Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon

- BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI NGUYỄN THỊ THỦY CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG (FET) SỬ DỤNG ỐNG NANO CARBON Chuyên ngành: Công nghệ vật liệu điện tử Mã số TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KHOA HỌC VẬT LIỆU Hà Nội Công trình được hoàn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Người hướng dẫn khoa học: 1.
- Trong đó, cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) có thể cho tỉ lệ tín hiệu/nhiễu cao, thể tích mẫu phân tích nhỏ, thao tác mẫu đơn giản.
- Để góp phần phát triển các cảm biến sinh học ở Việt Nam nhằm phát hiện nhanh, trực tiếp vi khuẩn gây bệnh, đề tài nghiên cứu với tiêu đề: “Cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường (FET) sử dụng ống nano carbon” đã được đề xuất cho luận án tiến sĩ.
- Đây là nghiên cứu đầu tiên ở Việt Nam về sự kết hợp ống nano carbon với thành phần sinh học để chế tạo transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs) như một cảm biến sinh học.
- Đề tài được thực hiện với 02 mục tiêu chính: (1) nghiên cứu chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon.
- (2) ứng dụng của transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon trong cảm biến sinh học để phát hiện vi khuẩn E.Coli.
- Đối tượng nghiên cứu gồm: Công nghệ biến tính và phân tán ống nano carbon, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon, cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon.
- Nội dung nghiên cứu được chia thành ba phần: (1) nghiên cứu công nghệ biến tính và phân - 2 - tán ống nano carbon định hướng ứng dụng trong cảm biến sinh học và trong chế tạo CNTFETs.
- (2) nghiên cứu, thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon.
- (3) phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon để phát hiện vi khuẩn E.Coli.
- Chương 1 CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 1.1 Giới thiệu cảm biến sinh học Cảm biến sinh học là loại cảm biến gồm 2 thành phần chính: Phần tử nhận biết sinh học (bioreceptor) và bộ chuyển đổi tín hiệu (transducer).
- Chính vì vậy mà cảm biến sinh học có độ chọn lọc rất cao.
- 1.2 Giới thiệu ống nano carbon Ống nano carbon là một vật liệu mới của nghành công nghệ nano, có tên tiếng anh là “Carbon Nanotubes”, tên viết tắt là CNTs.
- Ống nano carbon là một dạng thù hình của carbon, có dạng hình trụ tròn, có kết tinh gần như một chiều được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1991 bởi Iijima.
- Có hai loại: ống nano carbon đơn tường (SWCNTs) và ống nano carbon đa tường (MWCNTs) (hình 1.2).
- Với tính chất đặc biệt này CNTs là vật liệu lý tưởng để làm kênh dẫn trong chế tạo transistor hiệu ứng trường và gắn các thành phần sinh học lên bề mặt ống nano carbon.
- 1.3 Transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon (CNTFETs) 1.3.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của CNTFETs Transistor hiệu trường trên cơ sở ống nano carbon lần đầu tiên được giới thiệu vào năm 1998 bởi Stans và các cộng sự dựa trên cấu trúc của MOSFET (hình 1.3).
- Còn đối với CNTFETs thì kênh dẫn là các ống nano carbon có độ Hình 1.2 a) Hình ảnh mô phỏng ống nano carbon đơn tường.
- 1.3.2 Công nghệ chế tạo CNTFETs Transistor hiệu ứng trường ống nano carbon có hai loại: CNTFETs cực cổng dưới và CNTFETs cực cổng trên.
- CNTFETs cực cổng dưới: Transistor này có một kênh dẫn là ống nano đơn tường bán dẫn nối giữa cực nguồn và cực máng làm bằng Pt.
- a) b) Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo (a) và đường đặc tính điện(b) của CNTFETs cực cổng dưới.
- Do đó, cấu trúc linh kiện CNTFETs có cực cổng dưới được lựa chọn làm bộ chuyển đổi trong cảm biến sinh học.
- Đầu tiên, ống nano carbon được phân tán đều trên lớp SiO2 với độ dày 15 nm và lớp silíc được pha tạp mạnh P.
- Bước cuối cùng tạo cực cổng được đặt trên ống nano carbon và cách điện với hai cực nguồn, cực máng.
