Nguyên lý vật liệu cảm biến sinh học điện hóa và ứng dụng: Phần 2

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Nối tiếp nội dung phần 1, phần 2 cuốn sách "Cảm biến sinh học điện hóa - Nguyên lý vật liệu và ứng dụng" trình bày các nội dung: Công nghệ chế tạo cảm biến, một số ứng dụng của cảm biến sinh học điện hóa. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Nguyên lý vật liệu cảm biến sinh học điện hóa và ứng dụng: Phần 2

137 Chương 5 CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO CẢM BIẾN 5.1. Công nghệ chế tạo điện cực in lưới (SPE) In lưới là một dạng ưong kỹ thuật in ấn. Xuất xứ cùa từ in lưới có nguồn gốc từ lúc bản lưới cùa khuôn in làm bàng tơ lưới. In lưới thực hiện theo nguyên lý giống như in mực dầu trên giấy nến, theo nguyên lý chì một phần mực in được thấm qua lưới in, in lên vật liệu in bởi trước đó, một số mắt lưới khác đã được bịt kín bởi hóa chất chuyên dùng. Bản lưới có thể thay thể bời các vật liệu khác như vài bông, vải sợi hóa học, lưới kim loại. Kỹ thuật này có thể áp dụng cho rất nhiều vật liệu khác nhau cần in như nilông, vải, thủy tinh, mặt đồng hồ, mạch điện tử, một số sản phẩm kim loại, gỗ, giấy.... Ngay cả trong lĩnh vực công nghệ cao như chế tạo pin mặt ười, công nghệ in lưới vẫn phát huy được thế mạnh nhờ ưu thế sản xuất ở qui mô lớn với giá thành rẻ. Thật vậy, mặc dù pin mặt ười trên cơ sở silic được nghiên cứu và sàn xuất đã khá lâu và cho đến nay vẫn đang được sản xuất nhiều nhất trên quy mô công nghiệp, việc nghiên cứu để giảm giá thành và nâng cao hiệu suất chuyển đoi vẫn luôn là m ột thách thức lóm. M ột trong những giòi pháp hiệu quà là sử dụng công nghệ in lưới đề tạo điện cực tiếp xúc trước và sau thay thế công nghệ tạo điện cực đắt tiền là bốc bay kim loại. Hiện tại, thiết bị công nghệ in lưới đã được sừ dụng cho sản phẩm pin mặt ười màng mỏng thương mại. Trong lĩnh vực chế tạo cảm biến, nhờ ưu thế về chỉ tiêu kỹ thuật (khả năng chế tạo ở kích thước nhỏ, độ lặp lại cao) cũng như giá thành, điện cực in lưới rất thích hợp cho các phân tích dùng một lần (disposable). Trên thị trường, các điện cực in lưới đã được bán phổ biến với nhiều loại vật liệu điện cực khác nhau, tùy vào mục đích sừ dụng (có thể là điện cực vàng, bạch kim, cacbon hay graphen).
138 Trần Đại Lãm Hình 5.1. Máy in điện cực lưới cùa hãng DEK và cấu trúc điện cực in lưới tích hợp Hình 5.2. Một số loại điện cực in lưới thương mại và hệ phân tích dòng chảy liên tục đầu dò điện hóa của hãng Dropsens
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CẢM BIỀN 139 Trong lĩnh vực chăm sóc sức khỏe và quan trắc môi trường, các điện cực in lưới có khả năng tích hợp tốt với các thiết bị xách tay nhò gọn để đo tại hiện trường, ngoài phòng thí nghiệm. Trong các phân tích công nghiệp, khi các phân tích dòng chảy liên tục (Flow Injection Analysis, FIA) và phân tích dòng chày gián đoạn (Segmented Flow Analysis, SFA) là bat buộc (thay thế cho chế độ tĩnh, tại chỗ trong phòng thí nghiệm) thì cấu hình đầu dò điện hóa sừ dụng các điện cực in lưới dùng một lần là rất phù hợp cà về phương diện kỹ thuật lẫn kinh tế. 5.2. Công nghệ vi cơ điện tử (MEM S) Các thành tựu trong lĩnh vực nano sinh học và công nghệ hệ thống micro/nano cơ điện tử (MEMS/NEMS- Micro/Nano ElecưoMechanical System) đã chứng tỏ triền vọng to lớn của chúng ứng dụnệ trong chế tạo cảm biến. Công nghệ MEMS/NEMS là công nghệ thiết kế - chế tạo các vi hệ thống với kích thước hoạt động nhỏ hơn pm. Vật liệu vô cơ (silicon), hữu cơ (polyme) hay kim loại (vàng, bạc, nhôm) là những nguyên liệu chính dùng để chế tạo các bộ phận MEMS ở kích cỡ micromét bằng phương pháp ăn mòn laze (laser ablation), ăn mòn hóa học (chemical etching) hay quang khắc (photolithography). Các bộ phận được chế tạo bằng MEMS được gắn vào đèn nội soi để quan sát các cơ quan ữong cơ thể, hay các bộ cảm ứng y học