1.3.1. Ứng dụng trong laser và diode.
ZnS có độ rộng cùng cấm tương đối lớn (3,67 eV) do đó ZnS thường được ứng dụng trong các diode laser [18] hoặc diode phát quang (LED) [44]. Rất nhiều loại photodiode đã đƣợc chế tạo trên cơ sở lớp chuyển tiếp p-n của ZnS, suất quang điện động của lớp chuyển tiếp p-n thường đạt tới 2,5 V. Điều này còn cho phép hy vọng có những bước phát triển mới trong công nghệ chế tạo thiết bị ghi đọc quang học laser nhƣ làm tăng mật độ ghi thông tin trên đĩa, tăng tốc độ làm việc của các máy in laser, đĩa compact, tạo khả năng sử dụng bảng
16 màu trộn từ 3 laser phát màu cơ bản.
1.3.2. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu phát huỳnh quang
Vật liệu nano ZnS là vật liệu nano bán dẫn có khả năng phát huỳnh quang ở vùng tử ngoại gần, khi đƣợc pha tạp với các ion kim loại nhƣ Cu2+, Mn2+...
hay với các kim loại đất hiểm nhƣ Eu3+, Sm3+ … chúng có thể phát huỳnh quang tại vùng khả kiến với cường độ cao, do đó được ứng dụng làm các vật liệu phát huỳng nhƣ các tụ điện huỳnh quang, các màu Rơnghen, màu của các ồng phóng điện tử và dụng cụ bức xạ electron làm việc ở dải tần rộng, hay các vật liệu đánh dấu tế bào ung thƣ.
Một số những ứng dụng đã đƣợc thực hiện trong việc phát hiện, đánh dấu tế bào ung thƣ có thể kế đến nhƣ: sử dụng hạt nano ZnS:Mn để phát hiện ADN của tế bào ung thƣ; sản xuất bộ Kit phát hiện nhanh ADN [27].
Với khả năng phát xạ ánh sáng khi đƣợc kích thích bởi các chùm tia X hoặc các chùm điện tử, vật liệu ZnS còn đƣợc sử dụng cho màn X-ray và các ống tia cathode.
1.3.3. Ứng dụng hạt nano ZnS làm vật liệu đánh dấu sinh học
Cùng với sự phát triển của công nghệ nano, ngày nay, các nhà khoa học đã chế tạo được các vật liệu nano ZnS có kích thước vô cùng nhỏ, chĩ cỡ khoảng vài nano. Với khả năng phát huỳnh quang mạnh các vật liệu này đƣợc dùng làm các tâm phát huỳnh quang (Gọi tắt là các Quantum Dot – QD) ứng dụng trong việc đánh dấu tế bào. Bên cạnh khả năng gắn kết với các gốc amin tự do (-NH2) – gốc amin có khả năng tương thích sinh học, vật liệu nano ZnS đang được hướng đến để ứng dụng trong cảm biến sinh học nhằm phát hiện sự có mặt của ADN, các chuỗi nucleotide, enzyme, kháng nguyên, kháng thể.
17
Dưới đây là mô hình chung của một cảm biến sinh học
Hình 1.8. Mô hình chung của cảm biến sinh học.
Cảm biến sinh học đƣợc chia làm ba phần: phận nhận biết (recognition), phần chuyển đối tín hiệu (signal transduction) và xử lý tín hiệu (signal processing) (Hình 1.8).
Trong phần nhận biết, cảm biến sinh học sử dụng các tương tác đặc hiệu sinh học để tương tác với đối tượng cần nhận biết. Tương tác này thường cho một loại tín hiệu sinh lý đặc trƣng (ví dụ: bắt cặp tín hiệu ADN-ADN, ADN-ARN, kháng nguyên – khánh thể, cơ chất- enzyme, chuỗi nucleotide – cơ chất). Các tín hiệu kiểu này thường không dễ nhận biết một cách trực tiếp mà phải thông qua một hệ thống chuyển tín hiệu để chuyển thành các tín hiệu đọc đƣợc nhƣ tín hiệu quang, tín hiệu điện. Quá trình chuyển tiếp tín hiệu này rất đa dạng: có thể là các tín hiệu gắn với cơ chất sinh học (protein phát huỳnh quang gắn với cơ chất, bức xạ đặc hiệu gắn với cơ chất). Sau khi tín hiệu chuyển sang dạng đọc được, trong bước cuối cùng, chúng xử lý, đánh giá và so sánh để đƣa ra những nhận định hay thông số vật lý của các đối tƣợng sinh học cần biết.