- (a) (b) Phiến Silic SiO2 Ống nano carbon Ôxít cực cổng Cực cổng Cực nguồn Cực máng Hình 1.4 Sơ đồ cấu tạo (a) và đường đặc tính điện (b) của CNTFETs cực cổng trên.
- 6 - Quá trình nhận biết lai hóa dựa vào sự bắt cặp của ADN dò và đích trên bề mặt ống nano carbon của CNTFETs, dẫn đến pha tạp thêm điện tích âm (nhóm phốt phát của ADN) đến kênh dẫn ống nano carbon (dẫn điện bằng lỗ trống mang điện tích dương).
- Khi đó phân tử ADN sẽ nhường điện tử cho ống nano carbon làm giảm nồng độ lỗ trống trong kênh dẫn ống nano carbon.
- Điều này sẽ làm giảm độ dẫn của ống nano carbon, làm cho tín hiệu ra của cảm biến CNTFET giảm (hình 1.5).
- 1.5 Kết luận Chương này trình bày tổng quan những kiến thức cơ bản liên quan đến cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon như: phân tích cấu tạo nguyên lý hoạt động của một transistor hiệu ứng trường truyền thống (MOSFET) trên cơ sở đó phát triển transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs).
- Các công nghệ chế tạo CNTFETS cực cổng trên và cực cổng dưới đã được nghiên cứu, cũng như các tính chất cơ bản của ống nano carbon.
- Các công bố trước cho thấy, cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường dùng ống nano carbon làm kênh dẫn và sử dụng cực cổng dưới phù hợp để phát hiện đối tượng sinh học trong dung dịch.
- 7 - Chương 2 NGHIÊN CỨU CÔNG NGHỆ BIẾN TÍNH VÀ PHÂN TÁN ỐNG NANO CARBON ĐỊNH HƯỚNG ỨNG DỤNG TRONG CẢM BIẾN SINH HỌC VÀ CHẾ TẠO CNTFETs 2.1 Giới thiệu CNTs được chế tạo bằng nhiều phương pháp và hầu hết là có sử dụng đến các xúc tác kim loại và oxít kim loại, vì vậy trong sản phẩm thường có lẫn kim loại dư và carbon vô định hình.
- 2.2 Vật liệu và phương pháp 2.2.1 Vật liệu, hóa chất Vật liệu và hóa chất cần thiết đảm bảo tiêu chuẩn phân tích 2.2.2 Quy trình biến tính và phân tán ống nano carbon Phương pháp biến tính CNTs: (hình 2.1) Hình 2.1 Quy trình phân tán CNTs trong dung dịch DMF.
- Hình 2.2Quy trình phân tán CNTs trong dung dịch DMF.
- 2.2.3 Cố định ADN sử dụng ống nano carbon lên vi điện cực Rung siêu âm 1 mg CNTs đã biến tính trong 500 μL dung dịch đệm (hỗn hợp có chứa 10 mM Tris, 1 mM EDTA và 10 µM ADN) trong thời gian 90 phút (công suất 125 W).
- Hình 2.3 Cố định ADN –CNTs lên vi điện cực.
- Hình thái bề mặt của CNTs phân tán trong dung dịch DMF CNTs chưa biến tính khi phân tán các ống nano carbon trong dung dịch DMF tồn tại ở trạng thái bó, kết hợp lại thành bó lớn trong dung dịch và gắn kết với nhau rất mạnh (hình 2.5a).
- Ngược lại, khi quan sát mẫu CNTs đã biến tính (hình 2.5b), các ống nano carbon có độ phân tán khá đồng đều trong dung dịch, đường kính to nhỏ khác nhau và các ống nano carbon nằm dày đặc chồng chéo lên nhau nhưng bề mặt của ống nano carbon vẫn có mật độ đồng đều cao.
- a b Hình 2.4 Hình ảnh CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước (a) và sau khi biến tính(b).
- Hình 2.5 Ảnh hiển vi điện tử quét FE - SEM của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước (a) và sau khi biến tính (b).
- a) b) Cường độ hấp thụ (d.v.t.y) Bước sóng (nm) Hình 2.6 Phổ hấp thụ UV-Viscủa CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước (a) và sau khi biến tính (b.
- Hình 2.9 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với các thời gian rung siêu âm khác nhau: (a) 1 phút, (b) 10 phút , (c) 20 phút, (d) 40 phút, (e) 60 phút, (f) 90 phút, (g) 120 phút.