giá rẻ dùng một lần để giúp y sĩ chẩn đoán bệnh chính xác và trị bệnh hiệu quả. Đặc biệt, hệ thống "lab-on-a-chip" gồm các bộ phận MEMS, mạng vi lưu với kích thước từ vài milimét đến centimét, về lý thuyết có khả năng tiến hành các thí nghiệm sinh-hóa tương đương với chức năng của nhiều phòng thí nghiệm hợp lại. Trong các loại cảm biến, hệ vi cảm biến tích hợp điện hóa là một trong những hướng nghiên cứu được phát triển đầu tư mạnh mẽ do các ưu điểm của chúng như: có độ đồng nhất cao; dễ phát triển - tích hợp, độ bền cơ lý hóa tốt; nếu chuẩn bị tốt, người ta có thể cho ra một mẻ cảm biến (tỏri hàng ngàn chip). Hiện nay, khái niệm vi hệ thống đã phát triển, mở rộng rất nhiều so với thời điểm ban đầu và có một số đặc tính quan trọng như sau [109]: i) vi hệ thống bao gồm thành phần điện-không điện và gồm các chức năng thu nhận tín hiệu (signal acquisition/sensing), xừ lý tín hiệu (signal processing), cơ cấu chấp hành (actuation), hiển thị (display) và điều khiển (control);
140 Trần Đại Lâm ii) vi hệ thống là hệ thống thòi gian thực trong đó việc đóng gói, chia tách phần tử sẽ tác động lên tính chất như: tỳ số tín hiệu/nhiễu (S/W), sự điều chinh, độ ổn định và lặp lại; iii) vi hệ thống liên quan đến công nghệ vi chế tạo (microfabrication). Hiện nay, hầu hết các vi hệ thống đều được chế tạo dựa trên công nghệ MEMS gồm các kỹ thuật vi chế tạo trên công nghệ quang khắc với việc thêm một số quá trình công nghệ đặc biệt cùa vi cơ (micromachining). Việc chế tạo với số lượng lớn, giảm tối đa độ sai hỏng, tăng độ lặp lại, giảm giá thành... là các ưu điểm của công nghệ MEMS. Các sản^phẩm MEMS là sự tích hợp vi mạch điện từ với các linh kiện, chi tiết vi cơ. Trong lĩnh vực ứng dụng y sinh, các vi hệ thống được thiết kế chế tạo bao gồm các phần tử có tính tương sinh cao và đã được phát triển thành một hướng nghiên cứu gọi là vi hệ thống sinh học (BioMEMS). Mạch vi điện tử được chế tạo trên phiến silic, do đó xu hướng chung là lợi dụng tối đa vật liệu silic để chế tạo các linh kiện vi cơ theo những kĩ thuật tương tự với kĩ thuật làm mạch vi điện từ, điển hình là kỹ thuật khắc hình. Tuy nhiên các linh kiện cùa mạch vi điện tà đều nằm trên mặt phẳng còn nhiều linh kiện vi cơ phải thực hiện những thao tác như dịch chuyển, rung, quay, đẩy kéo, bơm v.v... Do đó chúng không chi nằm trên một mặt phẳng mà có một phần (hoặc hoàn toàn) tách ra khỏi mặt phẳng. Mặt khác các chi tiết vi cơ phải làm bằng vật liệu có các ü'nh chất cơ- lý thích hợp, ví dụ có chi tiết cần đàn hồi như lò xo, có chi tiết cần rat cứng, có chi tiết cần mềm dẻo, có chỗ cần phản xạ tốt ánh sáng, có chỗ cần dẫn điện. Silic là một trong số ít các vật liệu đáp ứng được các ýêu cầu nêu trên, ví dụ oxit silic (S1O2) cách diộn, sĩlic da liiũ) Ihẻ dẫn diện, nitrit silic (SÌ3N 4) vừa cứng vừa đàn hồi. Cũng có thể dùng các phương pháp bốc bay, phún xạ để tạo những lớp chất đặc biệt như lớp kim loại phản xạ, lớp áp điện, lớp hợp kim đàn hồi v.v...lên bề mặt silic rồi khắc hình để chỗ này có mặt phản xạ tốt dùng làm gương, chỗ khác có lá kim loại đàn hồi dùng làm lò xo v.v... Có thể kể đến một số phương pháp về gia công các chi tiết cơ tiêu biểu ở công nghệ MEMS như sau: - Gia công vi cơ khối - Gia công vi cơ bề mặt - Gia công bằng tia laze - Công nghệ LIGA
