Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano: Chế tạo sợi Silic ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

Thành phố Hồ Chí Minh – 2014

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TỐNG DUY HIỂN

Thành phố Hồ Chí Minh - 2014

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan nội dung đề tài này do chúng tôi và nhóm nghiên cứu thực hiện. Kết quả trình bày trung thực chính xác. Đề tài này chƣa đƣợc công bố trên bất kỳ phƣơng tiện nào.

Kết quả thực nghiệm đo tác giả và nhóm nghiên cứu thực hiện. Mọi bảng biểu,

đồ thị, hình ảnh do có đƣợc do chúng tôi xử lý kết quả thí nghiệm mà có.

Xin cam đoan mọi thông tin là đúng sự thật, nếu có bất kỳ vấn đề gì tôi chịu

hoàn toàn trách nhiệm.

Tp. HCM, ngày 1 tháng 1 năm 2014

Học viên cao học

Phạm Minh Khang Cán bộ hƣớng dẫn TS. Tống Duy Hiển

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên tôi xin đƣợc gửi tới TS. Tống Duy Hiển lời biết ơn chân thành và sâu sắc nhất. Thầy là ngƣời đã trực tiếp giao đề tài và tận tình chỉ bảo, hƣớng dẫn, giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận văn.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phạm Văn Bình, anh đã đồng hƣớng dẫn, đã

tạo điều kiện giúp tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin cảm ơn đề tài KC04 đã cấp kinh phí để tôi có thể thực hiện luận văn

này.

Xin cảm ơn giáo viên phản biện đã dành thời gian đọc, góp ý và đánh giá cho đề

tài.

Xin cảm ơn các thầy cô Trƣờng ĐH Công Nghệ ĐHQGHN và thầy Đặng Mậu

Chiến đã hợp tác mở chuyên ngành mà tôi đang theo học này tại Tp HCM.

Tôi xin chân thành cảm ơn ThS. Phan Thanh Nhật Khoa, bạn Phạm Xuân Thanh Tùng, bạn Nguyễn Thị Ngọc Nhiên, các anh chị và các bạn thuộc Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (LNT) đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài này.

Tôi xin gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô đã giảng dạy trong quá trình suốt khóa học. Và đặc biệt gửi lời cảm ơn đến chị Nguyễn Thị Mỹ Lê - phòng đào tạo của LNT đã hỗ trợ nhiệt tình trong suốt thời gian khóa học diễn ra.

Và tôi cũng xin chân thành cảm ơn các anh chị, các bạn ở LNT đã tạo điều kiện

để tôi học tập, nghiên cứu hoàn thành tốt bản luận văn.

Xin cảm ơn tất cả bạn bè anh em gần xa, đặc biệt anh Bùi Hà Quốc Thắng đã

động viên và giúp tôi nhiều trong phần tài liệu, kiến thức, xử lý số liệu.

Cuối cùng tôi xin đƣợc cảm ơn những ngƣời thân yêu trong gia đình, đã luôn

động viên, cổ vũ để tôi hoàn thành tốt luận văn của mình.

MỤC LỤC

TRANG BÌA PHỤ ....................................................................... Error! Bookmark not defined.

LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................3

LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................4

MỤC LỤC ............................................................................................................................................5

DANH MỤC CÁC BẢNG ..........................................................................................................7

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .....................................................................................................7

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ....................................................................................... 10

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................. 11

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN ............................................................................................................. 14

1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học .............................................................................................. 14

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học ........................................................................................... 14

1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học ......................................................................... 14

1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học ............................................................................................. 15

1.1.4. Ứng dụng và thị trƣờng cảm biến sinh học ..................................................................... 16

1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................... 17

1.2.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan .................................................................... 17

1.2.2. Các phƣơng pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan .......................................................... 18

1.2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến .................................................................................. 19

1.3 Phƣơng pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic ..................................................... 22

1.3.1 Phƣơng pháp Top down ................................................................................................... 22

1.3.2 Phƣơng pháp Bottom up ................................................................................................... 26

CHƢƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO ................................................. 28

2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic .............................................. 28

2.1.1 Nguyên vật liệu ................................................................................................................ 28

2.1.2 Qui trình chế tạo ............................................................................................................... 29

2.2 Phƣơng pháp chức năng hóa bề mặt ........................................................................................ 46

2.2.1 Vật liệu, hóa chất cần thiết ............................................................................................... 47

2.2.2 Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si ............................................................................. 48

2.2.3 Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng .................................................................................. 52

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC .......... 55

3.1 Tính chất hình thái sợi Si tạo thành ......................................................................................... 55

3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si ................................................................ 57

3.2.1 Đặc trƣng I – V ................................................................................................................. 58

3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias ...................................................................... 59

3.3 Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic .......................... 62

CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN ....................................................................... 68

4.1 Chuẩn bị AFP .......................................................................................................................... 68

4.2 Chuẩn bị hệ đo......................................................................................................................... 68

4.3 Tiến hành đo đạc, kiểm tra ...................................................................................................... 69

KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN ............................................................................................ 74

I. Kết luận ...................................................................................................................................... 74

II. Cách khắc phục hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài ........................................................... 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................................ 77

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tƣơng ứng của ung thƣ gan ......................... 19

Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC .................................. 32

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học .............................................. 14

Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng

trường sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi

Silic kích thước nanomet. Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực

cổng ở đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có

các phần tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương,

cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm. Trong khi

đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên ................................... 20

Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn

một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên có

thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau ................................................................... 21

Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa bề

mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET ...................................... 22

Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn mòn là quá trình khuếch tán, quá trình ăn mòn,

và quá trình thải sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài. ......................................... 23

Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng ............... 24

Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si ........ 28

Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của

công nghệ micro. Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN. Tuy nhiên bước

pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+,

Hà Lan). ......................................................................................................................... 30

Hình 2.3: Máy quay li tâm ............................................................................................. 32

Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt ........................................................................................ 33

Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt .................................... 34

Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt .......................................................................... 35

Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI,

làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến sợi nano

Si. ................................................................................................................................... 35

Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601. ................... 35

Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO2 tạo ra trên đế

SOI. ................................................................................................................................ 36

Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy

Ellipsometer ................................................................................................................... 36

Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực ........................................................................... 38

Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si ..................................................................................... 39

Hình 2.13: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có một sợi Si.

Sợi có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ..... 40

Hình 2.14: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có ba sợi Si. Sợi

có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 40

Hình 2.15: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có 4 sợi Si. Sợi

có chiều ngang khoảng 2um, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um ........... 41

Hình 2.16: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến, trên đó có 3

vùng chứa sợi. Mỗi vùng có 3 sợi, 4 sợi và 5 sợi. Sợi có chiều ngang khoảng 2um,

chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14um-40um .......................................................... 41

Hình 2.17: Các bước tạo backgate từ phía trên của wafer. .......................................... 42

Hình 2.18: Hệ phún xạ UNIVEX 350 tại PTN CNNN được sử dụng để chế tạo điện cực

cho các đơn sợi Si. ......................................................................................................... 43

Hình 2.19: Các bước thực hiện đểchế tạo điện cực điện Pt/Ti cho các sợi Si. Tiếp theo

là tạo lớp cách điện SiO2 cho các điện cực này. Với cấu trúc này, chỉ phần sợi Si là

tiếp xúc với dung dịch trong các bước đo đạc sau này còn lại toàn bộ bề mặt của chip

được phủ bởi lớp cách điện SiO2 ................................................................................... 45

Hình 2.20: Wafer trong đó có chứa các chip sợi Si sau khi kết thúc qui trình chế tạo. 46

Hình 2.21: Sơ đồ khối các bước chức năng hóa bề mặt chip sợi Silic .......................... 48

Hình 2.22: Cơ chế hình thành lớp SAM trên bề mặt Si-OH .......................................... 49

Hình 2.23: Linker 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) ................................... 50

Hình 2.24: Qui trình chức năng hóa bề mặt trên bề mặt Si có phủ lớp Si tự nhiên ...... 50

Hình 2.25: Chip sau khi làm sạch được gắn một vòng epoxy bao quanh vùng làm việc.54

Hình 3.1: Kênh dẫn 1 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55

Hình 3.2: Kênh dẫn 4 sợi Si của chip loại 10x15mm .................................................... 55

Hình 3.3: Hình ảnh SEM (scanning electron microscopy) mô tả tổng thể cấu trúc của

một chip loại 10x10mm bao gồm các sợi Si có độ dài 14 µm, đường dẫn và vùng cửa

sổ (sensing area). ........................................................................................................... 56

Hình 3.4: Hình ảnh SEM của một chip chứa kênh dẫn gồm 5 sợi Si. ........................... 56

Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo

sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c). ........................................................................ 57

Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi không có

điện thế biasing (Vg= 0). Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa

sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti. ............................................................................... 58

Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi không có

điện thế biasing (Vg= 0). ............................................................................................... 59

Hình 3.8: Sơ đồ khối mô tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của

điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si. ................................................................... 60

Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau. Các

điện thế bias được thay đổi từ -4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến

2V. .................................................................................................................................. 61

Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm

biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si. Các điện thế bias được thay đổi từ -

4V đến 4V với bước nhảy 1V và VDS thay đổi từ -2V đến 2V. ....................................... 61

Hình 3.11: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b)

gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ trước khi

đánh siêu âm. ................................................................................................................. 63

Hình 3.12: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b)

gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ sau khi

đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 64

Hình 3.13: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ

(a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút trước khi

đánh siêu âm. ................................................................................................................. 64

Hình 3.14: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ

(a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút sau khi

đánh siêu âm trong 3 phút. ............................................................................................ 65

Hình 3.15: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1

giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ trước khi đánh siêu âm.65

Hình 3.16: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1

giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ sau khi đánh siêu âm

trong 3 phút. .................................................................................................................. 66

Hình 3.17: Thụ thể F-LCA bám trên thành giếng epoxy ............................................... 67

Hình 3.18: Thụ thể F-LCA có xuất hiện trong vùng làm việc của chip. ....................... 67

Hình 4.1: Hệ giữ chíp và hổ trợ đo phát hiện các chất chỉ thị sinh học ....................... 69

Hình 4.2: Đặc trưng I-V của sợi Si với các giá trị khác nhau của VBG ......................... 70

Hình 4.3: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 500 ng/ml ...... 71

Hình 4.4: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 100 ng/ml ...... 72

Hình 4.5: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và

trong dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml. .................................................................. 73

Hình 4.6: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và

trong dung dịch AFP ở nồng độ 500 ng/ml. .................................................................. 73

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HCC Hepatocellular carcinoma :

Semiconductor on insulator SOI :

De-ion (khử ion) DI :

Si NW FET : Silicon Nanowire Field Effect Transistor

Self assembled monolayer SAM :

Scanning electron microscopy SEM :

3-glycidoxypropyltrimethoxysilane GPTS :

Alpha fetoprotein AFP :

Fluorescein-Lens culinaris agglutinin F-LCA :

Phosphate buffered saline PBS :

MỞ ĐẦU

Cảm biến sinh học là một lĩnh vực đã đƣợc nghiên cứu từ lâu và hiện vẫn đang

thu hút đƣợc nhiều nguồn lực và ngân sách. Mục đích của mọi hệ cảm biến sinh học

đều nhằm phát hiện đƣợc một đối tƣợng sinh học cần phân tích nào đó. Quá trình cảm

biến dựa trên một sự gắn kết đặc biệt hoặc phản ứng của chất cần phân tích với một

phần tử nhận diện đã đƣợc biết trƣớc. Trong các phƣơng pháp phân tích không phá

hủy mẫu, phép phân tích dựa chủ yếu vào sự thay đổi tính chất vật lý của cảm biến khi

có sự bắt cặp giữa chất phân tích và chất thử hoặc có sản phẩm mới tạo thành. Nhu cầu

khoa học ngày nay, không những yêu cầu phải phát hiện một chất phân tích đặc biệt

nào đó mà đòi hỏi phân tích tổng hợp cùng lúc nhiều yếu tố khác nhau. Vì thế yêu cầu

tích hợp một lƣợng lớn các cảm biến trong một quy trình phân tích tối ƣu là một đòi

hỏi thiết thực.

Trong nền công nghệ máy vi tính, một thành tựu đột phá là sự chế tạo thành

công mạch tích hợp, gồm các transitor đƣợc chế tạo đồng thời và kết hợp lại với nhau

trong một con chíp duy nhất. Tƣơng tự với mô hình trong công nghệ máy tính, nhiều

cảm biến sinh học khác nhau dựa trên cấu trúc transitor, có khả năng phát hiện đồng

thời nhiều chất cần phân tích khác nhau, đƣợc chế tạo đồng thời với nhiều transitor

tích hợp lại thành một đơn chíp có thể phát hiện đồng thời nhiều thông số mong muốn.

Để thực hiện quá trình cảm biến, các transitor trong một chíp cần có một bộ phận

chuyển đổi tính hiệu từ các quá trình phản ứng sinh hóa, các quá trình bắt cặp đặc biệt

của chất phân tích thành tín hiệu điện có thể ghi nhận đƣợc.

Chính vì có mối liên hệ này đòi hỏi ta phải nghiên cứu sự đáp ứng của chất bán

đẫn, chất chính yếu trong công nghệ máy tính, với môi trƣờng sinh hóa xung quanh

nó. Tại bề mặt của chất bán dẫn, điện tích xuất hiện do thế điện của các phân tử lận

cận gây ra. Điện tích này ảnh hƣởng đến độ dẫn của chất bán dẫn. Sự thay đổi về độ

dẫn điện của chất bán dẫn có thể dễ dàng đo đƣợc bằng cách bố trí hợp lý các hệ đo

điện có độ chính xác cao.

Transitor có cấu tạo gồm ba điện cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng. Bằng

cách thay đổi điện thế cực cổng có thể tăng hoặc giảm điện tích chạy qua cực nguồn và

cực máng. Transitor với tính chất nhƣ thế gọi là transitor hiệu ứng trƣờng (Field Eﬀect

Transistor-FET). Dòng điện trong transitor với một hiệu điện thế không đổi có thể

đƣợc điều khiển bằng thay đổi điện áp vào cực cổng, ngoài ra còn có thể bởi các điện

tích của các thành phần hóa học tại bề mặt chất bán dẫn. Những yêu cầu của loại

transitor ứng dụng làm cảm biến sinh học này khác so với loại dùng trong các mạch

logic của máy tính. Chất bán dẫn, làm bộ phận cảm biến của transitor, phải đƣợc để lộ

ra trong môi trƣờng chứa chất phân tích. Bộ phận cảm biến này phải đủ nhỏ và phải có

diện tích bề mặt lớn để làm bộ phận cảm biến thông qua hiệu ứng bề mặt. Vì độ chính

xác phụ thuộc tỉ lệ điện tích bề mặt so với tổng điện tích.

Dựa trên các yêu cầu đó transitor hiệu ứng trƣờng dùng sợi silic là một lựa chọn

tốt nhất, vì chúng là chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm các transitor trong công nghệ máy

tính từ lâu, nên công nghệ chế tạo mạch tích hợp từ các transitor dùng silic là một lợi

thế lớn.

Kể từ khi transitor hiệu ứng trƣờng sợi Silic (Si NW FET) đƣợc chế tạo và ứng

dụng làm cảm biến sinh học vào 2001 bởi Y Cui

(http://www.stanford.edu/group/cui_group/) và Lieber (http://cmliris.harvard.edu/),

ngoài ra Si NW FET đã thu hút sự nhiều nhóm nghiên và viện nghiên cứu trên thế

giới: Peidong Yang: http://www.cchem.berkeley.edu/pdygrp/main.html; Health group-

Caltech: http://www.its.caltech.edu/~heathgrp/Publications.html#; Viện Công Nghệ

Nano MESA http://www.mesaplus.utwente.nl/; Viện nghiên cứu A-star Singapore:

http://www.a-star.edu.sg; Autralia Research Council: http://www.materials.com.au/;

Đại học KTH Thụy Điển http://www.kth.se; Nanosens:

http://www.nanosens.nl/product.htm

Vì cảm biến Si NW FET là một thiết bị hứa hẹn với nhiều ứng dụng tiềm năng

từ quản lý sức khỏe đến nghiên cứu thuốc. Thiết bị đã chứng tỏ khả năng phát hiện

nhiều chất phân tích khác nhau, nhƣ chuỗi DNA, các biomaker của ung thƣ, các thụ

thể lớn hơn nhƣ virus. Chúng cũng đƣợc dùng kiểm soát hoạt tính các enzyme và

nghiên cứu về cơ chế của các phân tử thuốc tiềm năng. Phát hiện các chất phân tích

với độ nhạy và độ đặc hiệu cao trong một thời gian hợp lý là một lợi thế đang dần

thành hiện thực của Si NW FET.

Ung thƣ gan là một trong những loại ung thƣ nhiều nhất trên thế giới, và là ung

thƣ có tỉ lệ tử vong cao nhất ở nam giới. Với số lƣợng bệnh nhân rất lớn đang cần phải

phân tích mẫu phẩm thƣờng xuyên để phục vụ công đoạn điều trị, cộng với khoảng

trên 10000 ca mắc mới mỗi năm, thêm vào đó là số lƣợng khổng lồ trên 10 triệu ngƣời

bị nhiễm siêu vi B và siêu vi C (là những đối tƣợng có khả năng bị ung thƣ gan cao,

cần đƣợc đi khám định kì) đang tạo ra một nhu cầu rất lớn về phân tích kiểm tra các

chỉ thị ung thƣ gan trong máu để chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan. Nhƣng đến

thời điểm này, có thể nói rằng tất cả các cơ sở khám và chữa bệnh trong nƣớc hiện

đang phải sử dụng các thiết bị, máy móc và công nghệ nhập ngoại để thực thi các công

việc này. Việc không làm chủ đƣợc công nghệ nguồn, không chế tạo đƣợc các bộ KÍT

để phân tích định tính và định lƣợng các chỉ thị sinh học của ung thƣ gan đã và đang

hạn chế rất nhiều đến khả năng chẩn đoán sớm và điều trị ung thƣ gan. Do đó, việc

nghiên cứu, làm chủ công nghệ, chế tạo thành công bộ kít nano sinh học phục vụ cho

việc phát hiện với độ nhạy cao các chỉ thị ung thƣ gan, phục vụ chẩn đoán ung thƣ gan

với độ chính xác cao là hết sức cần thiết, và vì thế đƣợc xác định là đối tƣợng nghiên

cứu chính của đề tài nghiên cứu này.

Chính vì thế, chúng tôi chọn đề tài chế tạo cảm biến dựa trên cấu trúc Si W FET

để phát hiện các chất chỉ thị sinh học của gan. Nhƣng vì đây là một đề tài có liên quan

đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau từ vật liệu, vật lý, hóa học, sinh học và y học. Đồng

thời trên thế giới nó là lĩnh vực mới nên cũng chƣa có kết quả để đối chiếu. Do đó

nhiệm vụ ban đầu là chế tạo thành công chíp Si W FET, sau đó ứng dụng phát hiện các

chất chỉ thị trong ung thƣ gan trong dung dịch nuôi cấy với nồng độ các chất chỉ thị

sinh học cao để đánh giá tính chất, khả năng phát hiện của chíp chế tạo đƣợc.