- Từ hình 2.8, hình 2.9 cho thấy thời gian rung siêu âm 90 phút tốt nhất trong quá trình phân tán ống nano carbon.
- Hấp thụ (d.v.t.y) Số sóng (cm-1) Hình 2.7 Phổ hồng ngoại FTIR của CNTs phân tán trong dung dịch DMF trước (a) và sau khi biến tính (b).
- 11 - Ảnh hưởng của giá trị pH đến quá trình phân tán CNTs Hình 2.10 Hình ảnh của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị pH khác nhau: (a) pH 3, (b) pH 5, (c) pH 7, (d) pH 9, (e) pH 12.
- Hình 2.11 Phổ hấp thụ UV-Vis của CNTs phân tán trong dung dịch DMF với giá trị pH khác nhau: (a) pH 3, (b) pH 5, (c) pH 7, (d) pH 9, (e) pH 12.
- Từ hình 2.10, hình 2.11 cho thấy giá trị pH 7 và pH 9 là giá trị tốt nhất trong quá trình phân tán ống nano carbon.
- 2.3.3 Đặc trưng đáp ứng ra của cảm biến Thời gian đáp ứng và đặc trưng tín hiệu ra của cảm biến Cảm biến sinh học trên cơ sở vi điện cực sử dụng ống nano carbon đã biến tính làm vật liệu trung gian để gắn kết chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli.
- Dải tuyến tính phát hiện lai hoá ADN của vi khuẩn E.coli được xác định trong khoảng 1 nM – 6 nM, giới hạn phát hiện của cảm biến là 1 nM, thời gian phát hiện từ 1 phút đến 3 phút (hình 2.12, hình 2.13).
- 12 - dụng ống nano carbon đã biến tính làm vật liệu trung gian để gắn kết chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli.
- Kết quả nghiên cứu đã cho thấy triển vọng đầy hứa hẹn để chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở mạng lưới ống nano carbon đã được biến tính, từ đó có thể mở ra các ứng dụng cảm biến sinh học có độ nhạy cao, độ chọn lọc tốt, thời gian phát hiện nhanh.
- Chương 3 NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG TRÊN CƠ SỞ ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) 3.1 Giới thiệu Việc chế tạo CNTFETs phụ thuộc rất nhiều vào vật liệu ống nano carbon.
- Do đó, việc khảo sát tính chất và các thông số ảnh hưởng đến quá trình phân tán vật liệu ống nano carbon là một trong những nội dung nghiên cứu đầu tiên cần thực hiện để tìm ra các thông số tối ưu như độ pH, thời gian rung siêu âm, dung môi phân tán CNTs đã đề cập ở chương 2.
- 3.2 Thiết kế mặt nạ (MASK) cho CNTFETs Hình 3.1 Cấu tạo CNTFETs cực cổng dưới.
- Mô hình CNTFETs cực cổng dưới và các thông số của linh kiện như trên hình 3.1 và bảng 3.1.
- 100 nm Si G S D LW Hình 3.2 Hình dạng các mask được thiết kế chế tạo CNTFETs cực cổng dưới.
- Sau khi xử lý nhiệt và làm nguội, bề mặt lớp SiO2 được silan hóa với APTES/IPA (3 giọt APTES trong 30 ml IPA) nhằm tạo ra nhóm chức amino –NH2 có khả năng liên kết dễ dàng với nhóm COOH của ống nano carbon đã biến tính.
- Quan sát trên hình 3.4 ta thấy rõ, các ống nano carbon độ đồng đều cao với đường kính khác nhau và chiều dài khoảng từ 5  10 m, sắp xếp không trật tự tạo thành một mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn và nối giữa hai cực nguồn và cực máng.
- 180 K (hình 3.5c) tương ứng cho 3 chiều dài kênh.
- Từ hình 3.8b cho dòng điện mở tại VDS.
- Hình 3.8 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của CNTFETs với L = 15 m, W = 700m.
- b) Thang lôgarit Hình 3.9 Đường đặc tuyến gm-VGS của CNTFETs với L = 15 m, W = 700m.