Chương 5. CỖNG NGHỆ CHẾ TẠO CẢM BIẾN 141 5.2.1. Gia cô n g vi c ơ k h ố i Gia công vi cơ khối (Bulk Micromachining) là lấy đi một phần thể tích trong phiến vật liệu để hình thành chi tiết vi cơ. Gọi là gia công nhưng thực ra là dùng các phương pháp hoá, lý để ăn mòn tạo ra trên phiến các lỗ sâu, các rãnh, các chỗ lõm v.v... Có 2 phương pháp cơ bản: - Ăn mòn ướt (Chemical Wet Etching): đây là phương pháp phổ biến nhất khi tiến hành gia công vi cơ khối. Trong phương pháp này cũng chia làm hai loại là khắc đẳng hướng (isotropy) và khắc dị hướng (anisotropy). Phương pháp ăn mòn dị hướng được sử dụng phổ biến hơn trong phương pháp ăn mòn ướt. Trong phương pháp này người ta điều chinh tốc độ ăn mòn ngâm tấm nền trong hỗn hợp hóa chất theo những hướng khác nhau. - Ăn mòn khô: ăn mòn bằng cách cho khí hoặc hơi hóa chất tác dụng, thường là ở nhiệt độ cao Thông thường khi gia công vi cơ khối yêu cầu tạo những màng mỏng Silicon hoặc kiểm soát độ sâu ăn mòn. Với bất cứ quá trình xử lý hóa học nào sẽ có sự khác nhau khi gia công nhữn^ tấm nền khác nhau. Thời giạn ăn mòn quyết định tới độ sâu cần ăn mòn cũng rất khó để điều khiển. Do đó để đạt được chất lượng cao trong phương pháp ăn mòn dị hướng, người ta đã phát triển một giải pháp gọi là dừng ăn mòn (etch stops). Etch Stops điều khiển được quá trình ăn mòn và tạo được sự đồng nhất về độ sâu ăn mòn trên phiến (wafer). Có hai loại dừng ăn mòn cơ bản được sử dụng: - Dopant etch stops: sử dụng chất bán dân pha tạp nguyên tố Bo làm lớp chặn ăn mòn do cỏ tốc độ ăn mòn rất chậm. - Electrochemical etch stops: là phương pháp thường được sử dụng nhất hiện nay. Sừ dụng điện cực bán dẫn loại n tạo lórp tiếp xúc p-n ngăn chặn sự ăn mòn. 5.2.2. Gia công vi c ơ b ề m ặt Phương pháp gia công vi cơ bề mặt đuợc sừ dụng rộng rãi tronj* chế tạo các linh kiện MEMS công nghiệp. Các vi cấu trúc được che tạo từ đơn giản như là các dầm (beam), bánh răng (gear), màng rung (membrane) đến các linh kiện phức tạp hơn như bộ chấp hành
142 Trần Đại Lâm (actuator), mô tơ (motor) hay cảm biến (sensor). Hiện nay, nhiều thiết bị đã được chế tạo sử dụng cho thương mại như các bộ phần của máy tính, Iphone, xe hơi, các cảm biến, bộ truyền động siêu nhỏ, thẻ nhận dạng bằng tần số cùa sóng vô tuyến RFID (Radio Frequency Identification)... Các bước cơ bản để chế tạo vi cấu trúc theo công nghệ vi cơ bề mặt có thể được mô tả như sau (Hình 5.3): Phủ cảm quang Án mòn lần 1 Phủ cảm quang Ãn mòn lân 2 Sau khi ăn mòn lớp vật liệu hi sinh Hình 5.3. Các bước chế tạo vi cấu trúc bằng gla công vi cơ bề mặt
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO CẢM BIÉN 143 - Một lớp hi sinh được phù lên tẩm nền (thường làm bằng S1O2) - Phủ lên đế một lớp cảm quang - Sử dụng kỹ thuật quang khắc ta có mặt nạ cho lớp phủ đầu tiên - Ăn mòn lớp hi sinh (loại bỏ phần lớp phủ không được mặt nạ bảo vệ) - Loại bỏ lớp cảm quang đi, ta được khuôn - Quá trình này được lặp lại cho các lớp tiếp theo để tạo thành chi tiết cần chế tạo. Như vậy, mỗi phần của chi tiết vi cơ được tạo từ lớp màng phủ mỏng và mỗi cấu trúc cần một lớp hi sinh. 5.2.3. Gia công bằng laze Có thể dùng tia laze để tạo ra những chi tiết theo kiểu khoét lần lượt. Phương pháp này thường được sử dụng ưong gia công vi mạch nhưng ít được sử dụng trong gia công các chi tiết MEMS do gia công chậm. Do đó, trong công nghệ MEMS, cách này thường chi để làm khuôn. Laze được sử dụng là loại Eximer. 5.2.4. Công nghệ LIGA Công nghệ LIGA (tiếng Đức là LIthgraphie Galvanofruning und Abformung) là kỹ thuật được phát triển ờ Đức vào đầu những năm 80 thế ki XX. Như tên gọi, kỹ thuật này dựa ưên ba kỹ thuật cơ bản là khắc hình (lithography), mạ điện (electroforming) và làm khuôn (molding). Đây là kỹ thuật cho phép tạo ra hệ vi cơ ba chiều chứ không phải hai chiều như các cách khắc hình hình thường. Nó có thể tạo ra những chi tiết mà những kỹ thuật khắc trong khối hay khắc bề mặt không thể dễ dàng thực hiện được với ti lệ hình dạng cao hom hẳn. Công nghệ LIGA cho phép tạo ra những chi tiết có độ cao từ 10|im đến vài milimét ừong khi bề rộng chi vài micromét. Cùng với ăn mòn ion phản ứng và ăn mòn ướt của Si đơn tinh thể, LIGA thuộc nhóm công nghệ HARMST (High Aspect Ratio Microstructure Technology). Công nghệ LIGA cho phép sản xuất hàng loạt các chi tiết ở kích thước micro bằng nhiều loại vật liệu khác nhau: polyme, kim loại hay hợp kim. c ấ u trúc tạo ra có chiều rõ ràng và bề mặt tổt.