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về cảm biến sinh học

1.1.1 Khái niệm cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học (biosensor) là thiết bị phân tích trong đó kết hợp tính đặc hiệu của yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) với bộ chuyển đổi (transducer) tạo ra tín hiệu tƣơng ứng với nồng độ chất cần phân tích (Hình 1.1). Tín hiệu này có thể đƣợc sinh ra do thay đổi về nồng độ proton, giải phóng hay hấp thu các khí nhƣ NH3 hay O2, hoặc do hiện tƣợng phản xạ, hấp thu, phát xạ, tỏa nhiệt, những thay đổi về khối lƣợng, v.v. Yếu tố nhận diện có thể là enzyme, kháng thể, nucleic acid, bào quan, vi khuẩn, tế bào, hay lát cắt mô, v.v. Bộ chuyển đổi (transducer) sẽ chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu có thể đo đƣợc nhƣ dòng điện, điện thế, sự thay đổi nhiệt độ, hấp thu ánh sáng, gia tăng khối lƣợng bằng phƣơng pháp điện hóa, nhiệt, quang, hay áp điện. Nhìn chung về nguyên tắc, phân tử nhận diện có thể kết hợp với bộ chuyển đổi phù hợp để tạo ra cảm biến sinh học có thể hoạt động đƣợc.

Hình 1.1: Nguyên lí cấu tạo của một cảm biến sinh học

1.1.2 Lịch sử phát triển của cảm biến sinh học

Trong hơn 50 năm qua, số lƣợng lớn các tài liệu liên quan đến lĩnh vực cảm biến sinh học cho thấy đây là một lĩnh vực khoa học rất thú vị. Nhiều nhà nghiên cứu thuộc các chuyên ngành khác nhau đều tham gia lĩnh vực này, từ hóa học tới vật lý, vi sinh vật học, và cả kỹ thuật điện. Khái niệm cảm biến sinh học đã đƣợc đƣa ra cách đây hơn bốn thập niên. Theo Malhotra (2003), cảm biến sinh học đã trải qua những mốc lịch sử quan trọng, đánh dấu những bƣớc phát triển rõ rệt.

Giáo sƣ Clark là cha đẻ của khái niệm cảm biến sinh học khi công bố nghiên cứu về điện cực oxy (oxygen electrode) vào năm 1956. Năm 1962, tại hội nghị diễn ra

ở New York, ông trình bày thí nghiệm của mình, trong đó enzyme glucose oxidase (GOX) đƣợc “bẫy” trong một màng thẩm tích trên bề mặt của điện cực oxy. Khi nồng độ glucose trong môi trƣờng giảm, nồng độ oxy trên bề mặt điện cực cũng giảm tƣơng ứng. Tuy nhiên mối quan tâm về cảm biến sinh học chỉ thực sự gia tăng kể từ khi Updike và Hicks (1967) dùng thuật ngữ “điện cực enzyme” để mô tả một thiết bị tƣơng tự, trong đó enzyme GOX đƣợc giữ trong một lớp gel polyacrylamide gắn trên bề mặt điện cực oxy để phát hiện và định lƣợng nhanh glucose. Thí nghiệm này đánh dấu sự khởi đầu cho các nghiên cứu và ứng dụng của cảm biến sinh học trong lĩnh vực công nghệ sinh học và môi trƣờng. Guilbault và Montalvo (1969) sử dụng điện cực thủy tinh kết hợp với enzyme để đo nồng độ urea bằng phƣơng pháp đo điện thế. Hầu hết các nghiên cứu về các cảm biến sinh học enzyme lúc bấy giờ đều tập trung vào cảm biến theo dõi glucose trong máu dựa vào phƣơng pháp đo dòng. Các cảm biến sinh học đo dòng đƣợc chia làm ba thế hệ. Thế hệ cảm biến đầu tiên đƣợc đề nghị bởi Clark và Lyons và đƣợc Updike và Hicks bổ sung khi sử dụng thuật ngữ “điện cực enzyme”. Rechnitz và cộng sự (1971) đã phát triển một cảm biến kết hợp điện cực chọn lọc ion (Ion Selective Electrode - ISE) với betaglucosidase để tạo ra benzaldehyde và cyanide. Roche (1976) giới thiệu thiết bị phân tích lactate LA 640 sử dụng hexacyanoferrate (Fe(CN)6 3-/4+) làm chất trung gian cho vận chuyển electron từ enzyme lactate dehydrogenase tới điện cực để phát hiện lactate. Đây là “cảm biến enzyme thế hệ thứ hai”. Thế hệ cảm biến enzyme thứ ba đƣợc đánh dấu bằng việc sử dụng chất trung gian vận chuyển electron (O2 hay chất nhân tạo).

Enzyme và chất trung gian cùng đƣợc cố định trên bề mặt điện cực. Năm 1986, Di Gleria và cộng sự chế tạo cảm biến sinh học hoạt động theo nguyên tắc điện hóa gián tiếp sử dụng ferrocene thay cho O2 để làm giảm các chất gây nhiễu nhƣ uric acid và ascorbic acid.

1.1.3 Phân loại cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học có thể đƣợc phân loại theo các yếu tố nhận diện sinh học (biorecognition element) hay theo phƣơng thức chuyển đổi tín hiệu (signal transduction) (Malhotra, 2003; Rodriguez – Mozar, 2004).

1.1.3.1. Phân biệt dựa vào yếu tố nhận diện sinh học

Dựa vào các yếu tố nhận diện sinh học, cảm biến sinh học đƣợc phân chia thành

các nhóm sau:

 Cảm biến sinh học xúc tác (catalytic biosensors): còn gọi là cảm biến sinh học enzyme, sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện sinh học đƣợc cố định trên bộ chuyển đổi tín hiệu nhƣ điện cực, sợi phát quang, hiệu ứng trƣờng điện từ (field effect transistor - FET). Sử dụng enzyme làm yếu tố nhận diện rất phổ biến trong thế hệ cảm biến thứ nhất nhờ khả năng thƣơng mại hóa và dễ dàng phân tách và tinh sạch từ nhiều nguồn khác nhau (Rogers và Mascini, 1998).

 Cảm biến sinh học ái lực (bioaffinity sensors): là thiết bị phân tích sử dụng yếu tố nhận diện sinh học kháng thể, protein, vật liệu mô phỏng sinh học, hay DNA đƣợc tích hợp với một bộ chuyển đổi tín hiệu (Rogers và Mascini, 1998).

 Cảm biến sinh học dựa trên tế bào sống (cell - based biosensors): sử dụng vi sinh vật sống còn nguyên vẹn, hoặc mô làm yếu tố nhận diện sinh học. Tế bào đƣợc chia thành hai nhóm dựa vào cơ chế cảm biến, khả năng biểu hiện đặc hiệu đối với chất hóa học hay tình trạng “stress”, đƣợc sử dụng để khảo sát môi trƣờng, khí quyển (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005) và phát hiện tác nhân gây “stress”, bao gồm dioxin, các chất gây rối loạn nội tiết và sự bức xạ ion hóa.

1.1.3.2. Phân biệt dựa vào tính năng của bộ chuyển đổi

Dựa vào bản chất hoạt động của bộ chuyển đổi, cảm biến sinh học đƣợc phân

biệt thành các nhóm sau:

 Bộ chuyển đổi điện hóa (electrochemical transducer):

 Kỹ thuật đo thế (potentiometric): đo điện thế giữa điện cực so sánh và điện cực hoạt động trong điều kiện dòng điện bằng 0. Điện thế đo đƣợc tỷ lệ thuận với logarit của độ hoạt động của ion trong dung dịch.

 Kỹ thuật đo dòng (amperometric): đo dòng điện sinh ra do quá trình oxi hóa – khử của chất cần phân tích xảy ra ở điện cực hoạt động. Nồng độ của chất cần phân tích tỷ lệ thuận với dòng điện sinh ra.

 Kỹ thuật đo độ dẫn điện (conductometric): đo sự thay đổi tính dẫn điện

của dung dịch khi nồng độ ion thay đổi.

 Bộ chuyển đổi quang học (optical transducer): đây là loại cảm biến ra đời

sớm nhất, hoạt động dựa vào đặc tính nhƣ hấp thụ ánh sáng (absorption), phát

huỳnh quang (fluorescence), hóa phát quang (chemiluminescence), hệ số khúc

xạ (refractive index).

 Bộ chuyển đổi áp điện (piezoelectric transducer): hiện tƣợng áp điện là thuộc

tính của tinh thể bất đẳng hƣớng (nhƣ tinh thể thạch anh). Khi tinh thể bị tác

động, nó sẽ gây ra một điện trƣờng. Loại cảm biến này hoạt động dựa vào sự

tạo ra dòng điện từ tinh thể dao động. Tần số dao động phụ thuộc tuyến tính vào

sự thay đổi khối lƣợng của vật liệu hấp thụ tại bề mặt tinh thể. Điển hình là

phƣơng pháp cân vi lƣợng tinh thể thạch anh (quart crystal microbalance -

QCM).

1.1.4. Ứng dụng và thị trƣờng cảm biến sinh học

Cảm biến sinh học đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, nhƣ phân tích thực phẩm (Prodromidis và Karayannis, 2002), khủng bố sinh học (Burkle, 2003), môi trƣờng (Rodriguez-Mozaz và Lopez, 2005), và trong lĩnh vực theo dõi và chẩn đoán sức khỏe con ngƣời (Vikas, 2007).

Cảm biến sinh học lý tƣởng phải đƣợc thiết kế để phát hiện những phân tử có ý nghĩa, mầm bệnh và độc tố, cung cấp thông tin mang tính thăm dò đối với chất phân tích một cách chính xác, đáng tin cậy và nhanh chóng. Hằng năm, chi phí đầu tƣ cho chƣơng trình nghiên cứu và phát triển cảm biến sinh học ƣớc tính lên tới 300 triệu đôla Mỹ (Luong và cộng sự, 2008). Trong khoảng thời gian từ năm 1984 đến năm 1990 có khoảng 3000 bài báo khoa học và 200 bằng sáng chế về lĩnh vực cảm biến sinh học. Từ năm 1998 đến năm 2004, hơn 6000 bài báo và 1100 phát minh liên quan tới lĩnh vực cảm biến sinh học đƣợc công bố. Đáng chú ý hơn cả, ngoài các cảm biến đo hàm lƣợng glucose và lactate trong máu (chiếm 85% thị trƣờng cảm biến sinh học) và các thiết bị cầm tay khác, rất ít cảm biến sinh học đƣợc thƣơng mại hóa thành công do giá thành để triển khai còn tƣơng đối cao hay do trở ngại về mặt kỹ thuật.

1.2 Tổng quan về cảm biến sinh học phát hiện chất chỉ thị trong gan

1.2.1. Nhu cầu về phát hiện chất chỉ thị trong gan

Theo WHO thống kê và công bố năm 2007 ung thƣ gan là một trong năm loại ung thƣ gây tử vong cao nhất trên toàn thế giới với hơn 653.000 ca tử vong mỗi năm. Tỷ lệ phát bệnh cao ở vùng Châu Á và Châu Phi, tuổi trung niên và nam giới thƣờng mắc bệnh cao hơn. Ở châu Á, nơi có tỉ lệ mắc viêm gan B khá cao, ung thƣ gan đặc biệt phổ biến. Việt Nam đƣợc coi là một trong các quốc gia có tỷ lệ mắc ung thƣ gan cao nhất thế giới, với trên 10000 ca mắc mới mỗi năm. Hiện nay, ung thƣ gan đƣợc chia làm 2 loại dựa vào nơi xuất hiện ung thƣ đầu tiên của cơ thể: ung thƣ gan thứ phát hay ung thƣ tế bào gan nguyên phát.

 Ung thƣ gan thứ phát: Là ung thƣ xuất phát từ tế bào của các phần khác của cơ thể lan đến gan. Ung thƣ gan thứ phát có thể từ: ung thƣ đƣờng tiêu hóa, vú, phổi, ung thƣ tủy… Tùy theo cơ quan nào di căn đến gan mà gọi tên, ví dụ từ ung thƣ phổi thì gọi là ung thƣ gan thứ phát do di căn từ ung thƣ phổi.

 Ung thƣ tế bào gan nguyên phát (hepatocellular carcinoma - HCC): Trên 80% ung thƣ gan là ung thƣ tế bào gan nguyên phát. Ung thƣ tế bào gan nguyên phát là ung thƣ xuất phát từ gan. Nó còn đƣợc gọi là ung thƣ gan nguyên phát hoặc ung thƣ gan. Gan đƣợc cấu tạo từ nhiều loại tế bào khác nhau (ví dụ tế bào ống mật, mạch máu và những tế bào dự trữ mỡ). Tuy nhiên, 80 % mô gan là do tế bào gan tạo nên. Vì vậy, ung thƣ gan nguyên phát chủ yếu (>90 – 95%) xuất phát từ tế bào gan và đƣợc gọi là ung thƣ tế bào gan hoặc carcinoma. Ung thƣ này xảy ra ở nam gấp đôi nữ và thƣờng gặp ở tuổi trên 50. Hiện nay khoa học chƣa biết chính xác nguyên nhân HCC nhƣng viêm gan do siêu vi mãn tính và xơ gan là yếu tố nguy cơ HCC, trong đó xơ gan chiếm 80% trƣờng hợp HCC.

Dạng khác của ung thƣ gan là ung thƣ đƣờng mật. Đây là ung thƣ xuất phát từ ống dẫn mật và nguyên nhân là do viêm xơ chai đƣờng mật nguyên phát. Ung thƣ đƣờng mật có thể do nhiễm ký sinh trùng, chẳng hạn nhƣ sán lá nhỏ. Ung thƣ này phát triển theo đƣờng dẫn mật, rất khó thấy trên phim X quang.

Nguyên nhân chính gây ung thư gan: Cho đến nay “nguyên nhân chính gây ra ung thƣ gan” vẫn còn là câu hỏi chƣa đƣợc trả lời rõ ràng và nhiều nghiên cứu đang đƣợc tiến hành nhằm tìm ra câu trả lời chính xác trong thời gian tới. Hiện nay các nhà khoa học chỉ có thể xác định một số nguy cơ sau đây có thể dẫn đến HCC là: viêm gan siêu vi B, viêm gan siêu vi C, uống rƣợu kéo dài dẫn tới xơ gan (sau đó là HCC), do Aflatoxin B1, thuốc và hóa chất, bệnh ứ sắt và xơ gan v.v… Tỷ lệ nhiễm HBV (siêu vi B) trên thế giới là 2 tỷ ngƣời (WHO, 2008) trong đó 350 triệu ngƣời mắc bệnh mãn tính và 25% trong số ngƣời mắc bệnh mãn tính ngay từ nhỏ sẽ chết vì ung thƣ gan hay xơ gan. Việt Nam có tỷ lệ ngƣời nhiễm HBV cao thứ 2 trên thế giới. Theo các nghiên cứu của Bộ Y Tế, ƣớc tính tỷ lệ ngƣời mang HBsAg mãn tính vào khoảng 15% - 20% dân số (12 - 16 triệu ngƣời).

Trong khi đó ƣớc tính 3% dân số toàn thế giới nhiễm HCV (siêu vi C). Tại Việt Nam, tỷ lệ ngƣời nhiễm HCV vào khoảng 1,8 – 4% dân số, khoảng 193.100 ngƣời đã chết do siêu vi C trong 10 năm gần đây, trong đó có 165.900 ngƣời chết do viêm gan mãn tính, và các biến chứng của viêm gan, và 27.000 ngƣời chết do ung thƣ gan.

1.2.2. Các phƣơng pháp phát hiện chất chỉ thị trong gan

Mặc dù có nhiều tiến bộ của y học và kĩ thuật phân tích nhƣng cho đến nay chƣa có 1 kỹ thuật nào hoàn hảo để có thể chẩn đoán đƣợc sớm và đúng của 1 trƣờng hợp u gan, hay ung thƣ tế bào gan. Đôi khi phải vận dụng uyển chuyển, kết hợp nhiều kỹ thuật vào từng tình huống cụ thể mới có thể chẩn đoán đƣợc. Các kỹ thuật riêng lẻ càng có độ nhạy và đặc hiệu càng cao sẽ giúp cho việc phối hợp chẩn đoán ngày càng hiệu quả.

Hiện nay, có nhiều phƣơng pháp để chẩn đoán 1 trƣờng hợp ung thƣ gan và có thể chia thành 2 nhóm:

 Nhóm 1: Nhóm chẩn đoán hình ảnh nhƣ: siêu âm, CT, MRI, giải phẫu bệnh…

 Nhóm 2: Nhóm các xét nghiệm để chẩn đoán 1 u gan nhƣ: nhóm xét nghiệm chức năng gan, nhóm xét nghiệm nguyên nhân gây bệnh gan và nhóm xét nghiệm máu để tìm dấu ấn ung thƣ (cancer biomarkers). Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các dấu ấn ung thƣ trong máu đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phƣơng pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền nhƣ CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật giải phẫu bệnh.

Hiện nay, có trên 60 biomarker đƣợc dùng cho việc phát hiện ung thƣ gan. Các marker này đƣợc chia làm 4 nhóm chính: markers đối với mô (Tissue markers), markers đối với huyết thanh (Serum markers), markers đối với tế bào ung bƣớu

(Tumor cell markers) và markers đối với những yếu tố do di truyền (Genetic markers). Tuy nhiên, cách phân nhóm này chỉ mang tính tƣơng đối vì một vài marker có thể thuộc nhiều nhóm khác nhau [9]. Trong đó, nhóm xét nghiệm tìm các biomarkers là một hƣớng đang rất đƣợc quan tâm nghiên cứu trong thời gian gần đây vì trong phƣơng pháp này không cần đến thiết bị chuyên dụng, đắt tiền nhƣ CT và MRI, và cũng không phải thực hiện các kĩ thuật phức tạp của giải phẫu bệnh, nhƣng vẫn cho kết quả chẩn đoán với độ chính xác cao. Do đó nhóm tác giả sẽ sử dụng hai bộ kít nano chế tạo ra để phát hiện các biomarkers trong huyết thanh, phục vụ chẩn đoán ung thƣ trong đề tài này.

Ung thƣ thƣờng có tính di căn, nên khi mắc bệnh ung thƣ ở các giai đoạn sau thƣờng là ung thƣ của nhiều cơ quan (vú, phổi, gan,…) do sự di căn gây ra. Do đó, có một vài biomarker là marker thông dụng, chỉ định cho nhiều loại ung thƣ. Đồng thời, chƣa có một marker nào là hoàn toàn đặc trƣng cho 1 loại ung thƣ. Do đó, việc sử dụng nhiều marker để phát hiện một loại ung thƣ là cần thiết. Đối với ung thƣ gan, marker đặc trƣng và thông dụng nhất là AFP, tuy nhiên các nghiên cứu gần đây cho thấy những marker nhƣ AFP-L3, DCP, GP73, có ƣu thế hơn bởi độ nhạy và tính chuyên biệt cao. Do đó sau khi đã trao đổi với các chuyên gia trong nƣớc và quốc tế về lĩnh vực này, trong đề tài KC04 nhóm tác giả sẽ sử dụng bộ kít nano sinh học để phát hiện đồng thời 04 biomarker là AFP, AFP-L3, DCP, GP73 (Bảng 1.1), ứng dụng kết quả thu đƣợc vào việc phát hiện sớm ung thƣ gan. Tuy nhiên với giới hạn về thời gian, chúng tôi chỉ phát hiện chỉ thị AFP trong luận văn cao học này.