- 17 - Bảng 3.2 Các thông số của CNTFETs với chiều dài kênh khác nhau L (m) W (m) VT (V) Imở (A) Idò (pA) Imở/Itắt Gm (S) gd (S) eff (cm2V-1 s Kết luận Trong chương này, tác giả trình bày chi tiết quy trình chế tạo transistor hiệu ứng trường sử dụng mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn từ việc thiết kế mặt nạ, nghiên cứu công nghệ, chế tạo CNTFETs đến hàn dây và đóng gói linh kiện.
- Nghiên cứu này mở ra một hướng mới cho việc phát triển cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon sử dụng thành phần nhận biết sinh học ADN làm phần tử dò để phát hiện lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli.
- Chương 4 PHÁT TRIỂN CẢM BIẾN SINH HỌC TRÊN CƠ SỞ TRANSISTOR HIỆU ỨNG TRƯỜNG ỐNG NANO CARBON (CNTFETs) ĐỂ PHÁT HIỆN LAI HÓA ADN CỦA VI KHUẨN E.COLI 4.1 Giới thiệu Trong chương này, tác giả trình bày chi tiết kết quả nghiên cứu về phương pháp cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon của CNTFETs như là một cảm biến sinh học để phát hiện lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli.
- Vật liệu và hóa chất cần thiết đảm bảo tiêu chuẩn phân tích 4.2.2 Cố định chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.coli lên bề mặt ống nano carbon của CNTFETs CNTFETs sau khi được rửa sạch và sấy khô được ủ trực tiếp với 10 M nồng độ ADN dò của vi khuẩn E.Coli trong 2 giờ và để khô ở nhiệt độ phòng.
- Phương pháp hấp phụ này được coi như một quá trình hấp phụ vật lý các phần tử ADN dò lên trên bề mặt ống nano carbon.
- Hình 4.1 Sơ đồ mô tả chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli hấp phụ lên bề mặt ống nano carbon.
- 4.3 Kết quả và thảo luận 4.3.1 Đặc trưng cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên ống nano carbon Ảnh hiển vi điện tử quét và hiển vi huỳnh quang Hình 4.2 cho thấy đối với mẫu CNTs chưa cố định hình thái bề mặt đồng đều, còn đối với mẫu CNTs đã được cố định ADN có sự thay đổi hình thái bề mặt thông qua các điểm sáng nhỏ sắp xếp rải rác, các điểm sáng này được cho là những phần tử ADN dò của vi khuẩn E.Coli duy trì trên bề mặt ống nano carbon.
- Coli trên bề mặt ống nano carbon của cảm biến sinh học.
- 4.3.2 Đặc trưng đáp ứng của cảm biến sinh học CNTFETs Đặc trưng tín hiệu cố định ADN dò của vi khuẩn E.Coli Quan sát trên hình 4.5 chúng ta có thể nhận thấy rằng khi cố a) b) Hình 4.3 Ảnh hiển vi huỳnh quang của CNTs (a) và ADN /CNTs (b).
- a) b) Hình 4.4 Phổ FTIR ống nano carbon (a), ống nano carbon được cố địnhADN (b).
- a) b) Hình 4.2 Ảnh hiển vi điện tử quét FE-SEM của CNTs (a) và ADN /CNTs (b).
- Hình 4.5 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs trước và sau khi cố định ADN.
- Điện áp ngưỡng dịch chuyển sang bên trái một khoảng 1.8V và dòng điện giảm trung bình là 450 nA sau quá trình cố định ADN dò lên bề mặt ống nano carbon.
- Điều này được giải thích rằng các phân tử ADN mang điện tích âm đã nhường điện tử cho ống nano carbon khi đó làm giảm nồng độ lỗ trống trong ống nano carbon, dẫn đến làm giảm độ dẫn, làm giảm dòng điện của cảm biến và thay đổi điện thế bề mặt.
- Đặc trưng tín hiệu lai hóa ADN của vi khuẩn E.Coli Khi quá trình lai hóa xảy ra chuỗi ADN đích lại pha tạp thêm điện tích âm của nhóm phốt phát đến ống nano carbon thì càng làm cho nồng độ lỗ trống giảm, độ dẫn càng giảm, dẫn đến tín hiệu dòng điện lấy ra càng giảm và điện thế bề mặt thay đổi (hình 4.6).