144 Trằn Đại Lảm Phù PMMA trén klm lo?l Bức xạ tia X Mạ phầ Hình 5.4. Mô hình các bước ché tạo một bánh răng với tỉ lệ kích thước rất cao theo công nghệ LIGA Trong kỹ thuật LIGA, người ta thường dùng lớp cảm quang dày và tia X mạnh nên tia X có thể đi sâu vào lớp chất cảm quang đến hàng trăm, thậm chí hàng nghìn micromét nhờ đó sau khi nhúng vào dunậ dịch hiện hình, những chỗ chất cảm quang bị hoà tan đi có thê rất sâu, hình khăc thực sự là ba chiều chứ không phải là hai chiều như ở quang khắc thông thường. Tỉ lệ cấu trúc (a sp ect ratio) ch é tạo theo p hư ơn g pháp LIG A c ó th ể lê n g iá trị hơn 1:100. Các chi tiết chế tạo ra có độ sắc nét cao mà các phương pháp chế tạo truyền thống như vi cơ khối hay vi cơ bề mặt thì không thể chế tạo được. Vật liệu cảm quang duơng thường dùng là Poly(methyl methacrylat) (PMMA) vì đây là vật liệu có độ nhạy cao với tia X, độ ổn định nhiệt cao, độ hấp thụ đảm bảo, độ phân giải quang học cao, có khả năng chống lại nhiều tác nhân ăn mòn hóa học, ion hay plasma. Vật liệu Polyglycidyl-methacryl-atecoethylacrylat (PGMA) thường được sử dụng vói vai trò như chất cảm quang âm. Bước sóng mở cửa sổ thay đổi phụ thuộc nguồn phát xạ tia X. Với tia X có bước sóng là 0,2 nm có thể khắc được lên vật liệu cảm quang cỡ vài
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHÊ TẠO c a m b iế n 145 centimét với ti lệ cấu trúc (độ sâu/chiều rộng) là rất cao, bề mặt bên của rãnh tường sau chế tạo thường rất nhẵn và phẳng, có thể sử dụng như các mặt quang học. So với phương pháp quang khắc thông thường sừ dụng tia u v thì công nghệ LIGA cho phép chế tạo các chi tiết với ti lệ cấu trúc cao hơn hẳn. Hạn chế của công nghệ LIGA là đòi hòi một nguồn năng lượng tia X cao, dẫn đến chi phí lớn. Như đã trình bày ờ trên, phương pháp quang học trên cơ sở hợp chất huỳnh quang, chấm lượng từ (quantum dot) hoặc hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt (SPR), hiệu ứng truyền năng lượng cộng hường huỳnh quang (FRET) có độ chọn lọc và độ chính xác cao. Tuy nhiên, nhược điểm chính của phương pháp là cấu hình thiết bị phức tạp, khó tích hợp và thay đổi cấu trúc của hệ thống, giá thành cao. Trong khi đó, công nghệ MEMS cho phép thiết kế, chế tạo và phát triển cấu trúc, từ đó tích hợp các phần tử khác của vi hệ thống tương đối dễ dàng. Ví dụ, với công nghệ MEMS, các điện cực (làm việc, đối, so sánh) có thể được tích hợp trên một chip thu nhỏ ở dạng đơn hoặc chuỗi (array), giúp giảm thể tích/khối lượng mẫu cần phân tích. Do các thông số của vi cảm biến đều được thiết kế sẵn nên chúng ta có thể điều khiển/kiểm soát đuợc đặc tính cùa cảm biến. Các phần tử của vi cảm biến đều được chế tạo trên công nghệ planar (phăng) nên dễ đóng gói, tăng độ ổn định và độ lặp lại. Dưới đây chúng tôi sẽ trình bày kỹ hơn về một số dạng đặc biệt của cảm biến sừ dụng công nghệ MEMS như tranzitơ hiệu ứng trường FET (field effect transistor), hệ vi lưu và hệ thống tích hợp của chúng. 5.3. Cám bién trên cơ sở tranzitơ hiệu ứng trường (FET) Tranzito hiệu ứng trường FET được phân thành hai loại: tranzitơ trường điều khiển bằng tiếp xúc p-n (Junction field- effect transistor, JFET) và tranzita có cực cửa cách điện (Insulated-gate field effect transistor, IGFET). Với tranzito có cực cửa cách điện thông thường, lớp cách điện được dùng là lớp ôxít kim loại bán dẫn (metal-oxide-semiconductor (MOS)) nên được gọi là tranzitơ hiệu ứng trường MOSFET (Metal oxide semiconductor field effect transistor). Các tranzito này hoạt động dựa trên sự thay đổi độ dẫn của kênh dẫn từ cực nguồn sang cực máng dọc theo bề mặt đế silic và được điều khiển bằng điện áp