18
Trong luận văn này, chúng tôi chỉ tập trung giới thiệu về cảm biến sinh học dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ARN với tín hiệu điện ở đầu ra, còn gọi là cảm biến điện hóa ADN, để xác định hàm lƣợng ADN của virus.
Cảm biến điện hóa ADN
Cảm biến điện hóa ADN dựa trên sự bắt cặp đặc hiệu ADN-ADN, ADN - ARN để nhận biết các chuỗi gen của các vi khuẩn, virus gây bệnh. Hình 1.9 đƣa ra mô hình cảm biến điện hóa ADN đƣợc sử dụng trong đề tài này. Nhận biết đặc hiệu là quá trình bắt cặp của hai chuỗi nucleotide (lần lƣợt đƣợc gọi là detector probe và catcher probe ) với chuỗi ADN cần nhận biết (target ADN hay detected ADN). Một đầu chuỗi detector probe đƣợc gắn với các hạt nano kim loại hoặc bán dẫn – cũng là các hạt giúp tạo tín hiệu đọc đƣợc (signal agent). Chuỗi catcher probe gắn với điện cực. Hệ thống vi cảm biến chất lỏng đặt trong kênh dẫn sẽ cảm nhận đƣợc sự có mặt của các đối tƣợng cần nhận biết. Lối ra cảm biến đƣợc đƣa vào một bộ tiền khuếch đại và một bộ khuếch đại đi kèm với các mạch lọc trước khi đi vào máy tính.
Hình 1.9. Mô tả cấu trúc của cảm biến sinh học sử dụng liên kết đặc hiệu AND – ARN/ ADN để nhận biết ADN nói chung.
(Phần nhận biết là quá trình bắt cặp kép của detector probe và catcher probe (hai chuỗi nucleotide đặc hiệu) với chuỗi ADN của đối tƣợng tạo thành hệ thức sandwich. Trong quá trình chuyển hóa tín hiệu, các thông số điện nhƣ độ dẫn, dòng
ĐIỆN CỰC VÀNG
Pha bắt cặp Pha nhận biết Pha tín hiệu
Tín hiệu điện hóa
Các phân tử chức năng hóa bề mặt
19
điện… của hệ sandwich chuyển tiếp đến hệ đo qua điện cực và cho thông tin về thông số của nồng độ ADN có trong dung dịch.)
Nhận định về khả năng ứng dụng của vật liệu ZnS vào cảm biến điện hóa ADN:
Hạt nano ZnS khi đƣợc chức năng hóa với các nhóm amin tự do có khả năng liên kết với các phân tử sinh học nhƣ ADN, ARN, kháng nguyên, kháng thể…[5, 29]. Và cơ sở từ những nghiên cứu trước đây như: ứng dụng hạt nano ZnO để nghiên cứu nồng độ glucose, nồng độ ADN … trong đó, tín hiệu đo đạc là tín hiệu điện có đƣợc do quá trình oxy hóa khử của ion Zn2+. Do vậy, chúng tôi nhận thấy vật liệu nano ZnS hoàn toàn có thể ứng dụng đƣợc trong cảm biến điện hóa ADN để đo đạc nồng độ ADN.
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi mong muốn có thể sử dụng các hạt nano ZnS đã chức năng hóa liên kết với các phân tử ARN – phân tử ARN có khả năng liên kết đặc hiệu với ADN của virus Epstein-Barr (EBV), từ đó ứng dụng vào cảm biến điện hóa ADN nhằm phát hiện sự có mặt của virus EBV.