- Không phát hiện sự thay đổi tín hiệu trên cảm biến CNTFETs không cố định ADN dò.
- Độ nhạy và thời gian đáp ứng của cảm biến Hình 4.6 Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến CNTFETs trước và sau khi lai hóa ADN.
- a) b) Hình 4.7 a) Đặc tuyến truyền đạt ID -VGS của cảm biến khi lai hóa ADN ở các nồng độ khác nhau.
- 4.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs Nồng độ pH = 7 Hình 4.9 Ảnh hưởng của nồng độ ADN dò đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs.
- Nồng độ ADN dò cố định là 10 M Hình 4.10 Ảnh hưởng của thời gian cố định ADN dò đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs.
- Thời gian cố định ADN dò là 120 phút Hình 4.8 Đáp ứng của cảm biến CNTFETs với nồng độ ADN đích khác nhau.
- Hình 4.11 Ảnh hưởng của giá trị pH đối với tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs.
- 22 - 4.3.4 Độ ổn định của cảm biến sinh học CNTFETs Hình 4.12 cho thấy nhiệt độ 60oC là giá trị nhiệt độ biến tính (Tm).
- Cảm biến vẫn giữ nguyên khả năng lai hoá ADN của vi khuẩn E.Coli sau 3 tháng.
- Tuy nhiên, hiệu suất lai hóa ADN của cảm biến giảm sau 7 tháng khoảng 3% (hình 4.13).
- 4.4 Kết luận Trong chương này, tác giả đã trình bày kết quả nghiên cứu phát triển bộ cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường ống nano carbon (CNTFETs) sử dụng ADN dò của vi khuẩn E.Coli tinh chế làm phần tử dò để phát hiện trực tiếp lai hoá ADN của vi khuẩn Ecoli.
- Với kết quả này sẽ mở ra khả năng ứng dụng của cảm biến sinh học trên cơ sở transistor hiệu ứng trường sử dụng ống nano carbon trong ngành y học để xác định các loại vi khuẩn, virút gây bệnh.
- Hình 4.12 Ảnh hưởng của nhiệt độ lai hoá tới tín hiệu ra của cảm biến sinh học CNTFETs.
- Hình 4.13 Đặc trưng ID - VGS của cảm biến sinh học CNTFETs thay đổi theo thời gian.
- Hơn nữa việc gắn các nhóm chức sẽ làm cho ống nano carbon có khả năng hoà tan vào trong dung dịch DMF và gắn kết tốt với các phân tử sinh học.
- Kết quả ống nano carbon đã biến tính được phân tán tốt trong dung dịch DMF ở các thông số tối ưu là thời gian rung siêu âm 90 phút, với giá trị pH 7 và đã được thử nghiệm trong cảm biến sinh học trên cơ sở vi điện cực sử dụng ống nano carbon đã biến tính cho kết quả tốt.
- Đã chế tạo thành công transistor hiệu ứng trường sử dụng mạng lưới ống nano carbon làm kênh dẫn (CNTFETs) với 3 chiều dài kênh dẫn 15 m, 10 m, 5 m, cùng chiều rộng 700 m bằng công nghệ vi điện tử.
- Trong đó, đã lựa chọn CNTFETs có chiều dài kênh dẫn 15 m, chiều rộng 700 m để làm bộ chuyển đổi cho cảm biến sinh học.
- Đã cố định được chuỗi ADN dò của vi khuẩn E.Coli lên bề mặt ống nano carbon của cảm biến bằng phương pháp hấp phụ vật lý.
- Trên cơ sở đó đã phát triển thành công 01 bộ cảm biến sinh học có độ nhạy và độ đặc hiệu cao trên cơ sở CNTFETs để phát hiện trực tiếp lai hoá ADN vi khuẩn Ecoli.
- Đã đánh giá được các yếu tố của quá trình cố định ảnh hưởng đến tín hiệu ra của cảm biến sinh học trên cơ sở CNTFETs được nghiên cứu như: thời gian cố định, nồng độ ADN dò và giá trị pH của dung dịch cố định.
- Nghiên cứu cố định ADN lên bề mặt ống nano carbon bằng phương pháp khác nhau.
- “Thiết kế, chế tạo transistor hiệu ứng trường trên cơ sở ống nano carbon (CNTFETs

Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn
hoặc xem Tóm tắt