146 Trẳn Đ?ại >ại)ại Lâm đặt vào cực cổng (điều khiển bằng hiệu ứng trường). Hiệu ứng trường của MOSFET được phát hiện vào đầu những năm 1930, nhưng mãi tới những năm 60-70 cùa thế kỷ XX thì linh kiện này mới được sử dụng rộng rãi. Cho tới nay, những nghiên cứu và công nghệ chế tạo MOSFET đã có những đột phá đáng kể. Nhiều hệ bán dẫn dựa trên cấu trúc này, trong đó có tranzitơ hiệu ứng trường trên cơ sở vật liệu nano cacbon đã được phát triển (sẽ trình bày ở phần sau). MOSFET được chia làm hai loại: MOSFET kênh sẵn và MOSFET kênh cảm ứng. Mỗi loại lại có phân biệt theo chất bán dẫn: kênh N hoặc kênh p. 5.3.1. M O S F E T kênh sẵn jn A —
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO CẢM BIẾN 147 Hình 5.6. Mạch khảo sát đặc tuyến của MOSFET kênh liên tục loại N Khi Vqs —o v ! điẹn tu di chuycn tao doIIII đicn Id, khi tãii^ đicn thế V ds thì dòng Id tăng, ID sẽ tăng đến một trị số giới hạn là ID sat (dòng Id bão hòa). Khi Vgs < 0: cực G có điện thế âm nên đẩy điện từ ở kênh N vào vùng p làm thu hẹp tiết diện kênh dẫn điện N và dòng I d sẽ giảm xuống do điện ưở kênh dẫn điện tăng. Khi điện thế cực G càng âm thì dòng ID càng nhỏ, và đến một ưị số giới hạn dòng điện ID gần như không còn (điện thế này ở cực G gọi là điện thế nghẽn -Vpo). Khi V gs > 0, cực G có điện thế dương thì điện tử thiểu số ờ vùng nền p bị hút vào kênh N nên làm tăng tiết diện kênh, điện trờ kênh bị giảm xuống và dòng Id tăng cao hơn ưị số bão hòa Iosat- Trường hợp này I d lớn, dễ làm hỏng MOSFET nên ít được dùng. 5.3.2. T ra n zitơ h iệu tiTtg trtrờng trên c ơ s ở vật liệu n ano cacbon Tranzitơ hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano cacbon (CNTFET) lần đầu tiên đuợc giới thiệu vào năm 1998 bời Stans và các cộng sự dựạ trên cấu trúc của MOSFET [110]. Những linh kiện này được chế tạo bằng phương pháp cắt laze để làm lắng đọng các ống nano cacbon đơn tường ờ dạng lòng lên trên lớp Si đã bị oxy hóa được gắn các điện cực bằng Au hoặc Pt. Các điện cực này đóng vai ữò như cực nguồn (S) và cực máng (D), kết nối qua kênh dẫn cấu tạo bởi một hoặc nhiều ốnẹ nano cacbon hoặc lớp màng graphen. Điện cực thứ ba gọi là cực cổng (G) hoàn toàn cách điện với hai điện cực còn lại và được tích hợp trên linh kiện.
148 Trần Đại Lâm Sự phát hiện ra vật liệu graphen cùa hai nhà khoa học A.Geim và K. Novoselov (Nobel Vật lý 2010) [111] cho thấy sự hấp dẫn của nó trong ứng dụng làm cảm biến FET. Tranzita graphen FET có tần số ngưỡng cao horn MOSFET silic tốt nhất có cùng chiều dài cổng (tần số ngưỡng là tần số mà trên đó một ưanzitơ sẽ chịu sự suy giảm hiệu suất đáng kể). Sơ đồ cấu tạo của CNTFET và graphen FET được mô tả ờ Hình 5 7. Hình 5.7. Sơ đồ cấu tạo của cảm biến CNT FET (trái) [112] và graphen FET (phải) [113] Như vậy, các cảm biến FET đều gồm có ba cực: cực nguồn, cực máng và cực cổng. Tuy nhiên nếu trong MOSFET truyền thống thì kênh là các khối vật liệu và được chôn vùi sâu trong khối, thì đổi với CNTFET kênh dẫn là các ống nano cacbon có độ dẫn điện rất tốt dọc theo chiều dài củạ ống ở nhiệt độ thường (quá trình dẫn điện do các điện từ di chuyển theo một phương nhất định không bị vướng mắc và không va chạm với các nguyên tử của vật liệu) và tiếp xúc trực tiếp với môi trường. Vì vậy, nguyên tăc hoạt động của C N TFET hoàn toàn tương tự M OSFET: dựa