Đặc điểm chung của các biomarker đƣợc chọn nói trên là chúng đều là các protein (kháng thể đơn dòng). Do các protein đều có nhóm chức NH2 , yếu tố này cho phép thực hiện các kĩ thuật xử lí bề mặt để tạo các nhóm hóa học chức năng (functional groups) trên bề mặt của sợi và thanh nano. Các nhóm hóa học chức năng này sẽ liên kết với nhóm chức NH2 để giữ các các receptor này ở trên bề mặt sợi nano và thanh nano.

Bảng 1.1: Các biomarker và các receptor tương ứng của ung thư gan

AFP* AFP-L3 DCP GP73 Biomarker

LCA Hsp72 kháng thể đơn dòng của DCP kháng thể đơn dòng của GP73 Receptor tương ứng

*Biomarker sẽ được nghiên cứu và phát hiện trong luận văn cao học này.

1.2.3. Nguyên lí hoạt động của cảm biến

Bộ kít sinh học sợi nano (nanowire): sợi nano đƣợc định nghĩa là vật liệu ở

dạng sợi với đƣờng kính sợi trong khoảng 1-100 nm. Nhƣ thế, chúng ta phải bó ít nhất 1 triệu sợi nano lại với nhau để có một vật thể có kích thƣớc ngang bằng sợi tóc ngƣời với đƣờng kính trung bình là 100 micron. Khi ở dạng siêu nhỏ sợi nano, phần lớn các lớp nguyên tử cấu tạo nên sợi sẽ nằm trên bề mặt, dẫn đến các tính chất của sợi, đặc biệt là điện trở của sợi, rất nhạy với các thay đổi của môi trƣờng bên ngoài. Tính chất này làm sợi nano trở thành vật liệu lí tƣởng để chế tạo các cảm biến sinh học thế hệ mới – bộ kít sinh học sợi nano - với khả năng hoàn toàn mới mà linh kiện truyền thống không có. Cấu tạo và nguyên lí làm việc của bộ kít sinh học sợi nano đƣợc minh họa trong Hình 1.2 dƣới đây [10-28].

Hình 1.2: (a) Cấu tạo của một cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc transitor hiệu ứng trường sợi Silic. Hai điện cực nguồn và máng được nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thước nanomet. Độ dẫn qua sợi được điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic. (b) Sự thay đổi tính cường độ dòng điện chạy qua sợi Si loại P khi có các phần tử bị bắt lại trên sợi. Dòng điện giảm khi đối tượng mang điện tích dương, cùng dấu với điện tích hạt tải chính trong sợi, làm dòng điện qua sợi giảm. Trong khi đối tượng mang điện tích âm bị bắt thì làm dòng điện tăng lên

Một FET cảm biến có cấu trúc là một transitor có ba điện cực, trong đó cực nguồn và máng nối vối nhau qua một kênh chất bán dẫn và cực cổng nhằm điều khiển sự dẫn điện của kênh này. Một FET cảm biến nano, kênh dẫn đƣợc làm từ vật liệu nano Silic. Để phát hiện một đối tƣợng sinh học nào đó, ta cần gắn các chất nhận biết nó lên trên bề mặt sợi Silic để khi có phản ứng xảy ra, hoặc quá trình bắt cặp của chúng xảy ra sẽ làm ảnh hƣởng đến độ dẫn điện của sợi Si, kênh dẫn của transitor. Chất này đƣợc chọn tiên quyết để có thể bắt đƣợc phân tử mục tiêu (chất cần phân tích) với tính chuyên biệt duy nhất và ái lực càng mạnh càng tốt.

Nếu sợi Silic là chất bán dẫn loại P thì khi có phần tử tích điện âm bị bắt lại trên bề mặt sợi sẽ làm tăng dòng điện chạy qua sợi, ngƣợc lại nếu chất cần phân tích mang điện tích dƣơng, khi bị bắt lại sợi Silic loại P sẽ làm giảm dòng điện chạy trong sợi Silic. Tƣơng tự, với sợi Silic là bán dẫn loại N, thì khi phần tử mang điện tích âm bị bắt lại trên bề mặt sẽ làm giảm dòng điện qua sợi và trƣờng hợp phần tử mang điện dƣơng bị bắt sẽ làm tăng cƣờng độ dòng điện qua sợi. Biên độ thay đổi tín hiệu điện giúp ta định lƣợng các chất cần phân tích.

Hiện tƣợng này gọi là hiệu ứng trƣờng. Cơ chế quá trình có thể giải thích bằng cơ chế tiếp xúc P-N nhƣ sau: khi đối tƣợng mang điện tích dƣơng bị bắt lại trên bề mặt sợi Silic loại P, với thành phần hạt tải chính là proton mang điện dƣơng, do thế tĩnh điện nên chúng đẩy nhau tạo ra một vùng không gian ở giữa không mang điện nên làm giảm độ dẫn điện chạy qua sợi. Trong khi đó nếu đối tƣợng bị bắt lại mang điện tích âm, chúng sẽ hút các lỗ trống về phía mình làm tăng cƣờng kênh dẫn trong sợi Silic.

Khi tích hợp nhiều Si NW FET này trong một chíp, và mỗi sợi Silic đƣợc chức năng các phần tử nhận biết những đối tƣợng khác nhau nhằm phát hiện nhiều đối tƣợng cùng lúc.

Hình 1.3: Chíp Si NW FET gồm nhiều sợi Si đặt song song nhau, mỗi sợi được gắn một phần tử khác nhau nhằm phát hiện những đối tượng khác nhau, nên cảm biên có thể đo đồng thời nhiều thông số khác nhau

Si NW FET có thể đƣợc chia ra thành 3 nhóm dựa theo chất gắn kết trên bề mặt

sợi: gắn enzyme, gắn miễn dịch, và dựa trên tế bào.

Ƣu điểm của Si NWs FET là khả năng chuyển đổi tín hiệu trực tiếp từ sự tƣơng tác của các phần tử sinh học xảy ra trên bề mặt sợi Silic thành tín hiệu điện mà không qua một quá trình trung gian nào cả. Công nghệ xử lý bề mặt vật liệu silic có từ lâu đời và hoàn chỉnh nên việc chức năng hóa bề mặt sợi Silic để thành các loại cảm biến khác nhau, mang lại sự thuận tiện trong chế tạo. Chính vì quá trình chuyển đổi tín hiệu trực tiếp nên thời gian đáp ứng nhanh, có thể tái sử dụng bằng phƣơng pháp tái chức năng bề mặt. Trong quá trình chế tạo, độ dẫn điện của sợi Silic có thể đƣợc kiểm soát nhờ kiểm soát tỉ lệ pha tạp. Môi trƣờng để đƣa chất cần phân tích vào NW cảm biến ảnh hƣởng rất lớn đến sự hoạt động của cảm biến: nồng độ ion, độ tinh khiết của nƣớc, độ pH,….chính vì thế với các nhóm nghiên cứu khác nhau trên thế giới khi thực hiện đo trong môi trƣờng khác nhau thì khó mà so sánh đƣợc nên cần có một môi trƣờng chuẩn cho tất cả các nghiên cứu sau này.

Các thông số quan trọng cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET là: [1] Độ dài kênh dẫn, là chiều dài sợi Silic; [2] độ rộng kênh dẫn, là độ rộng của điện cực; [3] loại

chất thụ động điện cực. Với Si NW FET thì đế Si có vai trò làm điện cực cổng, kích thƣớc của thiết bị ảnh hƣởng trực tiếp tới thời gian đáp ứng.

Hình 1.4: Độ dài sợi silic và độ rộng của vùng chứa sợi và chất làm thụ động hóa bề mặt là những thông số cần quan tâm khi chế tạo Si NW FET

 Độ rộng kênh dẫn: (độ rộng của điện cực nguồn và điện cực máng) (Sheehan & Whitnan) khi mô phỏng cho thấy rằng độ rộng này ảnh hƣởng trực tiếp và lớn đến số lƣợng chất phân tích bị bắt lại trên bề mặt NW, vì độ nhạy phụ thuộc vào dòng các chất phản ứng đi qua sợi cảm biến. Khi kênh dẫn rộng hơn thì thời gian để cho đƣợc một tín hiệu ra là nhỏ hơn nhiều đối với cùng một nồng độ chất phân tích cho trƣớc. Độ rộng kênh dẫn tính theo lý thuyết tối ƣu là 2-10µm. Điện cực: thƣờng đƣơc làm từ Au, Pt, Ni có độ dày khoảng 50 - 100nm. Lớp đệm cho điện cực thƣờng là: Ti, Cr, Al (5 - 50nm), có chức năng tạo tiếp xúc thuần trở giữa sợi silic và các kim loại làm điện cực. Ngoài ra phần điện cực còn đƣợc phủ một lớp chất bảo vệ thƣờng là Si3N4 để ngăn chặn quá trình bị ăn mòn, phản ứng điện hóa hoặc sự thay đổi công thoát khi có những chất lạ bám lên bề mặt nó.

 Độ dài kênh dẫn (khoảng cách giữa điện cực nguồn và điện cực máng).

1.3 Phƣơng pháp chế tạo Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic

Có 2 phƣơng pháp chính đƣợc sử dụng để chế tạo FET sợi Si dùng làm cảm biến là: Top - down và Bottom - up. Trong đó sợi Si có thể đƣợc chế tạo với nhiều kích thƣớc khác nhau, mật độ hạt tải khác nhau, và độ linh động của hạt tải khác nhau. Tất cả các yếu tố đó ảnh hƣởng đến sự hoạt động của cảm biến. Có rất nhiều nghiên cứu đã đƣợc tiến hành nhằm đánh giá sự phụ thuộc của đặc tính cảm biến với kích thƣớc của sợi Si và nồng độ pha tạp. Khi so sánh tính chất điện của FET dùng sợi Si trong môi trƣờng có độ pH khác nhau cho thấy rằng sự ảnh hƣởng của môi trƣờng là giảm dần theo chiều tăng dần kích thƣớc đƣờng kính sợi Si [29]. Từ thực nghiệm cho thấy sợi Si pha tạp nhẹ thì nhạy hơn so với sợi Si pha tạp nhiều hoặc không pha tạp [30].

1.3.1 Phƣơng pháp Top down

Top down là phƣơng pháp chế tạo Si NW FET từ wafer SOI (semiconductor on insulator) dựa trên các cơ chế ăn mòn và lithography. Chi tiết hơn ta có: ăn mòn, cắt, khắc ƣớt, làm khuôn... để có đƣợc cấu trúc mong muốn. Wafer sử dụng chế tạo sợi Silic trong phƣơng pháp TD thƣờng là loại SOI có ba lớp: (1) lớp đáy là lớp Si pha tạp nhiều có chức năng đóng vai trò là cực cổng của FET, (2) lớp giữa là lớp điện môi SiO2 có kích thƣớc 50-200nm, (3) lớp trên là lớp đơn tinh thể Si (20-300 nm). Từ đó chúng ta sẽ chế tạo sợi nano bằng các phƣơng pháp khắc. Kỹ thuật dùng trong TD có thể là phƣơng pháp ăn mòn ƣớt, ăn mòn khô, quang khắc, khắc bằng chùm tia điện tử, hoặc phƣơng pháp dịch chuyển về kích thƣớc nano nhƣ phƣơng pháp dịch chuyển thành cấu trúc NW trong siêu mạng. Sợi nano đƣợc chế tạo từ TD có tính đồng nhất và định hƣớng cao, kích thƣớc sợi có thể đạt đƣợc mức 100nm. NW đƣợc chế tạo bằng TD có hiệu suất cao theo một hƣớng và vị trí cho trƣớc, nhƣ thế dễ dàng chế tạo thành những thiết bị có chức năng mong muốn.

1.3.1.1 Ăn mòn

Có hai loại ăn mòn là: ăn mòn ƣớt là quá trình ăn mòn xảy ra ở pha lỏng và ăn mòn khô là quá trình ăn mòn xảy ra ở pha khí. Trong quy trình chế tạo Si NW FET bằng kỹ thuật ăn mòn ƣớt, cần chú ý nhất là hƣớng ƣu tiên của quá trình ăn mòn Si, vì quá trình này kiểm soát kích thƣớc sợi Si. Ngoài ra kỹ thuật ăn mòn SiO2 cũng là một điều cần quan tâm lƣu ý. Cơ chế quá trình ăn mòn gồm ba bƣớc: quá trình khuếch tán chất ăn mòn (chất phản ứng) lên lớp bề mặt màng, quá trình ăn mòn màng mỏng (phản ứng xảy ra giữa chất ăn mòn và màng mỏng làm cho màng mỏng bị ăn mòn), cuối cùng là quá trình khuếch tán ngƣợc của sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài.

Hình 1.5: Ba quá trình của cơ chế ăn mò

n là quá trình khuếch tán, quá trình ăn mòn, và quá trình thải sản phẩm của quá trình ăn mòn ra ngoài.

 Ăn mòn SiO2: khi ăn mòn lớp SiO2 yêu cầu phải chọn chất ăn mòn sao cho chỉ ăn mòn SiO2 mà không ăn mòn Si. Axit hydrofluoric là chất thƣờng dùng trong quá trình ăn mòn này. Nhƣng khi dùng trực tiếp HF thì phản ứng xảy ra rất

nhanh, HF 1% đã có tốc độ ăn mòn 5nm/s, nên rất khó kiểm soát, đặc biệt khi cần kiềm soát ở độ chính xác từng nanomet. Vì thế trong thực tế, HF đƣợc pha loãng trong buffer để có tốc độ ăn mòn thấp và cố định trong suốt quá trình ăn mòn cho phép thời gian ăn mòn tƣơng ứng với một độ sâu nhất định.

 Ăn mòn ƣớt Si: chất ăn mòn thƣờng dùng là dung dịch KOH nồng độ thấp. Trong cơ chế ăn mòn ƣớt màng silic để hình thành cấu trúc sợi, ta cần biết cơ chế ăn mòn ƣớt có thể giống nhau về mọi hƣớng, có khi ƣu tiên một hƣớng nào đó. Xét về hình thái vật liệu khi bị ăn mòn có thể chia ra làm ba loại: ăn mòn đẳng hƣớng, ăn mòn dị hƣớng và ăn mòn đẳng hƣớng hoàn toàn.

Hình 1.6: Ba cơ chế ăn mòn: a- đẳng hướng, b- dị hướng, c- siêu dị hướng

Kết hợp với quá trình ăn mòn là quá trình lithography dùng chế tạo sợi trong

phƣơng pháp TD.

Lithography có nhiều loại, trong đó hai loại chủ yếu hay đƣợc sử dụng để chế tạo sợi nano là: photolithography, dùng tác nhân là photon, và e_beam lithography, dùng tác nhân là chùm điện tử. Trong quy trình này chất resist đƣợc phủ lên vật liệu mong muốn, sau khi nó bị chiếu sáng hoặc chiếu chùm electron thì tính chất hóa học của nó thay đổi, các phần này sẽ bị hòa tan (hoặc giữ lại) sau khi đƣợc nhúng trong thuốc hiện (developer), từ đó làm nên những cấu trúc mong muốn. Có hai loại resist chính, positive (vị trí nào bị chiếu thì bị tẩy đi) và negative (vị trí nào không bị chiếu thì bị tẩy đi) khi qua bƣớc development. Photoresist thƣờng đƣợc phủ tạo dạng màng mỏng bằng phƣơng pháp spinning coating, khi tốc độ quay càng cao thì màng càng mỏng. Tất cả các photoresist cần làm khô trƣớc khi đƣợc chiếu sáng. Quy trình lithography thƣờng gồm các bƣớc sau:

 Làm sạch bề mặt wafer

Coating - là quá trình phủ một lớp chất nhạy sáng lên bề mặt wafer. Có hai loại photoresist: một loại khi bị chiếu thì sẽ bị rửa đi, loại khác là nơi nào bị chiếu sẽ đƣợc giữ lại.

 Pre-Bake (Soft Bake): là quá trình nung tại nhiệt độ thấp làm bay hơi các thành

phần dung môi trong lớp resist nhằm mục đích:

- Tránh ô nhiễm mặt nạ và các bụi bẩn bám trên mặt nạ; - Tránh cấu trúc xốp và bọt trong resist khi bơm khí N2 trong suốt quá trình chiếu; - Tăng độ kết dính của resist với đế; - Tránh quá trình xói mòn khi đƣa qua bƣớc development; - Tránh sự phân lớp trong một lớp resist khi thực hiện nhiều bƣớc phủ đồng thời; - Tránh bị rỗ khi sau đó có những quá trình xử lý nhiệt tiếp theo (coating, ăn mòn

khô).

 Bƣớc tiếp theo trong quá trình lithography là bƣớc sắp xếp mặt nạ và wafer cho

đúng trƣớc khi chiếu sáng hoặc chiếu chùm electron.

 Exposure: chiếu ánh sáng hoặc chiếu chùm electron lên lớp resist

 Development: quá trình hình thành cấu trúc mong muốn khi rửa wafer. Với những vị trí resist bị chiếu sáng hoặc không chiếu sáng sẽ bị rửa đi tùy theo loại resist chúng ta dùng loại dƣơng hay âm.

 Post-Bake (Hard Bake): là bƣớc nung nhiệt sau quá trình development nhằm làm tăng độ bền nhiệt, hóa, và vật lý của cấu trúc resist đã đƣợc hình thành cho những quá trình tiếp theo nhƣ mạ điện, ăn mòn.

 Tiếp đó là những bƣớc thực hiện khác mà dùng resist nhƣ mặt nạ (ăn mòn, mạ

điện, phún xạ)

 Tẩy lớp resist

 Tẩy rửa các chất bẩn

1.3.1.2 E-Beam

Là kỹ thuật dùng chùm electron để tạo khuôn trên mặt của lớp nền wafer. Chiều rộng của sợi nano thƣờng 50 nm và chiều dài là 20 µm-1 mm. Phƣơng pháp quang khắc dùng tia UV kết hợp với chiến lƣợc suy giảm kích thƣớc có thể tạo ra NWs có chiều rộng nhỏ hơn dùng PP Ebeam, khoảng từ 5-50 nm.

1.3.1.3 SNAP

Molecular beam epitaxy để tạo ra một khuôn mẫu trên một lớp siêu mạng từ đó các sợi nano sẽ mọc lên trên một cấu trúc siêu mạng. Sau đó khuôn mẫu này sẽ đƣợc

chuyển về dạng wafer SOI pha tạo P hoặc N trƣớc đó. Cho ta sản phẩm có tính định hƣớng cao. Phƣơng pháp này có nhiều ƣu điểm nhƣ: chế tạo đƣơc sợi nano đồng nhất có tính định hƣớng cao, và có thể kiểm soát chiều dài của sợi nhƣng nó cũng gặp phải nhiều nhƣợc điểm nhƣ chi phí cao, tốc độ hình thành sợi chậm.

