suất ICP thấp, plasma không cung cấp đủ năng lượng để kích hoạt các phân tử oxy trong buồng phản ứng. Tuy nhiên lí do vì sao ở chế độ công suất cao thì hiệu quả xử lý bề mặt lại giảm là vấn đề cần nghiên cứu tìm hiểu thêm.
0 20 40 60 80 150 250 350 450 Đơ n vị h u ỳn h q u an g tƣ ơn g đ ối
Công suất ICP PICP (w)
PBias= 50 W; Press = 10 Pa FO2 = 40 sccm
T = 60 phút
PICP (W) 200 300 400 Đơn vị huỳnh quang tương đối 2,66 75,50 16,04
Hình ảnh huỳnh quang của các mẫu được thể hiện trong hình 3.2.8.
Hình 3.2.8: Ảnh huỳnh quang của các mẫu theo công suất plasma ICP: a) 200 W; b)
300 W; c) 400 W.
3.2.3.4. Các thông số xử lý plasma tối ƣu
Từ các kết quả khảo sát trên, đã tìm ra các thông số tối ưu của quá trình xử lý plasma oxy ghi nhận trong bảng 2.3.5.
Bảng 3.2.5: Các thông số tối ưu của quá trình xử lý plasma oxy
PICP 300 (W)
PBias 50 (W)
a) b)
t 60 (phút)
Ứng dụng vào quy trình xử lý plasma, kết quả huỳnh quang thu được so sánh với huỳnh quang của mẫu không được xử lý plasma oxy mô tả trong hình 3.2.9.
a) b)
Hình 3.2.9: Ảnh huỳnh quang: a) mẫu không được xử lý plasma oxy; b) mẫu xử lý
plasma oxy với các thông số tối ưu.
Hình 3.2.9 cho thấy được sự khác biệt rất rõ về độ sáng huỳnh quang của mẫu không được xử lý và được xử lý plasma oxy với các thông số tối ưu. Có thể kết luận rằng, việc xử lý plasma oxy đã làm tăng đáng kể mật độ nhóm silanol trên bề mặt, vì vậy làm tăng mật độ GOPTS được gắn và cuối cùng tăng mật độ F-LCA cố định trên bề mặt mẫu. Từ đó có thể khẳng định rằng, đã thành công trong việc biến đổi bề mặt wafer có phủ lớp SiNx. Những kết quả này sẽ được áp dụng để biến đổi bề mặt thanh dao động có phủ lớp SiNx hướng đến ứng dụng làm cảm biến phát hiện chất chỉ thị ung thư gan DKK1.
3.2.4. Áp dụng quy trình xử lý plasma vào quy trình APTES +GAD tối ƣu
Đã áp dụng các giá trị tối ưu của quá trình xử lý plasma vào quy trình APTES tối ưu (nồng độ 1%, thời gian ngâm 60 phút) để biến đổi bề mặt thanh dao động.
Đánh giá hiệu quả được thực hiện bằng phương pháp chụp ảnh huỳnh quang F-LCA gắn trên bề mặt thanh dao động thông qua liên kết giữa nhóm amine (-NH2) của F-LCA và nhóm aldehyde (-CHO) của glutaraldehyde. Kết quả thể hiện ở hình 3.2.10.
Hình 3.2.10: Hình ảnh huỳnh quang của F-LCA trên thanh dao động được biến tính
bề mặt sử dụng các thông số tối ưu của quy trình APTES.
Kết quả ảnh huỳnh quang thu được cho thấy phân bổ của F-LCA trên bề mặt khá đều với mật độ lớn. Điều này chứng tỏ hiệu quả biến đổi tốt, là kết quả khả quan để hướng đến ứng dụng trong cảm biến sinh học phát hiện chỉ thị ung thư gan.
Hiệu quả của quá trình biến đổi bề mặt thanh dao động còn được khắng định thông qua phản ứng đổi màu xúc tác bởi enzim HRP.
Thanh dao động SiNx được gắn APTES, GAD và sau đó cho phản ứng HRP (horseradish peroxidase) trong PBS pH 7.4, qua đêm. Kiểm tra sự tồn tại của HRP lên bề mặt chip bằng cách ngâm chip vào dung dịch và quan sát sự đổi màu dung dịch.
Hình 3.2.11: Độ hấp thụ của dung dịch được đo bằng máy quang phổ UV-VIS với
bước sóng hấp thụ khoảng 540 nm.
Trong thí nghiệm này, sau khi chip được gắn enzim HRP và ngâm vào dung dịch H2O2 và o-dianisidine. Tất cả các dung dịch ngâm đều chuyển thành màu hồng, riêng dung dịch H2O2 và O-dianisidine ngâm chip SiNx chưa qua các bước biến đổi bề mặt thì vẫn không thay đổi (ứng với đường cong baseline). Điều này cho thấy, qui trình biến đổi bề mặt đã xảy ra và được chứng minh nhờ enzim HRP. Để kiểm chứng kỹ hơn, các dung dịch được đem đi đo phổ hấp thụ bằng máy UV-Vis, Cary100. Qua phổ UV-Vis, có thể thấy các mẫu có gắn HRP đều có sự hấp thụ tăng lên ở bước sóng 540 nm, đây là đỉnh hấp thụ đặc trưng của o-dianisidine ở dạng bị oxi hóa. Riêng dung dịch của mẫu SiNx