trôn nguyên lý hiệu ứng trường, điều khiển độ dẫn điện bàng điện trường ngoài, dòng điện do một loại hạt dẫn tạo ra. Khi điện áp V gs = 0 V trong kênh dẫn đã xuất hiện một dòng điện tử nối giữa cực nguồn và cực máng, trong mạch ngoài có dòng điện cực máng Id rất nhỏ. Khi đặt lên cực cổng một điện áp, nỏ làm thay đổi trường điện từ và xuyên qua lớp cách điện S1O2, làm cho mật độ hạt dẫn linh động trong CNT bán dẫn bị thay đổi. Hệ quả là độ dẫn điện của CNTFET bị thay đổi. CNTFET ở trạng thái đóng với điện áp Vgs > 0 V, do đ ó k h i tăng V g s dương làm giảm dòng điện cực máng Id . CNTFET
Chương 5. CỐNG NGHẸ CHÉ TẠO CẢM BIÊN 149 ở trạng thái mở với điện áp V gs < 0 V, do đó khi tăng V gs âm làm tăng dòng điện cực máng ID. Phún xạ Cr/Ft Phiến lUíc O xy hóa II Lớp SlOỉ mm I_____ Liít-oíí Silin hóa ry » r r Ảo mòn Jớp ■ũ’ SiOỉ ã m ịt sau ^ ầÊ Ê K Ê Ê ÌÊ Ê Ê Ê Ê tẫ Ê Ê Ê IÊ Ê Ê Ễ IÊ tK Ê Bóc bav nhóm tyo cực cÔDg dưới Pbũ căm quang A líik Đóng (ói Hiện hình ũ Ị g H g l||r jg ||g g g g a g jg 3 ' Hình 5.8. Quy trình chế tạo CNTFET cực cổng dưới [114] Người ta chia CNTFET thành hai loại là CNFET cực cổng dưới và CNTPET cực cổng trên, trong đó việc phát triển CNTFET cực cổng dưới rất được quan tâm trong cảm biến sinh học vì có một số đặc tuyến linh kiện và độ nhạy tốt hơn, đặc biệt nó cho phép mẫu phân tích tiếp xúc trực tiếp với bề mặt kênh, tạo điều kiện thuận lợi cho các phép đo trong dung dịch.
150 Tràn Đại Lâm Hướng nghiên cứu rất mới và có nhiều tiềm năng ứng dụng trong lĩnh vực cảm biến sinh học trên cơ sở tranzito hiệu ứng trường sừ dụng ống nano cacbon và ệần đây hơn là graphen đã và đang được một số cơ sở trong nước tiến hành nghiên cứu phát triển thành công. Ví dụ, tuy mới được tiếp cận ở nước ta trong khoảng vài năm trờ lại đây, nhóm nghiên cứu của Đại học Bách khoa Hà Nội đã công bố phát hiện virus H5N1, virus viêm não Nhật Bản... trên cơ sờ CNTFET [114, 115]. Quy trình chế tạo CNTFET như xử lý phiến, oxy hóa phiến rồi đến các quá trình quang khắc, phún xạ, ăn m òn... được tiến hành dựa vào công nghệ MEMS và thực hiện tại phòng sạch. Quy trình chế tạo CNFET cực cổng dưới của nhóm nghiên cứu này được mô tả trên Hình 5.8 [114]. 5.4. Hệ vi luu Nếu theo dõi các công bố trong vòng vài năm trở lại đây chúng ta sẽ tìm được trên 10.000 công trình thuộc hệ thống ISI, có nội dung liên quan đến cảm biến sinh học. Các nghiên cứu này phát triển theo hai xu hướng tạm gọi là “phần cứng” (hardware) và “phần mềm” (software): (1) Chiến lược phát triển “phần mềm” tập trung chủ ^ếu vào quá trình cô lập (isolation), nhận biết (recognition) và khuếch đại cả về độ chọn lọc và cường độ của các Ưn hiệu (do các phản ứng sinh hóa đặc trưng giữa enzym-cơ chất; kháng nguyên- kháng thể... gây nên). (2) Sự phát triển “phần cứng” bao gồm việc thiết kế các vi thiết bị hiệu (Ịuả hom, đồng thời tối ưu hóa quá trình chế tạo và tích hợp các thiểt bị này trên các vật liệu tương sinh. Song song với quá trình này là việc cải tiến phương pháp đóng gói (packaging) các hệ này cũng như giao thức tương tác với thiết bị bên ngoài. Nhìn chung, các nhóm nghiên cứu về cảm biến sinh học ưên thế giới đều tập trung vào cả hai phần, trong đó sự phát triển phần cứng đang hướng tới việc phát ưiển và chế tạo hệ thống vi lưu như là một nên (platform) đê tích hợp các thành phân nhăm làm giảm kích thước của thiết bị đo. Hình 5.9 trình bày mô hình chung của quá trình thiết kế/xây dựng hệ thiết bị cảm biến sinh học kết hợp hệ vi lưu.