1.3.2 Phƣơng pháp Bottom up

Là phƣơng pháp tạo sợi Silic từ các các nguyên tử, phân tử ban đầu. PP này thƣờng dùng để chế tạo các sợi nano bán dẫn của các nguyên tố nhóm 4 và sợi nano của các oxide kim loại. PPBU có thể tạo các sợi nano chất lƣợng cao, tuy nhiên hình dáng các sợi này mọc ngẫu nhiên theo nhiều hƣớng khác nhau và đƣợc đặc trƣng bởi sự phân bố độ dài và đƣờng kính sợi nano. Sự thay đổi về hình thái học (tính định hƣớng thấp) của các sợi nano so với các sợi đƣợc tổng hợp bằng PPTD (tính định hƣớng cao) làm giới hạn khi chế tạo các CB khi so sánh với sợi đƣợc tổng hợp bằng PPBU vì sự kém đồng nhất, mất trật tự về vị trí và hƣớng phát triển các sợi. Phƣơng pháp BU cho phép chế tạo sợi nano trên một diện tích rộng của đế, nó chỉ bị giới hạn bởi nhiệt độ của quá trình đƣợc dùng để tạo sợi nano 800-10000C. Trong phƣơng pháp này, hầu hết đế là wafer Si. Tuy nhiên có thể lựa chọn các đế là các vật liệu có nhiệt độ thấp hơn bằng cách phát triển sợi nano trên một đế có nhiệt độ ổn định sau đó chuyển chúng sang đế mới ở nhiệt độ ổn định thấp hơn nhƣ thủy tinh hoặc nhựa. Có hai hƣớng tiếp cận chính để chế tạo sợi nano theo phƣơng pháp BU là:

CVD (chemical vapor deposotion) dựa trên cơ chế chuyển từ trạng thái hơi

- sang trạng thái lỏng rồi cuối cùng ổn định ở trạng thái rắn (VLS vapor liquid solid).

Trong phƣơng pháp tổng hợp VLS, sợi nano đƣợc tổng hợp theo kiểu từng nguyên tử một. Các hạt nano mồi, xúc tác đƣợc phân tán đồng đều trên đế, một dòng khí chứa các nguyên tử cần thiết để hình thành sợi nano đƣợc thổi vào đế ở một nhiệt độ xác định. Các chất ban đầu này (nhƣ SiH4 để tạo sợi Si) trƣớc tiên đƣợc tách ra trên mầm hạt kim loại xúc tác, sau đó giải phóng kim loại ở trạng thái nóng chảy để hình thành hợp kim ở trạng thái lỏng. Chất bán dẫn kết tủa để mọc lên thành NW có kích thƣớc do hạt nano mầm (xúc tác) quyết định kích thƣớc hạt sợi nano, đƣờng kính sợi nano bằng với kích thƣớt hạt mầm xúc tác. Một ƣu điểm của cơ chế VLS là nồng độ pha tạp có thể dễ dàng đƣợc điều chỉnh bằng cách thêm chất pha tạp vào trong khí gas mang vào để có đƣợc sợi nano loại N hay P. Sợi nano sau đó đƣợc chuyển lên đế Silic tinh khiết và dùng kỹ thuật định hƣớng chúng, kết quả ta có màng sợi nano song song và đồng nhất. Ngoài cách lắng đọng hơi lòng rắn, với những chất không có các tiền chất hỗn hợp của nó ban đầu, chúng ta có phƣơng pháp kích thích bay hơi vật liệu bằng tác nhân laser (laser ablation).

Bốc bay laser: nguồn laser đƣợc hội tụ tại một vùng không gian nhỏ với năng - lƣợng cao làm bay hơi chất bán dẫn ban đầu đang ở thể rắn. Khí kim loại này đƣợc mang vào buồng lắng đọng bằng dòng khí mang. Tƣơng tự cơ chế VLS, đế Si cũng cần có trƣớc các hạt xúc tác làm mồi ban đầu để mọc sợi.

CHƢƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO

2.1 Chế tạo cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trƣờng sợi Silic

Cấu tạo của một transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si:

Cấu trúc của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si đƣợc mô tả trong Hình 2.1. Hai điện cực nguồn và máng đƣợc nối với nhau qua kênh dẫn sợi Silic kích thƣớc micromet. Độ dẫn qua sợi đƣợc điều chỉnh bằng thế điện áp vào cực cổng ở đế Silic.

Hình 2.1: Cấu tạo của một cảm biến dựa trên transistor hiệu ứng trường sợi Si

2.1.1 Nguyên vật liệu

 Vật liệu:

 Wafer SOI (Silicon On Insulator) có đƣờng kính 4 inch, dày khoảng 500

µm, gồm có 3 lớp: Lớp dƣới cùng là lớp đế Si, ở giữa là 1 lớp SiO2 dày

khoảng 1000 nm đóng vai trò lớp cách điện và trên cùng là 1 lớp Si đơn

tinh thể có bề dày khoảng 1000 nm.

 Mask 1: Mở cửa sổ điện cực để pha tạp

 Mask 2: Tạo sợi Si

 Mask 3: Tạo back gate

 Hóa chất:

 Acetone: công thức phân tử (CH3)2CO; khối lƣợng phân tử 50,08 g/mol;

khối lƣợng riêng 0,7925 kg/l.

 Axit sunfuric: công thức phân tử H2SO4; khối lƣợng phân tử 98,08 g/mol;

khối lƣợng riêng 1,84 kg/l.

 Hydrogen peroxide: công thức phân tử H2O2; khối lƣợng phân tử 34,0147

g/mol; khối lƣợng riêng 1,463 kg/l.

 BHF (buffered hydrofluoric acid) 7:1 là dung dịch đệm NH4F (ammonium fouride) của HF (hydrofluoric acid) theo tỉ lệ NH4F(40%) : HF là 7:1.

2.1.2 Qui trình chế tạo

Nhƣ đã trình bày ở trên, việc nghiên cứu để đƣa ra công nghệ chế tạo đƣợc các sợi nano, và sau đó là linh kiện nano, trong điều kiện còn hạn chế nhiều về cơ sở vật chất, kiến thức chuyên ngành là một nhiệm vụ tuy khó khăn, nhƣng cấp thiết và mang nhiều ý nghĩa và lợi ích quan trọng. Để giải quyết đƣợc nhiệm vụ này, nhóm tác giả đã chọn các phƣơng pháp nghiên cứu sau:

Nghiên cứu, phân tích các tài liệu, bài báo chuyên ngành, về chế tạo nano nói chung và chế tạo sợi nano nói riêng. Từ đó tìm cách học hỏi các điểm mạnh, cũng nhƣ chỉ ra các điểm hạn chế của mỗi phƣơng pháp chế tạo, đúc rút ra phƣơng pháp khả thi để chế tạo sợi nano Si.

 Để phát hiện đƣợc các biomarkers sợi nano Si sử dụng phải là các sợi có chất lƣợng cao, ở dạng đơn tinh thể. Và sợi nhƣ thế thƣờng đƣợc chế tạo từ các đế silicon đặc biệt loại semiconductor on insulator (SOI). Do đó trong quá trình tìm hiểu các tài liệu, các công nghệ liên quan đến việc chế tạo sợi nano từ đế SOI đƣợc quan tâm đặc biệt.

 Trao đổi kiến thức với các chuyên gia hàng đầu trong lĩnh vực chế tạo nano và sợi nano. Tìm hiểu khả năng chế tạo của các thiết bị và cơ sở vật chất hiện có của Phòng Thí Nghiệm Công Nghệ Nano (PTN CNNN) ĐHQG TP. HCM và các đơn vị trong nƣớc.

 Dựa trên phƣơng pháp top – down, nhóm nghiên cứu đã đƣa ra qui trình

thực nghiệm chế tạo FET sợi Si theo các bƣớc sau.

Có thể nói rằng, cho đến thời điểm này, có rất nhiều phƣơng pháp đã và đang đƣợc nghiên cứu, sử dụng bởi các nhóm nghiên cứu khác nhau để chế tạo sợi nano Si. Tuy nhiên mỗi phƣơng pháp đều có các ƣu và nhƣợc điểm riêng.

Sau khi tìm hiểu tài liệu, nhóm tác giả đã đƣa ra một phƣơng pháp chế tạo mới, phù hợp với điều kiện của PTN CNNN, ĐHQG TP.HCM, để chế tạo đƣợc linh kiện sợi nano Si từ đế SOI, có kích thƣớc và tính chất phù hợp cho việc sử dụng làm cảm biến sinh học tiếp theo. Qui trình công nghệ cùng dựa trên phƣơng pháp top-down để chế tạo FET sợi Si đƣợc trình bày trong Hình 2.2 và bao gồm các bƣớc kĩ thuật chủ yếu sau:

1. Làm sạch wafer

2. Giảm bề dày của lớp Si bề mặt

3. Pha tạp Boron vùng điện cực

4. Tạo sợi Si

5. Tạo backgate

6. Phủ Ti/Pt làm điện cực

7. Gia nhiệt nhanh tạo tiếp xúc ohmic

Làm sạch wafer

Giảm bề dày lớp Si bề mặt

Pha tạp Bo

Tạo sợi Si

Tạo backgate

Phủ Ti/Pt làm điện cực

Gia nhiệt nhanh tạo tiếp xúc ohmic

Hình 2.2: Sơ đồ khối các bước chế tạo FET sợi Si, chỉ sử dụng các kĩ thuật cở bản của công nghệ micro. Phần lớn các bước được thực hiện tại PTN CNNN. Tuy nhiên bước pha tạp Bo vẫn còn phải thực hiện trên thiết bị của đối tác nước ngoài (Viện MESA+, Hà Lan).

2.1.2.1 Làm sạch Wafer

Trong khi lƣu trữ, trên bề mặt wafer Si sẽ các chất bẩn bám vào, sự hình thành lớp SiO2 tự nhiên. Những chất gây ô nhiễm, có thể là phân tử, ion, các nguyên tử tự nhiên. Những chất còn lại của quá trình đánh bóng, phủ chất cảm quang là những ví dụ về các phân tử tự nhiên. Tạp chất ion thƣờng xuất hiện do sự hấp thụ của các ion từ

dung dịch ăn mòn. Do đó, cần phải hạn chế các chất gây ô nhiễm trên bề mặt wafer ở mức tối đa.

Nhiều kỹ thuật làm sạch và ăn mòn đã đƣợc sử dụng trong quá trình chế tạo các

thiết bị bán dẫn và tất cả các quy trình này đều đƣợc thực hiện ở trong phòng sạch.

Việc làm sạch wafer và xử lý bề mặt trƣớc khi chế tạo bằng phƣơng pháp ƣớt đƣợc dựa trên việc sử dụng các hóa chất ở dạng lỏng, các dung môi hữu cơ hoặc là hỗn hợp của cả hai.

Những dung môi thƣờng đƣợc sử dụng để loại bỏ các tạp chất hữu cơ là: aceton, ethanol, isopropanol (IPA)… Ngoài ra các wafer sau khi đƣợc rửa bằng hóa chất cần phải đƣợc rửa lại bằng nƣớc DI (deionized water) và thổi khô bằng súng hơi cao áp khí Nitơ để nhanh chóng loại bỏ phần nƣớc còn lại bám trên bề mặt wafer. Cuối cùng có thể đem wafer đi nung nhiệt để loại bỏ hoàn toàn lƣợng hơi nƣớc cũng nhƣ các dung môi hữu cơ còn lại .

Việc rửa wafer đƣợc tiến hành thông qua 4 bƣớc sau:

 Bƣớc 1: Ngâm wafer trong Aceton.

 Bƣớc 2: Ngâm wafer trong Piranha.

 Bƣớc 3: Ngâm wafer trong BHF.

 Bƣớc 4: Nung nhiệt wafer.

 Qui trình thực nghiệm rửa wafer SOI:

Ngâm wafer trong aceton trong 5 phút để loại bỏ bụi bẩn và các chất hữu cơ

bám trên bề mặt.

Rửa lại bằng nƣớc DI. Chuẩn bị dung dịch Piranha- hỗn hợp của acid sulfuric H2SO4 (98%) và hydrogen peroxide H2O2 (30%) theo tỉ lệ 3:1. Ngâm wafer trong dung dịch Piranha 3 phút để loại bỏ hoàn toàn các tạp chất hữu cơ và các tạp chất thấy đƣợc khác trên bề mặt wafer. Sau đó, lấy wafer ra rửa lại bằng nƣớc DI, xịt khô bằng súng hơi cao áp Nitơ và đem quay khô bằng máy quay li tâm Spinner 6RC với các thông số nhƣ Bảng 2.1.

Bảng 2.1: Thông số thiết dặt của máy quay li tâm Spinner 6RC

Bƣớc

Tốc độ (vòng/phút)

Thời gian tăng tốc (s) Thời gian quay (s)

500

3000

Việc quay wafer trong máy quay li tâm với vận tốc cao sẽ giúp loại bỏ lƣợng nƣớc còn bám dính lại trên bề mặt wafer sau khi đã xịt khô bằng súng hơi cao áp Nitơ.

Hình 2.3: Máy quay li tâm

Tiếp theo, ngâm wafer trong dung dich BHF 7:1 trong thời gian là 15 phút để

ăn mòn lớp silic oxide SiO2 tự nhiên hình thành trên bề mặt wafer.

Phản ứng ăn mòn: SiO2 + 6HF H2SiF6 + 2H2O (2.1) Tốc độ ăn mòn 80 nm/phút.

Sau đó rửa sạch wafer bằng nƣớc DI, xịt khô bằng súng hơi Nitơ và quay khô

bằng máy quay li tâm với thông số nhƣ trên.

Cuối cùng, đem nung nhiệt wafer ở nhiệt độ 1200C trong vòng 5 phút để loại bỏ

hoàn toàn lƣợng hơi nƣớc còn lại trên bề mặt wafer.

Hình 2.4: Thiết bị nung nhiệt

2.1.2.2 Oxi hóa tạo lớp silic oxide SiO2

Wafer trong quy trình chế tạo Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si là wafer SOI có

3 lớp và lớp đơn tinh thể silic ở trên cùng là nơi hình thành cấu trúc sợi Si mong muốn.

Lớp Si đơn tinh thể có bề dày khoảng 1000 nm, trong khi đó cấu trúc sợi Si cần tạo ra

chỉ có bề dày khoảng 100 nm. Vì thế cần giảm bề dày lớp Si từ 1000 nm xuống còn

100 nm. Để thực hiện đƣợc mục đích đó, sử dụng lặp đi lặp lại quy trình oxi hóa bề

mặt wafer tạo lớp SiO2 rồi sau đó ăn mòn lớp SiO2 bằng dung dịch BHF để cuối cùng

còn lại lớp Si có kích thƣớc mong muốn.

Quá trình oxi hóa của các chất bán dẫn có thể đƣợc thực hiện theo nhiều

phƣơng pháp khác nhau. Bao gồm: oxi hóa nhiệt, anod hóa bằng điện hóa học

(electrochemical anodization), và phản ứng plasma (plasma reaction).

Hình 2.5: Sơ đồ khối các bước làm giảm bề dày lớp Si bề mặt

Trong quy trình oxi hóa nhiệt có 2 phƣơng pháp là: oxi hóa khô và oxi hóa ƣớt.

Oxi hóa khô đƣợc thể hiện qua phƣơng trình sau:

(2.2)

Oxi sẽ khuếch tán thông qua lớp SiO2 đƣợc tạo ra. Vì vậy với quá trình này sẽ không đạt đƣợc trạng thái bão hòa về độ dày của lớp SiO2 mặc dù tốc độ phát triển lớp SiO2 đƣợc làm chậm lại và khi đó độ dày này càng tăng. Khi bắt đầu, bề dày lớp SiO2 hình thành sẽ tỉ lệ với thời gian oxi hóa. Nhƣng khi đạt đến bề dày cao hơn (>1m), sự phát triển lớp oxít sẽ tỷ lệ với căn bậc hai của thời gian. Một lớp SiO2 hình thành sẽ cần một lớp silic bằng khoảng 44% bề dày của nó. Nhƣ vậy cứ 1 nm Si sau khi oxi hóa hình thành 1 lớp SiO2 dày khoảng 2.2 nm.

Quá trình oxi hóa ƣớt đƣợc thể hiện qua phản ứng sau:

(2.3)

Cơ cấu một một lò oxi hóa nhiệt cơ bản bao gồm một lò nhiệt điện trở, một ống thạch anh hình trụ chứa những wafer silic đƣợc giữ thẳng đứng trong thuyền thạch anh có xẻ rãnh, và nguồn khí oxi hoặc hơi nƣớc. Quá trình oxi hóa nhiệt chia làm 3 giai đoạn: gia nhiệt, oxi hóa và hạ nhiệt độ.

Hình 2.6: Cơ cấu một lò oxi hóa nhiệt

Tiến hành oxi hóa wafer bằng lò oxi hóa PEO 601.

Hình 2.7: Thiết bị oxi hóa PEO 601 của PTN CNNN được sử dụng để oxi hóa đế SOI, làm mỏng lớp Si từ 1000 nm về 100 nm, thích hợp cho việc chế tạo cảm biến sợi nano Si.

Giản đồ quá trình gia nhiệt của thiết bị oxi hóa PEO 601 đƣợc thể hiện ở Hình 2.8

Hình 2.8: Giản đồ nhiệt quá trình oxi hóa của thiết bị oxi hóa PEO 601.

Quá trình làm việc của máy gồm các bƣớc chính sau đây:

 Bƣớc 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C : 15 phút.

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút.

 Bƣớc 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút.

 Bƣớc 4: Oxi hóa ở 10500C: 240 phút.

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút.

Sau khi quá trình oxi hóa kết thúc, đem mẫu đi đo bề dày lớp SiO2 tạo thành

bằng máy đo Ellipsometer (Hình 2.9).

Hình 2.9: Máy Ellipsometer sử dụng để đo độ dày màng mỏng SiO2 tạo ra trên đế SOI.

Kết quả sau lần oxi hóa đầu tiên, bề dày lớp SiO2 hình thành là 644 nm.

Hình 2.10: Kết quả đo bề dày lớp SiO2 tạo thành sau khi oxi hóa lần một bằng máy Ellipsometer

Sau khi oxi hóa, tiến hành ăn mòn lớp SiO2 bằng dung dịch BHF 7:1. Wafer trong đƣợc ngâm trong dung dịch BHF cho đến khi bề mặt wafer chuyển từ trạng thái dính ƣớt sang trạng thái trơn tuột nƣớc. Rửa sạch wafer bằng nƣớc DI, sau đó làm khô bằng súng hơi N2 và quay khô bằng máy quay li tâm với tốc độ 3000 vòng/phút. Sau khi oxi hóa lần đầu và ăn mòn lớp SiO2 đã tạo ra xong thì bề dày lớp đơn tinh thể Si còn lại khoảng 710 nm, để đạt đƣợc bề dày lớp Si là 100nm, tiếp tục tiến hành quy trình oxi hóa bề mặt wafer và ăn mòn lớp Si đã bị oxi hóa trong dung dịch BHF.

Oxi hóa wafer lần 2 với thông số giống nhƣ oxi hóa lần đầu tiên. Kết quả đo bề

dày lớp SiO2 bằng máy đo Ellipsometer nhƣ sau:

Bề dày lớp SiO2 là 588 nm.

Tiếp tục ăn mòn lớp SiO2 sau lần oxi hóa thứ 2 bằng dung dịch BHF giống nhƣ sau lần oxi hóa đầu tiên. Qua 2 lần oxi hóa và ăn mòn, bề dày lớp Si còn lại là 442 nm.

