Chương 4 Chíp cảm biến quang học SGR-DNA
5.1. Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của DNA vào độ pH của
Sự phụ thuộc của hằng số điện môi của DNA vào độ pH của môi trường đã
được chỉ ra trong tại liệu [6] và [7]. Qua hai tài liệu cho thấy sự thay đổi của gia số điện môi và thời gian trễ khi pH thay đổi và dữ liệu thực nghiệm [8]; hàm fit của gia
Hình 5.1: Sự thay đổi của gia số điện môi và thời gian trễ khi pH thay đổi
Hình 5.2: Dữ liệu thực nghiệm và hàm fit của số gia điện môi của DNA phụ thuộc vào pH
Sau khi fit các số liệu thực nghiệm bằng hàm bậc ba ta thu được hàm của
hằng số điện môi theo độ pH như sau:
(5.1)
5.2 Sự phụ thuộc của năng lượng exicton vào pH của môi trường
Trong chương trước ta đã xây dựng cơng thức tính năng lượng exciton theo mơ hình Wannier cho mạng hai chiều và sự biến thiên của năng lượng liên kết exciton đó khi có sự chuyển pha từ loại B-DNA sang Z-DNA. Hằng số điện môi
của DNA và dung dịch bao quanh SGN thay đổi khi độ pH thay đổi. Tương tự như
đối với chíp cảm biến DNA – CNT ta có sự phụ thuộc của hằng số điện môi hiệu
dụng được biểu diễn như sau:
(5.2) f là tỷ lệ diện tích bề mặt DNA bao phủ trên tổng diện tích bề mặt của SGR. Trong đó :
Với l là chiều dài của đoạn DNA:
Tính tốn cụ thể cho trường hợp B-DNA và Z-DNA ta thu được:
Thay vào công thức (5.2) ta được:
2 al f bW = 2 2 2 4 b l= +W 2 2 2 0 0 2 2 2 0 0 0 4 2 4 4 r b a f W r b r W π π π + = + −
( ) ( ) 2 2 2 3 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) 4 ( ) . 0, 044 0,89 5, 93 6, 24 2 4 4 W 4 + 1- . 2 4 4 W 10 o o o o o o o o o p o o o d p npH p p r b a pH pH pH pH W r b r r b A a K W r b r A A A K π ε π π π ε π π − + = − + − + + − + + − − + + (5.3)
Thực hiện tính tốn số với hai trường hợp B-DNA và Z-DNA ta thu được:
Hình 5.3: Sự phụ thuộc của hằng số điện môi hiệu dụng vào độ pH của môi trường
Dựa vào tài liệu [3] năng lượng liên kết exicton của SGR trong dung dịch là:
Và năng lượng exicton trung hòa là:
Từ đây ta có:
Vì vậy phương trình trên được viết thành:
Cũng thực hiện tính tốn số cho công thức này ta thu được kết quả sự phụ thuộc của năng lượng exicton vào độ pH của môi trường như sau:
Hình 5.4 Sự phụ thuộc của năng lượng exicton vào độ pH của môi trường
Trong những tính tốn trên đây, chúng ta đã giả thiết rằng nồng độ muối ổn định để DNA tồn tại trong một trạng thái khi pH thay đổi. Qua kết quả tính tốn số
cho thấy, mơi trường hoạt động tốt nhất cho chíp cảm biến là mơi trường có độ pH khoảng từ 6 đến 9. Ngoài khoảng pH này, DNA sẽ bị biến tính.
Kết Luận
Mơ hình Biosensor quang sử dụng Graphene bắt đầu được quan tâm do
những ưu điểm của graphene so với carbon nanotubes đã được nghiên cứu từ năm
2009. Theo hướng này, từ mơ hình biosensor sử dụng ống nano carbon tôi đã cải
tiến và đưa ra một mơ hình Biosensor mới được chế tạo từ graphene và DNA. Dựa trên các kết quả từ mơ hình Biosensor quang sử dụng ống nano carbon kết hợp với những nghiên cứu mới về Graphene, tôi đã xây dựng thành cơng mơ hình Biosensor quang sử dụng graphene và thu được các kết quả chính sau:
1. Xây dựng được mơ hình lý thuyết của cảm biến sinh học Biosensor SGR- DNA và tìm ra sự biến đổi của hằng số điện môi hiệu dụng của mơ hình theo độ
rộng dải SGR ứng với hai loại DNA khác nhau.
2. Tìm được sự phụ thuộc của năng lượng liên kết exciton trong biosensor
theo độ rộng SGR và sự biến thiên của năng lượng liên kết exciton đó khi có sự
chuyển pha từ loại B-DNA sang Z-DNA.