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHẾ TẠO CÁM BIẾN 151 Hình thành các linh kiện Vật liệu 1 3 Ệ> IIIII ẹ Thiết bị Tissues Cells Hệ vi lưu Hinh 5.9. Mô hình thiết kế một cảm biến sinh học vi lưu Lợi the quan trọng của vi lưu trong các ứng dụng phân tích được biết đến là sự giàm khối lượng và thể tích mẫu và thuốc thừ, rút ngắn thời gian phàn ứng. Các phản ứng này tiến hành ở áp suất không cao, thời gian lưu cùa các chất phản ứng rất ngắn do kích thước các kênh dòng chày, không gian phàn ứng, không gian khuếch tán được giàm xuống tối thiểu. Trên thực tế, vi lưu khống chế và điều khiển dòng chất lòng trong một không gian siêu nhỏ cỡ dưới milimét (ụm, nm ...) với một thể tích chi vài chục microlít [116-118]. Dưa mầu vào Hình 5.10. Sơ đò nguyên tắc mô tả cấu trúc của một thiết bị vi lưu của hãng THINXXS Microtechnology
Hình 5.11. (a) Hình ảnh huỳnh quang kênh vi lưu (phía trên là nước, phía dưới là hạt nano từ phân tán trong đệm Tris-axetat EDTA); (b) Hình ảnh huỳnh quang sự tách dòng khi hạt nano từ được tách ra khỏi dung dịch mẫu [119] Các đặc tính dòng chày của hệ vi lưu được mô tả bởi phương trình Navier-Stokes, là phương trình được xây dựng từ sự bào toàn động lượng trong một chất lưu (áp dụng định luật 2 của Newton cho một môi trường liên tục). Phương trình này thường được viết dưới dạng đạo hàm vật chất như sau [120]: (5.1) v ế phải của phương trình này là tổng cùa các lực tác động lên vật thề (tổng của các lực nhớt tiêu tán (tương tự như ma sát), biến đổi áp suất, trọng lực, và các lực khác tác động lên chất lưu). Vplà gradient áp suất xuất hiện trong chất lưu. V.T đại diện cho các lực biến dang trong chất lỏng, thông thường là do các hiệu ứng của tính nhớt. / đại diện cho các lực khác, như là trọng lực... Độ căng của sự biến dạng V.T thường chứa nhiều ẩn số, vì vậy dạng tổng quát đó không thể áp dụng trực tiếp được cho bất kì bài toán nào. Các giả thiết về các hành vi biến dạng của một chất lòng được đưa ra (dựa trên các quan sát trong tự nhiên) và giàn hóa đại lượng này về các biến quen thuộc khác, ví dụ như vận tốc. Vì phương trình Navier-Stokes chỉ là một phát biểu của định luật bảo toàn động lượng, để miêu tả toàn diện dòng chảy, cần phải có thêm nhiều thông tin khác (phụ thuộc vào các giả thiết đưa ra), bao gồm bảo toàn khối lượng, bảo toàn năng lượng, hay là một phương trình trạng thái.
Chương 5. CÔNG NGHẸ CHÉ TẠO CẢM BIỂN 153 V 100 ịicrt 200 y ụrr\ ỉ 500 > nrr 400 > Hình 5.12. Mô phỏng dòng chảy trong kênh vi lưu chữ Y băng phân mêm COMSOL Cấu trúc và hoạt động của một hệ vi lưu trước khi chế tạo có thể được mô phỏng bằng các công cụ phần mềm, trong đó phần mềm COMSOL được sừ dụng khá rộng rãi với khả năng tùy biến cao và có giao diện trục quan đổi với người sử dụng. Phần mềm COMSOL dựa theo những cơ sờ lý thuyết nêu trên về nguyên lý dòng chày của chất lỏng trong một tiết diện nhò để mô phỏng và tính toán hành vi kiểm soát tốc độ cũng như thời gian của dòng chảy. Đặc tính dòng chảy (chày rối, chày tầng) và các ảnh hường đầu vào (vận tốc, áp lực), cấu trúc kênh dẫn (kích thước, đặc tính bề mặt) lên dòng chảy đều có thề mô phỏng và tính toán vóri độ chính xác tốt.