Tiến hành oxi hóa wafer lần 3 với các thông số nhƣ sau:

 Bƣớc 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C : 15 phút.

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút.

 Bƣớc 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút.

 Bƣớc 4: Oxi hóa ở 10500C: 180 phút.

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút.

Các thông số khác của máy không thay đổi và giống nhƣ 2 lần oxi hóa đầu tiên.

Sau lần oxi hóa thứ 3, bề dày lớp SiO2 hình thành đo đƣợc là 464 nm. Tiếp tục ăn mòn lớp silic oxide bằng dung dịch BHF 7:1. Tiến hành oxi hóa wafer lần cuối để tạo một lớp SiO2 làm mặt nạ che cho quy trình pha tạp Phospho ở điện cực ở bƣớc tiếp theo. Thông số oxi hóa lần cuối nhƣ sau:

 Bƣớc 1: Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng đến 6000 C: 15 phút.

 Buớc 2: Gia nhiệt từ 6000C đến 8000C: 15 phút.

 Bƣớc 3: Gia nhiệt từ 8000C đến 10500C: 45 phút.

 Bƣớc 4: Oxi hóa ở 10500C: 120 phút.

 Buớc 5: Giảm từ 10000C xuống đến 5000C trong vòng 99 phút.

Bề dày lớp SiO2 tạo thành ở lần oxi hóa cuối cùng này là 300 nm. Lớp silic oxide này đƣợc sử dụng làm mặt nạ cho quá trình pha tạp điện cực (cấy ion Bo) để tạo

các vùng điện cực có nồng độ pha tạp cao (5.1018 ion/cm3), cho phép tạo các tiếp xúc Ohmic sau này.

2.1.2.3 Pha tạp Boron

Đối với wafer SOI mà nhóm chúng tôi đang sử có lớp Si trên cùng là lớp Si đơn tinh thể đã đƣợc Hãng sản xuất pha tạp Bo với nồng độ hạt tải là 1015 nên bản thân lớp Si này là một bán dẫn loại p. Tuy nhiên để chế tạo đƣợc cảm biến FET thì chúng tôi cần pha tạp Bo với nồng độ hạt tải vào khoảng 5.1018 ion/cm3 ở vùng điện cực (vùng p++).

Do hiện nay PTN CNNN chƣa có thiết bị chuyên dụng để pha tạp cho vật liệu bán dẫn, nên bƣớc pha tạp này đƣợc TS. Tống Duy Hiển thực hiện tại Viện nghiên cứu MESA+ Đại học Twente, Hà Lan.

Hình 2.11: Pha tạp Bo vùng điện cực

2.1.2.4 Tạo sợi Si

Để tạo sợi Si, ta tiến hành quy trình quang khắc để làm mặt nạ che phủ cho

bƣớc ăn mòn bề mặt Si để tạo sợi Si nhƣ mong muốn.

Hình 2.12: Các bước tạo sợi Si

2.1.2.4a Quang khắc

Đầu tiên ta làm sạch wafer.

- Phủ lớp primer HMDS tạo độ kết dính giữa wafer với chất cảm quang, thông

số phủ của máy spinner 6RC đƣợc thiết đặt nhƣ đã đề cập phần trên. - Tiếp theo, phủ lớp chất cảm quang cũng với thông số phủ quay nhƣ trên. - Nung nhiệt ở nhiệt độ 950C trong 1 phút. - Chiếu UV bằng máy mask aligner MJB4 với chế độ chiếu là “ hard-contact” và

thời gian chiếu là 4,5 s.

- Tiếp tục nung nhiệt wafer ở nhiệt độ 1200C trong 1 phút. - Sau đó đem ngâm wafer trong dung dịch tráng rửa ảnh trong vòng 50s, rồi rửa

sạch bằng nƣớc DI.

- Tiếp tục nung nhiệt wafer ở thiết bị hot plate ở nhiệt độ 1200C trong 5 phút. Ở bƣớc ăn mòn tạo sợi Si này không nên hard-bake wafer với thời gian lâu vì nhƣ vậy lớp photoresist sẽ bị co lại dẫn đến sợi Si tạo ra không đẹp và không đúng kích thƣớc cần chế tạo.

Ta có ảnh của sợi Si sau quy trình quang khắc chụp bằng kính hiển vi kim loại

học GX51:

Hình 2.13: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có một sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14 µm-40 µm

Hình 2.14: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có ba sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14 µm-40 µm

Hình 2.15: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến có 4 sợi Si. Sợi có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14 µm-40 µm

Hình 2.16: Hình ảnh chụp bằng kính hiển vi quang học của cảm biến, trên đó có 3 vùng chứa sợi. Mỗi vùng có 3 sợi, 4 sợi và 5 sợi. Sợi có chiều ngang khoảng 2 µm, chiều dài thay đổi (tùy loại chip) từ 14 µm-40 µm

2.1.2.4b Ăn mòn khô tạo sợi Si

Sau khi thực hiện công nghệ quang khắc, chúng tôi thu đƣợc các định dạng sợi nano trên lớp resist. Lớp resist này đƣợc sử dụng làm mask để ăn mòn xuống lớp đơn tinh thể Si, tạo sợi Si. Bình thƣờng bƣớc này đƣợc thực hiện trên thiết bị RIE (Reaction Ion Etching- Oxford 80+ của PTN CNNN). Tuy nhiên trong quá trình thực hiện luận văn này, thiết bị nói trên bị hỏng, do đó chúng tôi sử dụng thiết bị khác là DRIE (Deep Reaction Ion Etching- SAMCO) để ăn mòn lớp Si. Tuy nhiên hệ DRIE ăn mòn Si với tốc độ rất nhanh, thích hợp cho việc ăn mòn sâu. Do đó các thông số của hệ đã đƣợc tối ƣu lại để thích hợp cho việc ăn mòn lớp Si rất mỏng chỉ cỡ 100nm của chúng tôi.

Các thông số kĩ thuật đƣợc tối ƣu cho hệ DRIE để ăn mòn lớp Si có độ dày

100nm nhƣ sau:

- Áp suất buồng: 6.05 Pa. - Lƣu lƣợng khí SF6: 150 sccm - Công suất RF: Bias: 15W, ICP: 150W. - Thời gian ăn mòn 30s.

Sau khi kết thúc bƣớc DRIE, chúng tôi ngâm wafer trong aceton trong thời gian 10 phút để tẩy lớp cảm quang. Sau đó rửa bằng nƣớc DI rồi ngâm trong piranha 15 phút để loại bỏ hoàn toàn lớp resist. Tiếp tục rửa wafer bằng nƣớc DI và quay khô bằng máy quay li tâm. Chuẩn bị cho bƣớc tiếp theo tạo back gate.

2.1.2.5 Tạo back gate

Quy trình quang khắc mở cửa sổ ăn mòn back gate đƣợc thực hiện giống nhƣ quy trình quang khắc ở bƣớc tạo sợi Si. Điểm khác biệt duy nhất là ở bƣớc này ta sử dụng mask 4 để chiếu UV.

Ăn mòn SiO2 để tạo tiếp xúc backgate từ phía trên của wafer: ngâm wafer trong dung dịch BHF trong 20 phút để ăn mòn qua lớp SiO2 có độ dày 1000 nm. Sau đó rửa bằng nƣớc DI rồi ngâm trong aceton đê tẩy lớp cảm quang. Tiếp tục rửa wafer bằng nƣớc DI và quay khô li tâm.

Hình 2.17: Các bước tạo backgate từ phía trên của wafer.

2.1.2.6 Phủ điện cực Pt/Ti

Trƣớc khi tiến hành phủ điện cực Pt/Ti để làm đƣờng dẫn ra mạch ngoài cho sợi

Si, chúng tôi tiến hành một bƣớc quang khắc với mask 3 để mở cửa sổ cho các điện

cực. Quy trình quang khắc đƣợc tiến hành tƣơng tự nhƣ trên.

Bƣớc tạo điện cực đƣợc thực hiện bằng hệ phún xạ UNIVEX 350. Vật liệu điện

cực là platin với độ dày 150nm, sử dụng lớp bám dính Ti có độ dày 10nm.

Wafer đƣợc đặt trên giá đặt mẫu (substrate holder) hình tròn với mặt dƣới

hƣớng lên trên. Đế này có thể quay xung quanh trục khi thực hiện quá trình phún xạ để

thu đƣợc lớp màng có độ đồng đều. Bia có tấm che (shutter) có tác dụng trong quá

trình tiền phún xạ (pre-sputtering) để làm sạch bia. Hệ magnetron sử dụng là hệ cân

bằng. Điều đặt biệt trong cấu hình của hệ phún xạ này là anốt đƣợc đặt sát bia (catốt)

thay vì đƣợc đặt đối diện (thƣờng là phía sau đế) nhƣ trong các hệ phún xạ khác.

Hình 2.18: Hệ phún xạ UNIVEX 350 tại PTN CNNN được sử dụng để chế tạo điện cực cho các đơn sợi Si.

Sau khi kết thúc quá trình phún xạ, ngâm wafer trong aceton 3h để liff-off kim loại vừa phủ. Ở phần nào có chất cảm quang thì kim loại sẽ bị rửa trôi đi, còn ở phần không có chất cảm quang thì kim loại bám dính lên bề mặt wafer làm điện cực của FET. Sau khi liff- off, rửa sạch wafer bằng nƣớc DI và quay khô bằng máy quay li tâm.

Hình 2.19: Các bước thực hiện đểchế tạo điện cực điện Pt/Ti cho các sợi Si. Tiếp theo là tạo lớp cách điện SiO2 cho các điện cực này. Với cấu trúc này, chỉ phần sợi Si là tiếp xúc với dung dịch trong các bước đo đạc sau này còn lại toàn bộ bề mặt của chip được phủ bởi lớp cách điện SiO2

2.1.2.7 Tạo tiếp xúc thuần trở (ohimic- contact)

Mục đích gia nhiệt nhanh để tạo mối liên kết Ohmic (ohmic contact) giữa vật

liệu bán dẫn (sợi Si) và kim loại (đƣờng dẫn Pt/Ti).

Trƣớc khi gia nhiệt ngâm wafer trong dung dịch aceton để làm sạch bề mặt

wafer, sau đó rửa bằng nƣớc DI và quay khô.

Tiếp theo tiến hành gia nhiệt nhanh trong môi trƣờng N2 với quy trình nhƣ sau:

- Gia nhiệt từ nhiệt độ phòng lên 6000C trong 30 s và giữ ở nhiệt độ đó 1 phút. - Gia nhiệt từ 6000C lên 8000C trong 30 s và giữ ở nhiệt độ đó trong 1 phút. - Sau đó giảm nhanh về nhiệt độ phòng và lấy mẫu ra.

Bƣớc chế tạo này là bƣớc cuối cùng trong qui trình chế tạo transistor hiệu ứng trƣờng dùng sợi Si làm kênh dẫn. Hình ảnh của một wafer trong đó có chứa các chip sợi Si đƣợc trình bày trong Hình 2.20.

Hình 2.20: Wafer trong đó có chứa các chip sợi Si sau khi kết thúc qui trình chế tạo.

2.2 Phƣơng pháp chức năng hóa bề mặt

Sau khi hoàn thành các bƣớc chế tạo. Chúng tôi thu đƣợc các cấu trúc Si W FET. Tuy nhiên để có thể sử dụng các linh kiện này làm cảm biến phát hiện một đối tƣợng sinh học nào đó thì bề mặt sợi Si phải đƣợc chức năng hóa bề mặt (surface modification), cho phép sợi Si sẽ bắt đặc hiệu với chất cần phát hiện (xem thêm Hình 1.2 về nguyên lí hoạt động của cảm biến loại này).

Mặc dù các cảm biến sinh học hiệu ứng trƣờng dựa trên cấu trúc sợi rất nhạy với môi trƣờng xung quanh nhƣng bản thân chúng không sở hữu những thuộc tính nhận diện các phân tử mục tiêu. Do đó ta phải biến đổi bề mặt sợi để có thể nhận diện đặc hiệu các phân tử mục tiêu. Tính đặc hiệu này có đƣợc nhờ việc gắn các nhóm chức nhận diện trên bề mặt của sợi. Hiện nay trên thế giới có nhiều cách khác nhau để chức năng hóa bề mặt sợi mà vẫn đảm bảo đƣợc mọi tính chất của vật liệu cảm biến nhƣ là: tƣơng tác hấp thụ, quang hóa, hấp thụ tĩnh điện, gắn kết cộng hóa trị… Do đó, yêu cầu đặt ra là làm sao chúng ta có thể gắn các kháng nguyên cần thiết đó là các protein gồm các amino axit liên kết lại với nhau nên chứa gốc amin NH2 và nhóm –COOH lên sợi Silic của chúng ta.

Tuy nhiên, phƣơng pháp gắn kết cộng hóa trị là phù hợp với việc cố định thụ thể của cảm biến sinh học sợi Si. Mục đích chính của việc thay đổi bề mặt là sự hình thành liên kết cộng hóa trị giữa silicon – carbon. Có hai cách chức năng hóa bề mặt thƣờng đƣợc sử dụng: phƣơng pháp silane hóa trên bề mặt SiO2 tự nhiên và phƣơng pháp tạo liên kết H trên bề mặt Silic nguyên chất.

Theo các kết quả công bố bởi các nhóm nghiên cứu khác cho thấy là bề mặt Si cho phép thụ động hóa các receptor tốt hơn bề mặt SiO2 nhƣng để phù hợp với điều kiện của phòng thí nghiệm hiện nay, chúng tôi đã sử dụng phƣơng pháp silane hóa trên bề mặt SiO2 tự nhiên để hoạt hóa bề mặt FET sợi Si.

2.2.1 Vật liệu, hóa chất cần thiết

- 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) đƣợc mua từ Sigma-Aldrich - Fluorescein-Lens culinaris agglutinin (F-LCA) đƣợc mua từ Vector Lab - Alpha-fetoprotein (AFP) và kháng thể đơn dòng của AFP đƣợc mua từ Insight

Genomics

Một số hóa chất khác đƣợc mua từ Merck:

- Acetone: công thức phân tử (CH3)2CO; khối lƣợng phân tử 50,08 g/mol; khối

lƣợng riêng 0,7925 kg/l.

- Axit sunfuric: công thức phân tử H2SO4; khối lƣợng phân tử 98,08 g/mol; khối

lƣợng riêng 1,84 kg/l.

- Hydrogen peroxide: công thức phân tử H2O2; khối lƣợng phân tử 34,0147

g/mol; khối lƣợng riêng 1,463 kg/l.

- Toluene 98%. - Dung dịch 0.1X PBS (pH 7.4).

2.2.1.1 Biomarker

Biomarker là phân tử sinh học chỉ thị mang dấu hiệu cho một bệnh, một chất, một trạng thái sinh học nào đó hoặc một trạng thái bệnh tật đƣợc biển hiện qua biomarker. Việc ghi nhận các biomarker là thực sự cần thiết để tầm soát bệnh và đánh giá bệnh tật.

Biomarker Alpha-fetoprotein (AFP): AFP là một glycoprotein gồm 591 aa và một nửa hydrocarbon, đƣợc mã hóa bởi AFP gene. Trong cấu trúc của protein AFP có một vùng peptide hoạt động mang tính chất nhƣ một kháng nguyên ung thƣ (anti- cancer), viết tắt là AFPep. AFPep gồm 9 aa (từ aa 472- 479 đƣợc ký hiệu là EKTOVNOGN) với trong lƣợng 969 Daltons. AFPep có khả năng liên kết với một protein sốc nhiệt Hsp72 (heat shock protein Hsp72), do đó, có thể sử dụng protein Hsp72 làm receptor để phát hiện biomarker AFP. Ngoài ra, AFP còn có thể tạo liên kết mạnh với kháng thể đơn dòng của nó, nên đây cũng là một receptor để phát hiện AFP.

2.2.1.2 Thụ thể

Thụ thể là chất đóng vai trò phát hiện chất cần phân tích của chúng ta, trong

nhiều trƣờng hợp là các kháng thể, các phân tử AND, các chất thăm dò…

Trong đề tài này chúng tôi dùng kháng thể đơn dòng AFP làm receptor phát hiện

chất chỉ thị sinh học AFP.

2.2.2 Qui trình chức năng hóa bề mặt sợi Si

Hình 2.21: Sơ đồ khối các bước chức năng hóa bề mặt chip sợi Silic

Vật liệu làm cảm biến là nguyên tố Silic do đó nó không thể nhận biết các phân tử sinh học mong muốn nên ta phải sử dụng một chất kết nối (linker) có tính chất một đầu bám chặt vào bề mặt sợi Si, đầu kia có khả năng hình thành liên kết với các thụ thể hoặc các phân tử khác cần thiết cho việc gắn thụ thể. Chất kết nối này có hai nhóm chứa năng: một nhóm chức năng gắn lên bề mặt vật liệu, nhóm còn lại gắn với phân tử làm cảm biến.

Chip sợi Si sau khi chế tạo bề mặt sợi Si sẽ phản ứng với oxi trong môi trƣờng hình thành một lớp mỏng SiO2 tự nhiên với độ dày khoảng 2-5nm. Từ lớp oxit tự nhiên bao bọc bên ngoài sợi Si này sử dụng phƣơng pháp silane hóa (silanization) để biến đổi bề mặt chip sợi Si.

Silane hóa (Silanization) là phản ứng hình thành liên kết cộng hóa trị giữa một hợp chất silane bề mặt, đó có thể là chlorosilane hay alkyloxysilane, hay với phân tử silane khác thông qua nối siloxane. Bề mặt hydroxyl hóa của SiNW (Si - OH) phản ứng với dung dịch chứa dẫn xuất silane ở pha lỏng, trong một dung môi hữu cơ hay có thể ở pha khí, khi có sự hiện diện của khí argon (Ar). Bề mặt SiNW phải đƣợc làm sạch bằng ethanol, acetone hay bằng dung dịch piranha (hỗn hợp của H2O2 và H2SO4),

giúp đồng thời loại bỏ nhiễm cacbon và tạo các nhóm chức silanol (Si – OH) trên bề mặt nhờ sự bẻ gãy các liên kết siloxane.

Hình 2.22: Cơ chế hình thành lớp SAM trên bề mặt Si-OH

Cơ chế hình thành lớp SAM qua quá trình silane hóa bao gồm 4 bƣớc:

- Đầu tiên là sự hấp thụ vật lý trên bề mặt, các phân tử silane sau khi hút bám lên

bề mặt silic sẽ đƣợc hydrate hóa.

- Tiếp theo, các nhóm đầu (head - group) sẽ tham gia phản ứng thủy phân với bề

mặt

- khi có sự hiện diện của lớp nƣớc trên bề mặt, hình thành các trihydroxysilane – - Si(OH)3 phân cực mạnh. - Các nhóm – Si(OH)3 sẽ hình thành các liên kết cộng hóa trị với nhóm – OH trên bề mặt silic oxit (bƣớc 3), tiếp sau đó là phản ứng ngƣng tụ giữa các nhóm silanol của các phân tử liền kề nhau.