3. Xây dựng cơng thức giải tích và biểu diễn sự phụ thuộc của hằng số điện môi và năng lượng exicton vào độ pH của môi trường của chíp cảm biến làm từ
Semiconductor Graphene Ribbonsvà DNA. Từ đó chỉ ra điều kiện mơi trường làm việc thích hợp của chíp cảm biến SGR-DNA
Trên đây là những kết quả sơ lược ban đầu, để tìm được năng lượng exciton
trong Graphene chính xác hơn và mơ hình biosensor được hồn thiện hơn cần tiến
hành tính tốn đo đạc trên thực nghiệm. Trên đây là những tính tốn lý thuyết, để đưa mơ hình lý thuyết của biosensor SGR-DNA ứng dụng thực tế, cần một quá
trình nghiên cứu sâu bằng thực nghiệm. Hy vọng trong thời gian tới, những nghiên cứu tiếp theo về lĩnh vực này sẽ chế tạo thành công biosensor và ứng dụng trong tìm và chữa bệnh.
TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng việt
1. Đỗ Phi Hùng (2007) , “ Hiệu ứng exicton trong SWNT-DNA ”, Luận văn Thạc
sỹ, Viện vật lý – Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam.
2. Vũ Văn Hùng (2006), “ Cơ học lượng tử”, NXB Đại học Sư Phạm Hà Nội. 3. Vũ Thúy Hường (2008., “ Khảo sát tính chất của chíp cảm biến làm từ DNA và
ống Cacbon phụ thuộc vào độ pH của môi trường”, Luận văn Thạc sỹ Vật lý, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
3. Nguyễn Thế Khôi (1992), Nguyễn Hữu Mình, “ Vật lý chất rắn”, NXB Giáo Dục, Hà Nội.
4. Nguyễn Thị Thảo (2010), “ Hiệu ứng exicton trong Graphene và biosensor
AGNRs-DNA ”, Luận văn Thạc sỹ Vật lý , Trường Đại học Sư phạm Hà Nội.
Tiếng Anh
5. Anderson, J. E. (1985), "The Relative Inefficiency of Quota, The Cheese Case",
American Economic Review, 75(1), PP. 178-190.
7. A. H. Castro Neto , F. Guinea, N. M. R. Peres, K. S. Novoselov, A. K. Geim
(2009), “ The electronic properties of graphene”, Rev. Mod. Phys. 81, 109 . 8. Alexander Mattausch, Oleg Pankratov (2007) , “Ab initio Study of Graphene on
SiC”, Phys. Rev. Lett. 99.076802 .
9. Barone, Verónica; Hod, Oded; Scuseria, Gustavo E. (2006), “Electronic
Structure and Stability of Semiconducting Graphene Nanoribbons”, Nano
Letters, vol. 6, No.12, pp. 2748-2754.
10. B. Gerlach, J. Wuesthoff (Uni. Dortmund), M. O. Dzero, M. A. Smondyrev
(JINR, Dubna) (1998), “On the exciton binding energy in a quantum
well”, Phys.Rev.B.58,10568 .
11. Cheol-Hwan Park and Steven G. Louie (2010), “Tunable Excitons in Biased
Bilayer Graphene”, Nano Lett., 10 (2), pp 426–431.
12. Chun-Xu Zhang, Guo-Zhu Liu, Ming-Qiu Huang (2011), “Dynamical fermion
13. C.R. Dean, A.F. Young, P. Cadden-Zimansky, L. Wang, H. Ren, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, J. Hone, K.L. Shepard (2007), “Multicomponent
fractional quantum Hall effect in graphene”, arXiv:1010.1179v1.
14. Cyrille Barreteau, Daniel Spanjaard, Marie-Catherine Desjonqueres, Andrzej
Oles (2004), “Effects of inter-site Coulomb interactions on ferromagnetism:
Application to Fe, Co and Ni”, Phys. Rev. B.69, 064432.
15. D. P. Hung (2007), “ On the new type of optical Bio-sensor from DNA-wrapped
carbon nanotubes”, Thesis.
16. Ezawa, Motohiko (2007), “Graphene Nanoribbon and Graphene Nanodisk”,
J.physe.09.031.
17. Hartmut Haug, Stephan W. Koch (2004), “ Quantum theory of the Optical and
Electronic properties of Semicondctors”, World Scientific.
18. Huaixiu Zheng, Zhengfei Wang, Tao Luo, Qinwei Shi, Jie Chen ,( 2006), “
Analytical Study of Electronic Structure in Armchair Graphene
Nanoribbons”, arXiv:cond- mat/0612378v2.
19. H.Y. He, Y. Zhang, B.C. Pan (2010), “Tuning electronic structure of graphene
via tailoring structure- theoretical study”, J. Appl. Phys. 107, 114322.
20. J. H. Grönqvist, T. Stroucken, G. Berghäuser, S.W. Koch (2011), “Excitons in
Graphene and the Influence of the Dielectric Environment”,
21. Joaquín E. Drut, Timo A. Lähde (2009), “Lattice field theory simulations of
graphene”, Phys. Rev. B.79,165425.
22. P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M.
R. Peres, A. K. Geim1 (2008), “Fine Structure Constant Defines Visual