154 Trần Đại Lâm Hình 5.12 trình bày kết quả mô phòng dòng chảy của hai chất lòng chứa hai tác nhân phàn ứng (biểu thị bởi màu sắc khác nhau) ờ đầu vào của kênh vi lưu bàng phần mềm COMSOL. Thông số đầu vào thay đổi là độ sâu kênh dẫn (từ 100-400 Ịjm). Ket quả cho thấy với độ sâu kênh 100-200 um sự ưộn hợp hai chất lỏng là đồng nhất (có một màu duy nhất trong kênh), trong khi với độ sâu kênh 300- 400 (im sự trộn hợp là không tốt (có các màu khác nhau). Một cách tương tự, chúng ta có thể sử dụng phần mềm này để nghiên cứu ảnh hường của các thông số đầu vào khác lên hệ vi lưu. Nhờ kết quả mô phỏng, quá trình chê tạo hệ vi lưu sẽ hiệu quả hơn nhiều khi rút ngắn được thời gian, tăng độ lập lại, độ chính xác của thiết bị. Sau khi mô phòng và tối ưu được sự chuyển động của dòng chảy trong kênh, người ta tiên hành chế tạo kênh trên thủy tinh hữu cơ (PMMA) hay silicon (PDMS). .ÏÎ'V - 1 mm ; pf.rn IP ilk Ế H Hình 5.13. Hệ vi lưu chữ Y (trái) và chữ T (phải), được chế tạo bằng PDMS tại Viện Khoa học vật liệu Đa có nhièu cồng trình công bổ vè cảm bién sinh học uẽn cơ sở hệ vi lưu, với các nguyên lý đo tín hiệu khác nhau, tuy nhiên ứng dụng nguyên lý đo điện hóa chiếm ti trọng đáng kể [65, 117, 121-124], Mô tả cùa thiết bị vi lưu điện hóa được đưa ra trong Hình 5.14. Thiết kế chế tạo hệ vi lưu đòi hỏi sự kết hợp cùa nhiều ngành kỹ thuật và công nghệ đề từng bước tiến tới chế tạo được những hệ vi lưu nhỏ hơn, nhanh hơn, tích hợp được nhiều mođun hơn, với giá thành hạ hơn. Cụ thể, trong nghiên cứu, thiết kế hệ vi lun dùng ưong cảm biến sinh học điện hóa các vấn đề quan trọng cần phải lưu ý đến là:
Chương 5. CÔNG NGHỆ CHÉ TẠO CẢM BIÊN 155 (1) Tính toán, mô phỏng và thiết kế hệ vi lưu (hình dáng và kích thước các kênh, đặc điểm của dòng chảy chất lòng trong vi kênh...) để tối ưu hóa quá trình đo đạc và hiển thị kết quả; (2) Chế tạo các hệ vi lưu và biến tính bề mặt kênh dẫn hệ vi lưu bàng các hạt nano; (3) Thử nghiệm ứng dụng cùa hệ thống vi lưu, kết hợp với các hạt nano từ, nano từ -huỳnh quang để làm giàu và các phương pháp điện hóa để nhận biết các phần từ sinh học cần phân tích, phổ biến là xác định các chi dấu sinh học trong chẩn đoán ung thư. Hình 5.14. Mô tả một thiết bi vi lưu điện hóa trong tài liệu [124] (hình trên) và thiết kế vi lưu điện hóa kết hợp với các hạt nano lừ của Viện Khoa học vật liệj (hình dưới, với (1): hạt nano từ + tác nhân phản ứng; (2): chất cần phân tích; (3): kênh trộn; (4): buồng phản ứng+điện cực; (5): buồng xử lý sau phản ứng)
156 Trần Đại Lâm 5.5. Phát triển thiết bị tích họp 5.5.1. Thiết bị tích họp cảm biến và h ệ vi lưu Ví dụ điển hình của hệ thống tích hợp cảm biến và hệ vi lưu là hệ vi phân tích tổng hợp (Micro Total Analysis System - ỊiTAS) hay còn được gọi là Lab-on-a-chip (LOC, phòng thí nghiệm trên chip) có chức năng thực hiện một loạt quy trình một cách tự động, thông qua các mô đun khác nhau: lấy mẫu, vận chuyển mẫu, chia mẫu, trộn mẫu. ịl-TAS có các ưu điểm vượt trội: tính ổn định, Ưnh đa năng giúp cho có thể thực hiện nhiều mẫu phân tích, ít nhiễu và ít tiêu thụ năng lượng. Trong đó, hệ vi lưu đóng vai trò là bộ phận cấu thành cơ bản của Ịi-TAS, có nhiệm vụ thực hiện quá tìn h phân tích ở thể tích rất nhỏ. Việc kết hợp thêm với vi hệ PCR dùng trong quá trình phân tích ADN và sắc ký hiệu lỏng năng cao HPLC; ứng dụng nguyên lý điện di mao quản, cho phép IJ.-TAS đưa ra kết quả phân tích hóa-sinh và y- sinh rất nhanh chóng, đầy đủ và hiệu quả. Chính vì vậy, nó còn được gọi là Lab-on-a-chip (phòng thí nghiệm trên chip). Hình 5.15. Một số bộ sản phẩm LOC : phân tích ADN của IMEC (Bỉ) hợp tác với Panasonic (trái); phân tích protein của hãng Agilent (giữa) và phân tích glucozơ qua nước bọt của Hememics Biotechnologies (phải, sản phẩm prototype) Khả năng phát hiện một tế bào ung thư đom lẻ hiện diện tuần hoàn trong huyết thanh người bệnh (circulating tumor cell-CTC) là một thách thức rất lớn, quyết định sự thành công trong chẩn đoán sớm và điều trị unệ thư. Thật vậy, khi các tế bào ung thư CTC này “dừng chân” tại bất kỵ vị trí nào trọng cơ thể sẽ có thể gây nên di căn khắp cơ thể. Việc kết hợp cảm biến hiệu ứng trường (ống cacbon nano/sợi nano Si) trên nền hệ vi lưu là một trong những giải pháp tiềm năng để phát hiện CTC đang được các nhà khoa học Thụy Điển tại Trường KTH và Uppsala thực hiện [125].