- Sau các bƣớc 1, 2 và 3, chỉ vài phân tử đƣợc hấp phụ trên bề mặt và lớp đơn đƣợc hình thành lúc này đang ở trạng thái sắp xếp không trật tự. Tuy nhiên, khi đƣợc giữ ở nhiệt độ cao trong một thời gian lâu hơn, lớp đơn thu đƣợc hoàn toàn kết đặc và sắp xếp có tổ chức (bƣớc 4).

thƣờng đƣợc sử dụng: 3-aminopropyltriethoxysilane

(APDMES),

Sau bƣớc silane hóa, bề mặt SiNW hoạt hóa có các nhóm chức amine, thiol, carboxy, hay epoxy v.v tùy thuộc vào hợp chất silane sử dụng. Một số chất kết nối (3- silane (APTES), aminopropyl)-dimethylethoxysilane N-(2-aminoethyl)-3- aminopropyltrimethoxysilane (AEAPS), 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS) v.v…

Trong đề tài này chúng tôi sử dụng 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS)

làm chất kết nối.

Hình 2.23: Linker 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS)

Qui trình thực nghiệm mà tôi sử dụng trong đề tài này gồm 4 bƣớc chính:

1. Rửa chip

2. Ngâm chip trong dung dịch GPTS với dung môi Toluene

3. Chiếu UV

4. Ngâm chip trong dung dịch kháng thể đơn dòng AFP (thụ thể)

Hình 2.24: Qui trình chức năng hóa bề mặt trên bề mặt Si có phủ lớp Si tự nhiên

Qui trình đƣợc giải thích cụ thể nhƣ sau:

 Bƣớc 1: Rửa chip

Chip sợi Si sau khi đƣợc tạo thành hay lƣu trữ sẽ bị bụi bẩn, các tạp chất hữu cơ bám vào. Do đó, trƣớc tiên ta phải rửa sạch bề mặt của chip tạo điều kiện thuận lợi cho các bƣớc sau. Aceton và ethanol đƣợc sử dụng để làm sạch bề mặt chip.

Sau khi rửa chip với aceton-ethanol, ngâm chíp trong dung dịch Piranha. Dung dịch Piranha sẽ làm sạch các chất hữu cơ nhƣ DNA, protein trên bề mặt SiO2. Bên cạnh đó dung dịch piranha (hỗn hợp của H2O2 và H2SO4) sẽ tạo các nhóm chức silanol (Si – OH) trên bề mặt nhờ sự bẻ gãy các liên kết siloxane. Ở bƣớc này, chỉ nhỏ một giọt nhỏ Piranha lên chính giữa vùng hoạt động của chip để tránh tiếp xúc với các điện cực trên chip.

 Bƣớc 2: Ngâm chip trong dung dịch GPTS với dung môi Toluene

Để có đƣợc sự liên kết giữa bề mặt oxit của chip với những phần tử sinh học, lớp SiO2 cần đƣợc chức năng hóa với một phân tử có chức năng bắt giữ các phần tử sinh học, phân tử này sẽ có liên kết cộng hóa trị với với lớp SiO2 và đầu còn lại có thể nối với phân tử sinh học. Phân tử có chức năng bắt các phân tử sinh học (chất kết nối) mà đƣợc sử dụng này là 3-glycidoxypropyl trimethoxysilane (GPTS).

GPTS đƣợc lựa chọn làm chất trung gian để tạo liên kết. Một đầu –OCH3 của GPTS sẽ nối với nhóm chức -OH trên bề mặt SiO2. Đầu còn lại là nhóm chức epoxy sau khi đƣợc mở vòng sẽ liên kết với nhóm chức –NH2 của protein.

 Bƣớc 3: Chiếu UV

Sau khi gắn GPTS lên bề mặt chip, đem chip đi chiếu UV. Dƣới tác dụng của

UV, nhóm chức epoxy sẽ mở vòng.

 Bƣớc 4: Ngâm chip trong dung dịch kháng thể đơn dòng AFP (thụ thể)

Để chip sợi Si có thể nhận diện một trong những chất chỉ thị sinh học trong ung thƣ gan là AFP cần phải gắn lên sợi Si một loại thụ thể tƣơng ứng mà có khả năng bắt cặp (tính đặc hiệu) với AFP. Thụ thể này là kháng thể đơn dòng AFP.

Lai với dung dịch AFP. Sau đó tiến hành đo điện.

 Các thông số chi tiết của qui trình là:

 Rửa chip bằng aceton và ethanol trong 5 phút. Sau đó lấy chip ra rửa lại với

nƣớc DI. Xịt khô chip bằng khí N2. Thực hiện quá trình này 2 lần.

 Chuẩn bị dung dịch Piranha- dung dịch bao gồm H2SO4 98% và H2O2 30% theo

tỉ lệ 3:1. Sau đó ngâm chíp trong Piranha trong 3 phút. Rửa lại với nƣớc DI và

xịt khô bằng khí N2.

 Chuẩn bị dung dịch 2% (v/v) 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane (GPTS) với

dung môi toluene. Ngâm chip vào dung dịch 2% GPTS trong 16 giờ. Rửa lại

bằng cách ngâm chip trong dung môi toluene 3 lần, mỗi lần 5 phút. Lấy chip ra nung nhiệt tại nhiệt độ 1200C trong 15 phút.

 Sau khi nung nhiệt xong, đem chiếu UV trong 15 phút.

 Tiếp tục ngâm trong 10 μM kháng thể đơn dòng AFP trong 5 giờ tại nhiệt độ

40C.

 Loại bỏ những thành phần thụ thể không gắn kết bằng cách ngâm dung dịch

0.1X PBS (pH 7.4) 3 lần, mỗi lần 5 phút.

 Lai chip với AFP trong dung dịch 0.1X PBS (pH 7.4). Tiến hành đo.

2.2.3 Cách bố trí thí nghiệm kiểm chứng

Trƣớc khi chức năng hóa bề mặt chip sợi Si tôi tiến hành thực hiện qui trình này

lên wafer Si đƣợc sử dụng để tạo chip. Trong lúc thực hiện qui trình chức năng hóa bề

mặt trên wafer Si, đƣa ra các thí nghiệm kiểm chứng, đánh giá hiệu quả của qui trình.

Sau khi gắn GPTS, thay vì ngâm wafer trong dung dịch kháng thể đơn dòng

AFP, tôi sử dụng Fluorescein-Lens culinaris agglutinin (F-LCA) (LCA có gắn huỳnh

quang) làm thụ thể để có thể quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang.

 Thí nghiệm 1:

- Wafer SOI sẽ đƣợc cắt thành những mẫu nhỏ với kích thƣớc 1cm x 1cm.

- Chuẩn bị bốn mẫu wafer Si.

- Làm sạch cả bốn mẫu với aceton và ethanol,tiếp tục ngâm trong piranha. Sau đó

ngâm mẫu 1 trong dung dịch 2% GPTS trong 8 giờ; mẫu 2 trong dung dịch 2%

GPTS trong 16 giờ; mẫu 3 trong dung dịch 2% GPTS trong 24 giờ; mẫu 4

không ngâm trong dung dịch 2% GPTS. Rửa lại bằng toluene.

- Sau đó lấy mẫu 1, 2, 3 đi nung nhiệt, chiếu UV.

- Ngâm cả bốn mẫu trong dung dịch thụ thể F-LCA. Rửa lại bằng 1X PBS (pH

7.4).

- Quan sát bốn mẫu bằng kính hiển vi huỳnh quang.

- Sau khi quan sát các mẫu thử, đem bốn mẫu đi đánh siêu âm trong 3 phút rồi lại

tiếp tục quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang.

 Thí nghiệm 2:

- Chuẩn bị ba mẫu wafer.

- Làm sạch mẫu bằng aceton và ethanol, ngâm trong dung dịch piranha. Sau đó

ngâm cả hai mẫu trong dung dịch 2% GPTS trong 16 giờ. Rửa lại bằng toluene.

- Sau đó lấy cả ba mẫu đi nung nhiệt.

- Đem mẫu 1 đi chiếu UV trong 15 phút; mẫu 2 trong 30 phút; mẫu 3 không

chiếu UV.

- Ngâm trong dung dịch thụ thể F-LCA. Rửa lại bằng 1X PBS (pH 7.4).

- Quan sát hai mẫu bằng kính hiển vi huỳnh quang.

- Sau khi quan sát các mẫu thử, đem hai mẫu đi đánh siêu âm trong 3 phút rồi lại

tiếp tục quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang.

 Thí nghiệm 3:

- Chuẩn bị ba mẫu wafer.

- Làm sạch mẫu bằng aceton và ethanol, ngâm trong dung dịch piranha. Sau đó

ngâm cả hai mẫu trong dung dịch 2% GPTS trong 16 giờ. Rửa lại bằng toluene.

- Sau đó lấy ba mẫu đi nung nhiệt và chiếu UV trong 15 phút.

- Ngâm trong dung dịch thụ thể F-LCA mẫu 1 trong 1 giờ, mẫu 2 trong 3 giờ,

mẫu 3 trong 5 giờ. Rửa lại bằng 1X PBS (pH 7.4).

- Quan sát hai mẫu bằng kính hiển vi huỳnh quang.

- Sau khi quan sát các mẫu thử, đem hai mẫu đi đánh siêu âm trong 3 phút rồi lại

tiếp tục quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang.

Sau khi hoàn tất 3 thí nghiệm trên, tìm ra điều kiện tối ƣu cho từng bƣớc hoạt

hóa bề mặt. Dựa vào những thông số tối ƣu đó, chúng tôi bắt đầu thực hiện qui trình

lên chip. Sau bƣớc làm sạch chip, một giếng tròn epoxy đƣợc gắn lên bề mặt bao

quanh vùng làm việc của chip. Các bƣớc tiếp theo trong qui trình sẽ đƣợc thực hiện

trong phạm vi bên trong của giếng epoxy nhằm tránh để dung dịch loan đến vị trí các

điện cực sẽ ảnh hƣởng đến kết quả đo.

Hình 2.25: Chip sau khi làm sạch được gắn một vòng epoxy bao quanh vùng làm việc.

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC

3.1 Tính chất hình thái sợi Si tạo thành

Chip sợi Si sau khi chế tạo xong sẽ đƣợc đánh giá tính chất hình thái học, kích

thƣớc sợi Si bằng cách chụp SEM và kính hiển vi kim loại học GX51.

Sau đây là ảnh qua kính hiển vi (KHV) kim loại học của chíp Si NW FET loại 10x15 mm với độ khuếch đại 1000 lần và hình ảnh SEM mô tả tổng thể cấu trúc của một chip loại 10x10 mm.

Hình 3.1: Kênh dẫn 1 sợi Si của chip loại 10x15 mm

Hình 3.2: Kênh dẫn 4 sợi Si của chip loại 10x15 mm

Hình 3.3: Hình ảnh SEM (scanning electron microscopy) mô tả tổng thể cấu trúc của một chip loại 10x10 mm bao gồm các sợi Si có độ dài 14 µm, đường dẫn và vùng cửa sổ (sensing area).

Qua các hình ảnh quan sát sơ bộ bằng kính hiển vi quang học nói trên, các sợi

Hình 3.4: Hình ảnh SEM của một chip chứa kênh dẫn gồm 5 sợi Si. Si của chip 10x15 mm có chiều dài khoảng 35 µm chiều rộng xấp xỉ 1.1 µm.

Một số chip sợi Si loại 10x10 mm đƣợc quan sát bằng thiết bị SEM (scanning electron microscopy), và hình ảnh của các sợi đƣợc trình bày trong các Hình 3.3 và 3.4. Các Hình ảnh SEM cho thấy sợi có bề mặt mịn, có chiều rộng 2.1 ± 0.1 µm. Các

kết quả quan sát về hình thái và kích thƣớc của sợi chế tạo ra phù hợp với thiết kế và dự tính của chúng tôi.

3.2 Kết quả đo đạc – đánh giá tính chất điện của sợi Si

Transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si sau khi chế tạo sẽ đƣợc kiểm tra tính chất điện bằng hệ phân tích các thông số bán dẫn Aligent 4155C- với sự hỗ trợ phần mềm Agilent Desktop EasyEXPERT phiên bản do công ty Agilent Technologies

[ ] cung cấp. Hệ đo đặc trƣng điện Aligent 4155C có bốn đầu cấp nguồn SMU1, SMU2, SMU3, SMU4 (source mesurement unit). Hình ảnh hệ đo tính chất điện chuyên dụng nói trên đƣợc trình bày trong Hình 3.5.

Hình 3.5: Hệ thiết bị khảo sát tính chất điện Agilent – Probe Station (a); Thiết bị khảo sát tính chất điện (b) và đế giữ chíp (c).

3.2.1 Đặc trƣng I – V

Trong phép đo này SMU1 đƣợc nối với điện cực common là điện cực nguồn

của Si NW FET, các SMU còn lại đƣợc nối với các cực máng.

Phép kiểm tra đƣợc tiến hành cho FET sợi Si với kênh dẫn 1 sợi. Khảo sát sự thay đổi dòng điện Ids theo sự biến biên thiên của hiệu điện thế giữa cực máng và cực nguồn Vds thay đổi từ -200 mV đến 200 mV. Điện trở của transitor có kênh dẫn là một sợi Silic trung bình là 850 kΩ.

Đối với FET sợi Si kênh dẫn là 4 sợi Si, khảo sát sự thay đổi dòng điện điện Ids

theo sự biến biên thiên của hiệu điện thế giữa cực máng và cực nguồn Vds thay đổi từ -

1V đến 1V. Điện trở của transitor có kênh dẫn là bốn sợi Silic trung bình là 2 MΩ.

Hình 3.6: Đặc trưng I-V cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là một sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0). Đặc trưng tuyến tính thu được thể hiện tiếp xúc Ohmic giữa sợi Si và đường dẫn kim loại Pt/Ti.

Hình 3.7: Đặc trưng I-V cảm biến Si NW FET với kênh dẫn là bốn sợi Si khi không có điện thế biasing (Vg= 0).

Đặc trƣng I-V của cảm biến transitor hiệu ứng trƣờng sợi Si thể hiện đặc tính truyền dẫn của transitor. Sự phụ thuộc của cƣờng độ dòng của sợi Silic ở ngõ ra phụ thuộc vào hiệu điện thế Vds đặt vào hai cực nguồn và cực máng của transitor. Sự phụ thuộc tuyến tính của Ids vào Vds và đối xứng qua gốc tọa độ ứng với giá trị Vds thay đổi trong khoảng -1 V – 1 V, chứng tỏ tiếp xúc giữa kim loại Ti/Pt làm điện cực với sợi Si là tiếp xúc thuần trở, ohmic.

Kết quả đó đồng thời cũng chứng tỏ phƣơng pháp chế tạo sợi Si của chúng ta không có nhiều sai hỏng, không có các bẫy điện tử tại lớp tiếp xúc, không có các electron định xứ, không có các tạp chất ở lớp tiếp xúc và các lớp tiếp xúc kim loại – bán dẫn có kết nối tốt ở cấp độ nguyên tử.

3.2.2 Tính chất điện của sợi khi có điện thế Bias

Kiểm tra tính chất điện của sợi nano có điện thế bias nhằm đánh giá độ nhạy của cảm biến và tìm ra hiệu điện thế tối ƣu cho cảm biến trong quá trình làm việc. Phép do bias thƣc hiện với các hiệu điện thế cổng Vg lần lƣợt từ -5V đến 5V và Vds thay đổi từ 0 đến 2.2V. Sự chênh lệch cƣờng độ dòng điện tƣơng ứng với các Vg khác

nhau tăng dần theo Vds và sự chênh lệch này đạt cực đại tại Vds = 1.7 V sau đó giảm dần khi Vds lớn hơn 1.7 V.

Nguyên nhân khi Vds tăng lên làm cho sự chênh lệch dòng Ids giảm là do hiện tƣợng khi cực D càng lớn nó sinh ra một trƣờng tĩnh điện hút tất cả các electron tập trung về phía mình nên không làm tăng cƣờng vùng dẫn điện trong sợi silic nữa. Chính vì thế khi Vds càng lớn thì chúng ta thấy sự khác biệt của dòng Ids tƣơng ứng với các Vg khác nhau thu hẹp dần và tiến đến trùng nhau. Từ đặc điểm này cho thấy rằng vùng làm việc nhạy nhất của cảm biến khi Vds nằm trong khoảng 1.7 V- 1.8 V.

Hình 3.8: Sơ đồ khối mô tả cách kết nối các điện áp, thông số để đo ảnh hưởng của điện thế Bias đến tính chất điện của sợi Si.

Hình 3.9: Đặc trưng tính chất điện của 1 sợi Si với các điện thế bias khác nhau. Các điện thế bias được thay đổi từ -4 V đến 4 V với bước nhảy 1 V và VDS thay đổi từ -2 V đến 2 V.

Hình 3.10: Đặc trưng tính chất điện của sợi Si với các điện thế bias khác nhau Cảm biến FET sợi Si với kênh dẫn là loại chứa 4 sợi Si. Các điện thế bias được thay đổi từ -4 V đến 4 V với bước nhảy 1 V và VDS thay đổi từ -1.8 V đến 1.8 V.

Đồ thị cho thấy khi Vg càng âm thì dòng điện qua sợi càng tăng thể hiện đúng sợi của chúng ta là sợi Silic bán dẫn loại P. Khi xét ở thang nano Ampere thì với sự thay đổi từ 0 nA đến 3500 nA, tƣơng đƣơng hai bậc khi Vds nhỏ. Chứng tỏ hiệu ứng trƣờng xảy ra mạnh mẽ.

Sự thay đổi của Ids ứng với Vg khác nhau tƣơng tự nhƣ transitor MOSFET truyền thống. Chỉ có điều với MOSFET hiệu ứng này chỉ xảy ra tại mặt tiếp xúc với cực cổng, trong khi sợi Si của chúng ta do có kích thƣớc gần với kích thƣớc nanomet nên hiệu ứng này xảy ra trong toàn sợi vì tỉ lệ diện tích bề mặt so với thể tích S/V của vật liệu nano lớn hơn rất nhiều so với vật liệu khối. Chính vì thế cảm biến sợi silic có độ nhạy rất lớn so với vật liệu khối.

Hiệu ứng này đƣợc giải thích nhƣ sau:

Khi áp một hiệu điện thế Vg âm lên đế Silic, trong trƣờng hợp này đế silic đóng vai trò là cực cổng, do trƣờng tĩnh điện gây ra từ điện cực cổng, lớp điện môi SiO2 140 nm tiếp xúc với đế bị phân cực: bề mặt tiếp xúc với đế hình thành một lớp điện tích dƣơng, trong khi bề mặt trên tiếp xúc với sợi Silic mang điện tích âm (-), điện tích âm này hút các lỗ trống trong sợi silic về phía mình kết quả làm tăng cƣờng vùng dẫn của sợi nên độ dẫn điện sẽ tăng lên. Nghĩa là ta có thể kiểm soát dòng điện chạy qua sợi nano Silic bằng cách chỉ cần làm thay đổi thế điện áp vào cực cổng mà không cần làm thay đổi Vds.

Chính đặc điểm này làm cho sợi silic có thể trở thành bộ phận chuyển đổi tín hiệu trong cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc Si Nanowires FET vì độ dẫn điện của nó thay đổi khi nhạy với điện tích bề mặt âm. Cụ thể là khi có một phân tử sinh học bám lên trên sợi sẽ làm dòng điện thay đổi, giống nhƣ dòng điện thay đổi tại một Vds nhất định nào đó ứng với các Vg khác nhau.

Thế nhƣng khi đo phát hiện các mẫu sinh học chúng ta đo trong một thời gian lâu trong vài phút đến vài chục phút, khi đó do chuyển động nhiệt, hiện tƣợng nóng lên của sợi Silic sau một thời gian làm cho dòng điện qua sợi có xu hƣớng ngày càng tăng lên, đặc biệt khi thiết bị đƣợc chọn ở mode đo Vds tƣơng đối lớn.

3.3 Đánh giá hiệu quả cố định thụ thể gắn huỳnh quang trên bề mặt wafer silic

Sau khi hoàn tất qui trình chức năng hóa bề mặt lên các mẫu wafer Si, đem những mẫu này quan sát bằng kính hiển vi huỳnh quang thấy có rất nhiều thụ thể có gắn huỳnh quang F-LCA bám trên bề mặt mẫu. Nhƣng nhƣ thế vẫn chƣa thể xác định đƣợc thụ thể bám trên bề mặt mẫu là nhờ hấp phụ vật lý hay bởi tạo đƣợc liên kết hóa học với bề mặt mẫu đã đƣợc biến đổi. Vì vậy, việc đánh giá qui trình chức năng bề mặt có đạt hiệu quả tốt hay không là không thể. Do đó, qua từng bƣớc của qui trình tôi đã tiến hành những thử nghiệm và thu đƣợc những kết quả nhƣ sau:

 Thí nghiệm 1: khảo sát thời gian gắn GPTS lên mẫu wafer.

Hình 3.11: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ trước khi đánh siêu âm.

Từ hình ảnh chụp đƣợc bằng kính hiển vi huỳnh quang có thể thấy sự bám của F-LCA lên bề mặt những mẫu có gắn GPTS gần nhƣ nhau và nhiều hơn mẫu không gắn GPTS, cho thấy sự khác biệt rõ giữa bề mặt có gắn và không gắn GPTS. Thụ thể (F-LCA) bám trên bề mặt mẫu là nhờ hấp phụ vật lý và liên kết hóa học (nếu có). Tại bề mặt của mẫu không gắn GPTS trên lí thuyết thụ thể sẽ bị rửa trôi đi khi ta tiến hành bƣớc rửa mẫu với dung dịch 1X PBS vì không tạo đƣợc liên kết hóa học với bề mặt. Tuy nhiên sau khi rửa ta vẫn thấy nhiều F-LCA bám trên bề mặt mẫu, đó là do có sự hấp phụ vật lí, những thụ thể vẫn bám trên bề mặt mẫu mà không cần tạo liên kết hóa học với bề mặt mẫu. Từ đây ta có thể khẳng định bƣớc gắn GPTS lên bề mặt Si là rất quan trọng, nó đóng vai trò nhƣ một chất trung gian để gắn thụ thể vào bề mặt Si.

Mặc dù có thể khẳng định sự quan trọng của bƣớc gắn GPTS nhƣng để đánh giá mức độ hiệu quả của GPTS là chƣa đủ. Trên bề mặt wafer lúc này ngoài những thụ thể gắn chặt vào bề mặt wafer thông qua chất liên kết GPTS còn có những thụ thể không gắn kết nhƣng chƣa bị trôi đi khi rửa. Và hơn nữa là chƣa thể tìm ra thời gian tối ƣu cho việc gắn kết GPTS với mẫu wafer Si. Do vậy ta tiếp tục tiến hành đánh siêu âm những mẫu trên trong 3 phút. Vì sự liên kết của hấp phụ vật lí yếu hơn rất nhiều so với lực liên kết hóa học, nên khi đánh siêu âm những thành phần không tạo đƣợc liên kết hóa học sẽ bị trôi đi.

Hình 3.12: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) không gắn GPTS (b) gắn GPTS trong 8 giờ (c) gắn GPTS trong 16 giờ (d) gắn GPTS trong 24 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút.

Sau 3 phút đánh siêu âm trong nƣớc DI, kiểm tra lại bằng kính hiển vi huỳnh quang. Những hình ảnh cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Mẫu 1 không gắn GPTS, sau khi đánh siêu âm, F-LCA gần nhƣ trôi đi hết. Mẫu 2 gắn GPTS trong 8 giờ, số F-LCA trên bề mặt là ít hơn hẳn mẫu 3 gắn GPTS trong 16 giờ và mẫu 4 gắn GPTS trong 24 giờ nên việc ngâm wafer trong dung dịch GPTS trong 8 giờ là không hiệu quả. Mẫu 3 và mẫu 4 sau khi đánh siêu âm, theo hình ảnh quan sát đƣợc số lƣợng thụ thể còn lại trên bề mặt mẫu gần nhƣ nhau và cũng không nhiều.

Do đó, qua những thí nghiệm cho thấy mẫu ngâm trong GPTS trong 16 giờ là tốt nhất.

 Thí nghiệm 2: đánh giá mức độ hiệu quả của việc mở vòng epoxy bằng tia UV.

Trong quá trình thực nghiệm, chúng tôi thử nghiệm trên ba mẫu wafer Si đã gắn GPTS trong 16 giờ. Mẫu 1 không chiếu UV; mẫu 2 chiếu UV trong 15 phút; mẫu 3 chiếu UV trong 30 phút.

Hình 3.13: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút trước khi đánh siêu âm.

Từ hình chụp trên kính hiển vi huỳnh quang cho ta thấy mật độ thụ thể bám trên

bề mặt các mẫu wafer gần nhƣ nhau.

Lấy cả ba mẫu đi đánh siêu âm trong 3 phút rồi quan sát lại bằng kính hiển vi huỳnh quang, ta thấy mật độ thụ thể bám trên bề mặt mẫu đã đƣợc chiếu UV trong 15 phút và 30 phút nhiều hơn so với mẫu không chiếu UV. Tuy nhiên sự khác biệt là không nhiều, do đó hiệu quả của bƣớc chiếu UV không cao.

Hình 3.14: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu gắn GPTS trong 16 giờ (a) không chiếu UV (b) chiếu UV trong 15 phút (c) chiếu UV trong 30 phút sau khi đánh siêu âm trong 3 phút.

 Thí nghiệm 3: Khảo sát thời gian gắn kết của thụ thể với bề mặt Si có lớp GPTS Chuẩn bị ba mẫu wafer đƣợc ngâm trong dung dịch 2% GPTS trong 16 giờ và

sau đó lấy ba mẫu đi nung nhiệt và chiếu UV trong 15 phút.

Ngâm trong dung dịch thụ thể F-LCA mẫu 1 trong 1 giờ, mẫu 2 trong 3 giờ, mẫu 3 trong 5 giờ. Rửa lại bằng 1X PBS (pH 7.4). Quan sát dƣới kính hiển vi huỳnh quang.

Hình 3.15: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ trước khi đánh siêu âm.

Những hình ảnh chụp đƣợc cho thấy F-LCA bám trên bề mặt mẫu ngâm trong 5 giờ là nhiều nhất. Đối với mẫu ngâm trong thụ thể trong 1 giờ, thời gian là quá ngắn do đó thụ thể chƣa thể tạo liên kết hóa học với bề mặt nên khi ta rửa lại với dung dịch PBS (pH 7.4) thụ thể sẽ bị trôi đi, chỉ còn lại những thụ thể bám trên bề mặt wafer nhờ hấp phụ. Ở thí nghiệm này cho thấy việc ngâm mẫu có GPTS trong dung dịch thụ thể trong 5 giờ là tốt nhất.

Đem mẫu ngâm trong 1giờ, 3 giờ và 5 giờ đi đánh siêu âm trong 3 phút rồi quan sát qua kính hiển vi. Bề mặt mẫu ngâm trong 3 giờ thụ thể đã giảm nhiều nhƣng đối với mẫu ngâm trong 5 giờ thụ thể trên bề mặt có giảm nhƣng vẫn còn rất nhiều trong khi đó mẫu ngâm trong 1 giờ gần nhƣ không còn thụ thể. Qua thử nghiệm trên ta có thể kết luận hiệu quả của bƣớc này là tƣơng đối cao.

Hình 3.16: Ảnh chụp bằng kính hiển vi huỳnh quang các mẫu (a) ngâm thụ thể trong 1 giờ (b) ngâm thụ thể trong 3 giờ (c) ngâm thụ thể trong 5 giờ sau khi đánh siêu âm trong 3 phút.

Sau khi tổng hợp kết quả của các thí nghiệm trên, đƣa ra thông số, điều kiện tối

ƣu cho qui trình chức năng hóa bề mặt. Thực hiện qui trình với các thông số vừa rút ra

ấy lên chip sợi Si. Kết quả thu đƣợc nhƣ sau:

Khi cho dung dịch thụ thể vào, các phần tử của thụ thể bám rất nhiều trên thành

giếng.

Hình 3.17: Thụ thể F-LCA bám trên thành giếng epoxy

Tuy nhiên, vẫn có nhiều thụ thể gắn kết trên sợi (trong vùng làm việc của chip).

Qua thí nghiệm này có thể kết luận qui trình chức năng hóa bề mặt này là tƣơng đối thành công.

Hình 3.18: Thụ thể F-LCA có xuất hiện trong vùng làm việc của chip.

CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN

4.1 Chuẩn bị AFP

Để chuẩn đoán ung thƣ gan ta sử dụng các biomarker để phát hiện. Hiện nay, có

trên 60 biomarker dùng cho việc ung thƣ gan.

Các biomarker cần phát hiện trong huyết thanh để chuẩn đoán ung thƣ gan. Nhóm này có trên 40 marker nhƣ AFP, AFP-L3, DCP, GP73… Trong đó, AFP là marker đƣợc sử dụng phổ biến trong việc phát hiện ung thƣ gan.

Trong phạm vi đề tài này, tôi chỉ sử biomarker AFP. Sau khi đƣợc đặt mua từ

Insight Genomics sẽ đƣợc bảo quản ở nhiệt độ -40C.

Trƣớc khi tiến hành đo, chuẩn bị dung dịch AFP. AFP sẽ đƣợc pha loãng trong

dung dịch đệm 1X PBS (pH 7.4) với nồng độ là 500 ng/mL và 100 ng/mL.

4.2 Chuẩn bị hệ đo

Để thuận lợi hơn trong quá trình đo đạc chúng tôi đã thiết kế hệ giữ chip trong

quá trình đo trong dung dịch.

Hệ giữu chip gồm đế đặt chip là một khối mica trong suốt với bề dày 2 mm. Chính giữa đế có khoét một lỗ hình chữ nhật với kích thƣớc 10x15x0.4 mm để đặt chip.

Phần trên của hệ cũng là một tấm mica với bề dày 10 mm. Chính giữa có khoét một lỗ tròn với đƣờng kính 7 mm để chứa dung dịch cần phát hiện, mặt dƣới của lỗ tròn đƣợc dán một miếng đệm cao su để không cho dung dịch thấm ra ngoài trong quá trình đo đạc. Hai bên của lỗ đƣợc khoét hai hình chữ nhật sao cho khi lắp chip vào phần tiếp xúc điện lộ ra ngoài, và kim cấp nguồn của hệ đo cũng đƣợc đặt vào ở đây.

Hình 4.1: Hệ giữ chíp và hổ trợ đo phát hiện các chất chỉ thị sinh học

4.3 Tiến hành đo đạc, kiểm tra

Kiểm tra lại tính chất bias của chip sau khi đã đƣợc chức nang hóa bề mặt. Sử dụng hệ đo probe station, chọn chế độ đo đặc trƣng I-VDS phụ thuộc vào từng giá trị VBG với các thông số đƣợc thiết đặt nhƣ sau:

- Điện thế VDS đƣợc quét từ -2 V đến 2 V với bƣớc nhảy là 0.05 V. - Điện thế cổng VBG có giá trị từ -5 V đến 5 V với bƣớc nhảy 1 V.

Hình 4.2: Đặc trưng I-V của sợi Si với các giá trị khác nhau của VBG

Kết quả cho thấy vùng làm việc tốt nhất của chip nằm trong khoảng từ 1.7 V

đến 1.8 V và điện thế VBG là -4 V.

Sử dụng chip vừa kiểm tra để phát hiện chất chỉ AFP trong dung dịch 1X PBS (pH 7.4). Dùng hệ đo probe station, chọn chế độ đo dòng điện theo thời gian với VDS và VBG đƣợc thiết đặt theo thông số trên.

Trƣớc tiên cho chip vào đo dòng điện I theo thời gian t khi không có dung dịch PBS. Sau một khoảng thời gian là 200 giây, nhỏ dung dịch 1X PBS với pH = 7.4 vào. Sau 300 giây (tới giây thứ 500) bắt đầu cho dung dịch AFP nồng độ 500 ng/ml vào.

 Các kết quả đo đƣợc trình bày trong các phần dƣới đây:

Đồ thị trong hình 4.3 thể hiện sự phụ thuộc của dòng điện theo thời gian, với

thời gian đo là 1400 s. Trong khoảng 200 s đầu tiên, cƣờng độ dòng điện chạy qua sợi

không thay đổi, nằm trong khoảng 3.4 đến 3.42 µA. Khi chúng ta bơm dung dịch 1X

PBS vào sau thời điểm đó, dòng điện tăng lên đáng kể lên đến giá trị khoảng 3.5 µA.

Sự tăng vọt này là do sự tƣơng tác của ion mang điện trong dung dịch PBS với dây Si.

Tới giây thứ 500, bơm dung dịch chứa AFP với nồng độ 500 ng/ml vào. Trong 300

giây kể từ lúc bơm dung dịch, cƣờng độ dòng điện qua sợi vẫn không đổi và dao động

trong khoảng 3.5 µA. Tuy nhiên bắt đầu từ giây thứ 800, cƣờng độ dòng điện tăng dần,

điều này đƣợc giải thích là vì tới thời điểm này AFP mới bắt đầu bắt cặp với các kháng

thể đơn dòng của nó. Và thời gian để chúng bắt đầu bắt cặp với nhau là tƣơng đối

giống với các kết quả trong các bài báo khoa học trƣớc đây. Quá trình bắt cặp diễn ra

trong khoảng 300 giây, từ giây thứ 800 đến giây thứ 1100. Sau đó dòng điện không

tăng nữa và trở nên ổn định hơn và dao động trong khoảng 3.53 µA kể từ giây thứ

start binding

AFP solution

sign of binding period

air chip

1100.

Hình 4.3: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 500 ng/ml

Nhƣ vậy, với kết quả trên ta có thể khẳng định chip sợi Si sau khi chức năng

hóa bề mặt đã bắt thành công AFP. Bởi vì AFP có điểm đẳng điện pI = 5.48 đƣợc pha

loãng trong dung dịch có pH = 7.4 và do đó dung dịch sẽ mang điện tích âm. Bên cạnh

đó, FET Si là bán dẫn loại p nên khi các hạt tải mang điện tích âm trong dung dịch

AFP bám trên bề mặt sẽ làm cho dòng điện trong dây Si tăng và điện trở của dây giảm.

Sự chênh lệch về dòng điện khi đo chip trong PBS và trong dung dịch AFP là khoảng

0.05 µA.

Sau khi phân tích kết quả trên, tiếp tục tiến hành một thử nghiệm khác là đo

chip trong dung dịch AFP với nồng độ nhỏ hơn 100 ng/ml. Lặp lại các bƣớc thực hiện

tƣơng tự nhƣ đo chip trong AFP 500 ng/ml nhƣng bỏ qua bƣớc đo chip khi không có

dung dịch. Kết quả thu đƣợc nhƣ sau:

Hình 4.4: Đồ thị I-t biểu thị sự bắt cặp của thụ thể với AFP ở nồng độ 100 ng/ml

Khi chúng ta đo chip có chứa dung dịch 1X PBS dòng điện dao động trong

khoảng 4.44 µA. Tới giây thứ 300, bơm dung dịch chứa AFP với nồng độ 100 ng/ml

vào, kể từ lúc này cƣờng độ dòng đã có sự thay đổi nhẹ. Điều có thể là do sự đập nhả

của các phân tử AFP lên sợi. Tuy nhiên tại giây thứ 550 cƣờng độ dòng điện bắt đầu

tăng, sự tăng dòng ấy cũng diễn ra trong khoảng 300 giây tới giây thứ 850 thì dừng lại

và dòng điện trở nên ổn định ở khoảng 4.46 µA.

Qua kết quả của hai thí nghiệm trên ta thấy thời gian bắt cặp của kháng thể đơn

dòng AFP và AFP trong hai lần thử nghiệm khác nhau là gần tƣơng tự nhƣ nhau và

dòng điện tăng khi có dung dịch AFP là đúng nhƣ trong lí thuyết. Điều này cho thấy sự

thành công trong việc bắt chất chỉ thị AFP của chip sợi Si sau khi đã chức năng hóa bề

mặt. Ngoài ra khi so sánh hai kết quả đo đƣợc ta thấy: Sự chênh lệch cƣờng độ dòng

điện khi đo chip trong dung dịch PBS với trong dung dịch AFP 100 ng/ml khoảng 25

nA và với dung dịch AFP 500 ng/ml là khoảng 50 nA.

Hình 4.5: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 100 ng/ml.

Hình 4.6: Đồ thị I-t biểu thị sự chênh lệch về dòng khi đo chip trong PBS pH 7.4 và trong dung dịch AFP ở nồng độ 500 ng/ml.

KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN

I. Kết luận

 Về phƣơng pháp chế tạo:

Sử dụng chủ yếu hai kĩ thuật quang khắc và ăn mòn trong công nghệ micro,

chúng tôi đã chế tạo đƣợc sợi Si với bề dày ở kích thƣớc nano, có thể kiểm soát đƣợc

quy trình chế tạo bằng phƣơng pháp top down với những bƣớc ăn mòn màng mỏng

đặc biệt là kỹ thuật ăn mòn dị hƣớng trên wafer SOI [100] kết hợp với các bƣớc quang

khắc. Ngoài ra chúng tôi có thể tích hợp nhiều transistor hiệu ứng trƣờng sợi Si trong

một chíp kích thƣớc 10x10mm và 10x15mm.

Kết quả từ việc đo tính chất điện cho thấy cảm biến có tính chất điện tốt, không

có các sai hỏng, không xuất hiện các bẫy điện tử, tạo đƣợc tiếp xúc thuần trở tại các

điện cực.

 Về phƣơng pháp thụ động hóa bề mặt:

Tham khảo quy trình chức năng hóa bề mặt sợi Si mà các nhóm nghiên cứu

khác trên thế giới đã tiến hành, nhóm nghiên cứu đã đƣa ra một qui trình chức năng

hóa bề mặt sợi Si có lớp SiO2. Trong qui trình hoạt hóa bề mặt này chúng tôi đã sử

dụng GPTS đƣợc sử dụng làm chất kết nối. Dựa trên kết quả những thí nghiệm thu

đƣợc cho thấy về tổng thể qui trình đƣa ra tƣơng đối thành công. Tuy nhiên chúng tôi

chƣa thể đánh giá mức độ hiệu quả của bƣớc chiếu UV do bƣớc này đã đƣợc thực hiện

trên thiết bị tự chế và sau đó cũng không có thiết bị chuyên dụng (ví dụ nhƣ XPS) để

đánh giá định lƣợng các mối liên kết tạo ra.

Ngoài ra, ở điều kiện hiện tại PTN CNNN chƣa có những thiết bị cần thiết để

có thể tiến hành qui trình chức năng hóa bề mặt trên sợi Si trơ (không có lớp SiO2) nên

chƣa thể đƣa ra sự so sánh giữa các phƣơng pháp cũng nhƣ đánh giá mức độ hiệu quả

của toàn qui trình.

 Về qui trình và kết quả đo đạc chip trong dung dịch PBS và AFP:

Đã xây dựng đƣợc qui trình đo đạc, sử dụng sợi Si để định tính và định lƣợng

nồng độ của chất chỉ thị sinh học AFP trong dung dịch PBS.

Cảm biến sinh học sợi Si mà chúng tôi chế tạo ra đã thể hiện độ nhạy ở thang

đo nA, phù hợp với quá trình đo đạc các đối tƣợng sinh học.

Để kiểm tra tính chính xác của kết quả đo, chúng tôi đã tiến hành đo trong dung

dịch buffer dùng pha AFP và dung dịch AFP với các nồng độ AFP khác nhau, kết quả

cho thấy có sự khác biệt rõ rệt về dòng điện trong sợi.

Tuy nhiên từ những kết quả thu đƣợc, chúng tôi vẫn nhận thấy kết quả đo đạc

còn nhiều hạn chế, đó là:

- Có sự chênh lệch về dòng điện khi đo trong dung dịch PBS và AFP nhƣng độ

chênh lệch là không nhiều .

- Trong khi đo, độ nhiễu của tín hiệu điện là tƣơng đối lớn. Bên cạnh đó, nhóm

vẫn chƣa tìm ra đƣợc nguyên nhân gây nhiễu là do sự không chuẩn xác của

thiết bị đo hay đó là sự thăng giáng của dòng điện bởi sự đập nhả của các phân

tử sinh học mang điện với bề mặt sợi.

 Về hình thái học của sợi:

Với kích thƣớc nhỏ của các sợi (1um x 35µm ) và (2um x 14 µm), độ nhạy của

cảm biến đạt tới thang đo mong muốn (dòng nA, nồng độ ng/ml). Tuy nhiên vì vùng

làm việc của cảm biến là quá nhỏ, các thí nghiệm lại đo ở chế độ tĩnh (chƣa có các hệ

pumping chuyên dụng để bơm dung dịch liên tực đến bề mặt sợi), do đó việc bắt cặp

biomarker-receptor chỉ đƣợc thực hiện thông qua quá trình khuếch tán tự nhiên. Quá

trình này rất chậm dẫn đến xác suất bắt các biomarker của bề mặt sợi là không cao.

Ngoài các khuyết điểm nêu trên, vẫn còn tồn tại một hạn chế lớn đó là sự bám

của các phân tử của các chất chỉ thị sinh học lên thành của hệ giữ chip. Điều này dẫn

đến tỉ lệ các phân tử sinh học có khả năng rơi vào vùng làm việc của chip thấp.

Ứng dụng FET sợi Si phát hiện các chất chỉ thị sinh học trong gan là một chủ

đề thời sự trong lĩnh vực cảm biến sợi sinh học. Hiên nay, chƣa có công trình khoa học

nào đƣợc công bố trong lĩnh vực ứng dụng chip sợi Si để phát hiện các chất chỉ thị

sinh học trong gan nói chung hay AFP nói riêng. Nên chúng tôi không có cơ hội đối

chiếu và so sánh.

II. Cách khắc phục hạn chế và hƣớng phát triển của đề tài

Để khắc phục những khó khăn, hạn chế trong quá trình đo phát hiện AFP,

chúng tôi đề nghị cần tiến hành khắc phục các điểm chính sau:

Tính chất hình học của thiết bị cảm biến: chế tạo cảm biến sinh học sợi Si có

kích thƣớc và mật độ thích hợp hơn trong quá trình phát hiện phân tử sinh học nhằm

tăng khả năng các phân tử sinh học này tiếp xúc với vùng làm việc của chíp.

Thiết kế hệ bơm dung dịch chứa chất chỉ thị sinh học vào thẳng vùng làm việc

của chíp. Trong hệ microfluidics, cần thiết kế hệ bơm với mục đích tạo chuyển động

nhẹ của dung dịch trong giếng nhằm tăng khả năng bắt cặp của thụ thể trên bề mặt sợi

với chất chỉ thị sinh học. Ngoài ra, cũng có thể sử dụng cách khác đó là tạo một ngõ

vào và một ngõ ra, nhằm tạo sự lƣu chuyển của dung dịch trong giếng làm giảm sự

bám của phân tử sinh học lên thành giếng đồng thời làm tăng khả năng bắt cặp của thụ

thể với phần tử sinh học đó.

Sau khi đã khắc phục đƣợc các điểm hạn chế nói trên để nâng cao hiệu quả của

cảm biến sinh học dựa trên cấu trúc sợi Si, thì các hƣớng phát triển tiếp theo là:

 Thiết lập đƣờng chuẩn để định lƣợng các biomarker của ung thƣ gan. Đây là một trong các kết quả rất quan trọng, cho phép sử dụng cảm biến để định lƣợng các biomarker, sau đó ứng dụng trong chẩn đoán bệnh.

 Nghiên cứu, phát hiện đồng thời nhiều biomarker trên cùng một chip. Việc này

cho phép nâng cao tính chính xác của phép chẩn đoán.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Mulchandani A., Bassi A.S. (1995), “Principles and applications of biosensors for bioprocess monitoring and control”, Critical Reviews in Biotechnology, 15, pp. 105- 124.

2. Malhotra B.D., Asha Chaubey A. (2003), “Biosensors for clinical diagnostics industry”, Sensors and Actuators B, 91, pp. 117-127.

3. Rodriguez-Mozaz S., Marco M.P., Lopez de Alda M.J., Damià Barceló (2004), Biosensors for environmental monitoring of endocrine disruptors: a review article, Analytical and Bioanalytical Chemistry, 378, pp. 588-598.

4. Rogers K.R., Mascini M. (1998), “Biosensors for eld analytical monitoring”, Field Analytical Chemistry and Technology, 2, pp. 317-331.

5. Rodriguez-Mozaz S., Lopez de Alda M.J., Marco M.P., Barcelo D. (2005), “Biosensors for environmental monitoring: a global perspective”, Talanta, 65, pp. 291- 297.

6. Prodromidis M.I. and Karayannis M.I. (2002), “Enzyme Based Amperometric Biosensors for Food Analysis”, Electroanalysis, 14: 241-261.

7. A. Kim, C. S. Ah, H. Y. Yu, J. H. Yang, I. B. Baek, C. G. Ahn, C.W. Park, M. S. Jun, and S. Lee, “Ultrasensitive, label-free, and real-time immunodetection using silicon ﬁeld-effect transistors,” Appl. Phys. Lett.,vol. 91, pp. 103901-1–103901-3, 2007.

8. Di Tommaso et al., 2009. The application of markers (HSP70 GPC3 and GS) in liver biopsies is useful for detection of hepatocellular carcinoma. PubMed, 50(4):659- 61.

9. http:// www.aacc.org/.../LiverTumorMarkerLMPG/.../LiverTumorMarkersCh2.pdf

10. L. Hood, J. R. Heath, M. E. Phelps, B. Lin, Systems biology and new technologies enable predictive and preventative medicine, Science, 306, 640, 2004.

11. Le Thi Thanh Tuyen et al., Glucose oxidase immobilization on different modified surfaces of platinum nanowire for an application in the glucose detection, to be published in Adv. Nat. Sci.: Nanosci. Nanotechnol. 1 (2010).

12. Kelly Y. Kim Nanotechnology platforms and physiological challenges for cancer therapeutics, Nanomedicine: Nanotechnology, Biology, and Medicine 3 (2007) 103– 110.

13. Guo-Jun Zhang et al., Silicon nanowire biosensor for highly sensitive and rapid detection of Dengue virus, Sensors and Actuators B 146 (2010) 138–144.

14. Eric Stern et al., Label-free biomarker detection from whole blood, Nature

Nanotechnology, Volume 5, Issue 2, pp. 138-142 (2010).

15. C. M. Lieber, Nanoscale Science and Technology: Building a Big Future from

Small Things, MRS Bull., 28 (7), 486, 2003.

16. Q. Qing et al., Nanowire transistor arrays for mapping neural circuits in acute brain

slices," Proc. Natl. Acad. Sci. USA 107, 1882-1887 (2010).

17. Y. Cui, C. M. Lieber, Functional Nanoscale Electronic Devices Assembled Using

Silicon Nanowire Building Blocks, Science, 291, 851, 2001.

19. F. Patolsky, G. Zheng, O. Hayden, M. Lakadamyali, X. Zhuang, C. M. Lieber,

Electrical detection of single viruses, Proc. Natl. Acad. Sci., 101, 14017, 2004.

20. Gengfeng Zheng et al., Multiplexed electrical detection of cancer markers with

nanowire sensor arrays, Nature Biotechnology 23, 1294 - 1301 (2005).

21. Patolsky, B.P. Timko, G. Zheng and C.M. Lieber, Nanowire-Based Nanoelectronic

Devices in the Life Sciences, MRS Bull. 32, 142-149, 2007.

22. F. Patolsky et al., Fabrication of silicon nanowire devices for ultrasensitive, label-

free, real-time detection of biological and chemical species, Nat. Protocols 1, 1711-

1724, 2006.

23. Hien Duy Tong et al., Simple technique for direct patterning of nanowires using a

nanoslit shadow-mask, Transducers 2007, 191-194, 2007.

24. Hien Duy Tong et al., Novel Top-Down Wafer-Scale Fabrication of Single Crystal

Silicon Nanowires, Nanoletter , vol. 9, No.3, pp.1015-1022, March, 2009.

25. P. Offermans and Hien Duy Tong et al., Ultra-low Power Hydrogen Sensing With

Single Palladium Nanowires, Apply Physic Letter, 2009.

26. V.J. Gadgil , Hien Duy Tong, Y. Cesa, M.L. Bennink, Fabrication of nano

structures in thin membranes with focused ion beam technology, Vol.203, No. 17-18,

2009, pp. 2436-2441.

27. Hien Duy Tong et al., Direct measurement of glucose concentrations in blood

samples of diabetic patients, submitted to Nature nanotechnology, June, 2010.

28. Pham Xuan Thanh Tung et al., Oxidation of platinum microwires surface applied

in glucose detection, accepted and to be published in Adv. Nat. Sci.: Nanosci.

Nanotechnol. 1 (2010).

29. Elfström, Niklas, Robert Juhasz, Ilya Sychugov, Torun Engfeldt, Amelie Eriksson Karlström, and Jan Linnros. “Surface Charge Sensitivity of Silicon Nanowires: Size Dependence.” Nano Letters 7, no. 9 (September 2007): 2608–2612.

30. A. Kim, C. S. Ah, H. Y. Yu, J. H. Yang, I. B. Baek, C. G. Ahn, C.W. Park, M. S. Jun, and S. Lee, “Ultrasensitive, label-free, and real-time immunodetection using silicon ﬁeld-effect transistors,” Appl. Phys. Lett.,vol. 91, pp. 103901-1–103901-3, 2007.

31. G.I. Abelev and T.L. Eraiser, Cellular aspects of alpha-fetoprotein reexpression in tumors, Cancer biology, Volume 9, Issue 2, April 1999, Pages 95–107.

32. Mario Cottone et al., Screening for hepatocellular carcinoma in patients with Child's A cirrhosis: an 8-year prospective study by ultrasound and alphafetoprotein, Journal of Hepatology, Volume 21, Issue 6, 1994, Pages 1029–1034.

33. Duy Hai Dinh et al., Route to Smooth Silica-Based Surfaces Decorated with Novel Self-Assembled Monolayers (SAMs) Containing Glycidyl-Terminated Very Long Hydrocarbon Chains, American Chemical Society, Langmuir, 2009, 25 (10), 5526- 5535.

34. April K. Y. Wong and Ulrich J. Krull, Surface characterization of 3- glycidoxypropyl- trimethoxysilane films on silicon-based substrates, Anal Bioanal Chem (2005) 383: 187–200.

35. P. Alivisatos, The use of nanocrystals in biological detection, Nat. Biotechnol., 22,

47, 2004.

36. L. Hood, J. R. Heath, M. E. Phelps, B. Lin, Systems biology and new technologies

enable predictive and preventative medicine, Science, 306, 640, 2004.

37. C. M. Lieber, Nanoscale Science and Technology: Building a Big Future from

Small Things, MRS Bull., 28 (7), 486, 2003.

38. Q. Qing et al., Nanowire transistor arrays for mapping neural circuits in acute brain

Luận văn Thạc sĩ Vật liệu và linh kiện nano: Chế tạo sợi Silic ứng dụng trong việc phát hiện chất chỉ thị sinh học để chẩn đoán ung thư gan

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH PTN CÔNG NGHỆ NANO

PHẠM MINH KHANG

CHẾ TẠO SỢI SILIC ỨNG DỤNG TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ SINH HỌC ĐỂ CHẨN ĐOÁN UNG THƢ GAN

Chuyên ngành: Vật liệu và Linh kiện Nanô

(Chuyên ngành đào tạo thí điểm)

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM ƠN

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

MỞ ĐẦU

CHƢƠNG I: TỔNG QUAN

CHƢƠNG II: CHẾ TẠO VÀ HOẠT HÓA BỀ MẶT SỢI NANO

Bƣớc

Tốc độ (vòng/phút)

Thời gian tăng tốc (s) Thời gian quay (s)

CHƢƠNG III: KHẢO SÁT VỀ KÍCH THƢỚC VÀ TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA SỢI SILIC

CHƢƠNG IV: ỨNG DỤNG CỦA CẢM BIẾN SINH HỌC SỢI SILIC TRONG VIỆC PHÁT HIỆN CHẤT CHỈ THỊ AFP CỦA UNG THƢ GAN

KẾT LUẬN – HƢỚNG PHÁT TRIỂN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Luận văn Thạc sĩ: Quản lý hoạt động phát triển nhận thức cho trẻ mẫu giáo ở các trường mầm non, huyện Hoàng Su Phì, tỉnh Hà Giang

Tổng hợp, nghiên cứu tính chất quang và điện của vật liệu nano perovskite holmium pha tạp cobalt

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về điều kiện đầu tư kinh doanh trong lĩnh vực giáo dục, đào tạo ở Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Sự nghiệp nghiên cứu phê bình văn học của Hoài Thanh

Luận văn Thạc sĩ: Tiểu thuyết của Đỗ Phấn từ góc nhìn sinh thái

Luận văn Thạc sĩ: Giải pháp ứng phó với nhập cư ở Liên minh Châu Âu

Luận văn Thạc sĩ: Diễn ngôn về giới nữ trong văn xuôi nữ Việt Nam đương đại (khảo sát sáng tác của Dạ Ngân, Y Ban, Lý Lan, Nguyễn Thị Thu Huệ)

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng mức phát thải tham chiếu rừng khu vực huyện Bảo Lâm tỉnh Lâm Đồng

Luận văn Thạc sĩ: Đặc điểm nhân vật chính trong ba tác phẩm của Franz Kafka: Lâu đài, Vụ án, Hóa thân

Kháo luận tốt nghiệp: Vận dụng lí thuyết học tập trải nghiệm vào dạy học Thống kê - Xác suất ở lớp Hai

Luận văn Thạc sĩ: Xây dựng hệ thống điều khiển và thu nhận dữ liệu cho Robot dịch vụ

Luận văn Thạc sĩ: Thế giới nhân vật trong truyện ngắn Lê Minh Khuê sau năm 1975

Luận văn Thạc sĩ: Tác động của cấu trúc vốn đến hiệu quả hoạt động của các ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Kiểm soát rủi ro tín dụng bán lẻ tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Đầu tư và Phát triển Việt Nam chi nhánh Thủ Thiêm

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả kinh doanh của ngân hàng thương mại cổ phần niêm yết trên thị trường chứng khoán Việt Nam

Luận văn Thạc sĩ: Các nhân tố ảnh hưởng đến hành vi sử dụng dịch vụ ngân hàng điện tử tại Ngân hàng Thương mại Cổ phần Ngoại thương Việt Nam – Chi nhánh Thủ Đức

Luận văn Thạc sĩ: Các yếu tố tác đồng đến nợ xấu tại Ngân hàng Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn - Chi nhánh Tiền Giang

Luận văn Thạc sĩ: Yếu tố ảnh hưởng đến quyết định sử dụng dịch vụ thanh toán không dùng tiền mặt tại Ngân hàng TMCP Công thương Việt Nam (Vietinbank)

Luận văn Thạc sĩ tóm tắt: Pháp luật về du lịch biển, thực tiễn tại tỉnh Bình Định

Luận văn Thạc sĩ: Ảnh hưởng của các yếu tố thương hiệu với vai trò trung gian của Marketing truyền miệng đến quyết định chọn việc làm của nhân viên GenZ tại chuỗi nhà hàng gà rán Popeyes khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh

Tài liêu mới

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng thuật toán thích nghi và học tăng cường cấu trúc Actor - Critic điều khiển bám quỹ đạo cho robot di động đa hướng mecanum

Luận án Tiến sĩ: Cơ cấu bệnh tim mạch và chất lượng cuộc sống của người cao tuổi mắc suy tim, rung nhĩ điều trị tại Bệnh viện Thống Nhất, thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu xây dựng giải pháp đảm bảo an toàn thông tin cho quá trình học liên kết dựa trên mật mã

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Phát triển năng lực đánh giá công nghệ cho học sinh trong dạy học môn Công nghệ 11 ở trường trung học phổ thông

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu phân loại chi cầu diệp – Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ở vùng Tây Nguyên bằng phương pháp hình thái và phân tử

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu đặc điểm phân bố và dinh dưỡng của các loài lưỡng cư ở Vườn Quốc gia Bến En và Khu bảo tồn thiên nhiên Pù Luông, tỉnh Thanh Hóa

Luận án Tiến sĩ: Tổng hợp luật dẫn và điều khiển cho một lớp tên lửa đối hải trên cơ sở ứng dụng mạng nơ ron và hệ mờ

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu tổng hợp hệ điều khiển góc Pitch tua bin gió trong điều kiện có nhiễu tác động

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hóa học lipid của hai loài san hô thủy tức Millepora dichotoma và Millepora platyphylla ở Việt Nam

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu kiểm soát phân phối công suất kéo trên cầu chủ động của ô tô con bằng ABS

Luận án Tiến sĩ: Ứng dụng phản ứng Domino vào tổng hợp các dẫn xuất Podophyllotoxin, Pyrimidine và đánh giá hoạt tính sinh học của các chất tổng hợp được

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và một số hoạt tính sinh học của cây chùm ngây (Moringa oleifera)

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu thành phần hóa học và ứng dụng ức chế ăn mòn cho thép của cao chiết xuất từ cây Lộc vừng thuộc họ Lecythidaceae

Luận án Tiến sĩ: Nghiên cứu hiện tượng nứt dăm đê sông vùng đồng bằng sông Hồng và dự báo khả năng bị nứt của một số đoạn đê

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng